第5章半导体器件基础

典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
5.1半导体基础知识
半导体的共价键结构
硅晶体的空间排列 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构
5.1半导体基础知识
电子空 本征半导体(Intrinsic Semiconductors) 穴对 化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶 空穴 体形态。
I E (1 ) I B I C
5.3晶体三极管(Transistor)
动态电流放大
ΔUi ΔIB ΔIC
iB=IB+ΔIB T Rb + ΔUi UBB UCC RC iC=IC+ΔIC
定义：共发射极交流电流放大 系数

IC IB
可近似认为：

动 态 电 压
结论：1、三极管在E结正偏、C结反偏时具有电 流放大作用。 2、三极管是一个电流控制元件，IC由IB控制。
1 O 3 6 20A IB=0 等效：
B βIB E C
9
12 U (V) CE
半导体三极管的伏安特性（4）
（2）截止区
IB < 0 以下区域为截止区，有 IC 0 。
i D /m A 1.0
0.5
外电场
– 1.0
i D =– IS
– 0.5
0
0.5
1.0
D /V
PN结加反向电压时的导电情况
PN结的伏安特性
5.1半导体基础知识
PN结加正向电压时，呈现低电阻，
具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻， 具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：PN结具有单 向导电性。
半导体三极管的伏安特性（3）
输出特性
I C f (U CE ) I
B 常数
输出特性曲线通常分三个工作区： (1) 放大区 IC(mA ) 100A 在放大区有 IC= IB ，也称 4 为线性区，具有恒流特性。 80A 3 在放大区，发射结处于正 60A 向偏置、集电结处于反向偏置， 放大区 2 40A 晶体管工作于放大状态。
二极管的模型
2. 恒压降模型 3. 折线模型
1. 理想模型
特点：
特点：死区电压=0 正向导通压降=0 反向饱和电流=0 正向导通压降=死区 电压 =0.7V或0.3V 反向饱和电流=0
特点： 正向导通压降=死区 电压 =0.5V或0.2V 反向饱和电流=0
含二极管电路的分析
含二极管电路的分析方法
内电场
PN结
P区
空间电荷区
N区
内电场促使少子漂移
多子的扩散和少子的漂移 达到动态平衡，PN结形成。
5.1半导体基础知识
PN结加正向电压时（Forward-Based PN Junction) 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正 向电压，简称正偏(Forward Bias) 特点：低电阻 大的正向扩散电流
加的最高反向电压
i D /m A
IF
(3) 反向饱和电流IR：二极
管未击穿时的反向电流值
20
VRM
V BR
40
15 10 5
V th
(4) 最高工作频率fM：保证
二极管具有单向导电性能的最 高工作频率
30 20 10 0 10 20
0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 死区
输入伏安特性：
I B f (U BE )
U CE 常数
IC
由测量结果，可得输入伏安特性 曲线：
IB(uA) 80 60 40 UCE=0 UCE=0.5V UCE≥1V
IB
T Rb UCE UBE UCC UBB RC
20
UBE(V) 0
0.2 0.4 0.6 0.8
结论：三极管输入特性 与二极管相似
当ui>3V时，二极管导通，相当于短路，故uo=ui 当ui<3V时，二极管截止，相当于断路，故uo=3V
含二极管电路的分析
当ui>3V时，二极管导通，相当于短路，故uo=ui 当ui<3V时，二极管截止，相当于断路，故uo=3V ui 3V uo
含二极管电路的分析
电压传输特性曲线 u o f u i
-
RL

I Z 5 ~ 25 mA
10 6 35 10 6 15
I R 15 ~ 35 mA
R min R max
114 267
R的取值范围为114Ω~267Ω
二极管的主要参数
(1) 最大整流电流IF：二极管长时间工作允许通过
的最大正向平均电流
(2) 最大反向工作电压VRM：二极管在使用时允许
5.1半导体基础知识
P型半导体
空穴
因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺 少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 电子空
穴对
在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂 形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。
5.1半导体基础知识
在N型半导体和P型半 导体的结合面上形成如下 物理过程: 因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成 空间电荷区 空间电荷区 形成内电场 内电场阻止多子扩散
自由电子
当外界给半导体施加能量时，一些共价 本征激发： 键中的电子会脱离共价键的束缚成为自由电子， 在原来的位置上产生一个空穴(hole)。 电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。 电子空穴对可参与导电
5.1半导体基础知识
杂质半导体(Extrinsic Semiconductors) 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质， 可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质 主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体 称为杂质半导体。
{end}
5.2半导体二极管(Diode)
在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极 管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平 面型三大类。
二极管的代表符号
阳极 a k 阴极
代表符号
5.2半导体二极管
二极管的伏安特性曲线可用下式 表示
iD I S (e
v D / VT
R
iD + vD -
1)
uo 5V 3V -5V 0 ui
3V
：
当ui>3V时，uo=ui 当ui<3V时，uo=3V
5V
稳压二极管（Zener Diode)
利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳 压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。
(a)符号 (b) 伏安特性
稳压二极管主要参数
(1) 稳定电压VZ 在规定的稳压管反向 工作电流IZ下，所对应的 反向工作电压。
2、计算二极管两端的电压 UD=V阳-V阴 3、判断：
若 UD>0，则二极管工作于导通状态
若 UD<0，则二极管工作于截止状态
含二极管电路的分析
例：求UAO （二极管为理想二极管）
A
B C
A
15V
RL
12V
15V
RL
12V
O
O
0V U BC ＝ 15 12 ＝ 3 V ＜
U AO 12 V
半导体三极管的伏安特性（1）
测量晶体管特性的实验线路
IB
A
IC
mA
+
+
V UCE
输出回路 –
+
–
RB
V UBE 输入回路 – + – EB
EC
三极管的伏安特性可分为： 输入伏安特性： I 输出伏安特性： I
B
f (U BE ) f (U CE )
U CE 常数 I B 常数
C
半导体三极管的伏安特性（2）
含二极管电路的分析
例 图 示 电 路 ， D1 D2 为 理 想 二 极 管 ， D1 工 作 在 _________状态，D2工作在_________状态，uao=______。
UD1 D1
UD2 D2 3V
3 kΩ 6V
uao
分析：先将二极管断开，分别计算正向压降，显 然UD1=6V ，UD2=9V
V BR O
iD
D
5.2半导体二极管(Diode)
i D /m A
20 15 10
反向 特性
V th
60 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 死区 40
i D /m A
20 15 10 20 5 0 0 .2 0 .4 0 .6 10 20 ①
正向特性
V BR
40
5 30 20 10 0 10 20 30 40
D /V
IR
30 40
i D /istor)
c
NPN型三极管的结构与符号
发射极 e Emitter b 基极 Base
C结
b E结
c N P N e c e c b b
发射区
发射结 E结
P N
基区
N型硅
集电结 C结
C结 b
P N P
c
集电区
i D /m A 1.0
外电场
0.5
– 1.0
– 0.5
0
0.5
1.0
D /V
PN结加正向电压时的导电情况
PN结的伏安特性
5.1半导体基础知识
PN结加反向电压时(Reverse-Based PN Junction) 当外加电压使PN结中P区的电位低于N区的电位，称为 加反向电压，简称反偏(Reverse Bais)。 特点： 高电阻 很小的反向漂移电流
确定 二极 管的 工作 状态
若二极管工作在截止
状态则可等效为断开 的开关