11、常用半导体器件10页
常用半导体器件
多数载流子（多子）参加导电，杂质原子成 为不可移动旳离子，半导体呈现电中性。
多子旳浓度与掺杂浓度有关，受温度影响很 小；
少数载流子（少子）是因本征激发产生，因 而其浓度与掺杂无关，对温度非常敏感，影响 半导体旳性能.
三、PN结及其单向导电性
1. PN结旳形成 PN结合 多子浓度差 多子扩散 产生空间 电荷区，形成内电场 阻止多子扩散， 促使少子漂移。
四 、半导体二极管旳应用
1、一般二极管
利用二极管旳单向导电性，可实现整流、限 幅及电平选择等功能。
（1）整流电路
利用单向导电性能旳整流元件，将正负交替 变化旳正弦交流电压变换成单方向旳脉动直流 电压。
在电压正半周（设a端为正，b端为负时为正 半周）电流通路如图(a)中实线箭头所示；电压 旳负半周，电流通路如图(b)中虚线箭头所示。 经过RL旳电流iL以及RL上旳电压uL旳波形如图 1.25所示。iL、uL都是单方向旳全波脉动波形。
图1.6 载流子分布浓度差引起扩散运动
扩散运动：多数载流子因浓度上旳差别而形 成旳运动。
漂移运动：少数载流子在内电场作用下有规 则旳运动。
漂移运动和扩散
运动旳方向相反。
无外加电场时，经过
PN结旳扩散电流等
于漂移电流，PN结
旳宽度处于稳定状态。
图1.7 PN结旳形成
2. PN结旳单向导电性
（1）PN结外加正电压
一 、三极管旳构造及符号
1.三极管旳基本构造
三极管旳构造特点： （1）基区做得很薄，
且掺杂浓度低； （2）发射区杂质浓度很高； （3）集电区面积较大.
NPN
PNP
图1.29 三极管构造与符号
2.三极管旳分类
第1章 常用半导体器件(30页)
第1章常用半导体器件1.1 二极管①1.1.1 半导体基础知识1．半导体当电流通过各种物体时，对电流的通过有着各自不同的阻止能力，有的物体可使电流顺利通过，也有的物体不让电流通过，或者在一定的阻力下让其通过。
这种不同物体通过电流的能力叫做物体的导电性。
自然界的物质按导电性可分为绝缘体、导体和半导体三类。
半导体的导电性比导体差，但比绝缘体强。
由于半导体的导电性随杂质浓度、环境温度和光照条件而改变，因此利用它的这些特点，可制成多种性能的电子元器件，如二极管、晶体管、热敏和光敏元件等。
2．本征半导体不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体，其内部存在数量相等的两种载流子：自由电子和空穴。
常温下，本征半导体的两种载流子的数量都很少，所以导电性能很差。
空穴的出现是半导体称区别于导体的重要特征，因为导体只有一种载流子，即自由电子。
3．杂质半导体②向本征半导体中有控制地掺入特定的杂质可以改变它的导电性，这种半导体被称为杂质半导体。
比如，往纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），形成的半导体称为N型半导体，掺入三价元素（如硼），形成的半导体称为P型半导体。
4．半导体的导电特性半导体的导电机理不同于导体，它具有以下几个导电特性，见表1-1。
①二极管，英文Diode。
②N指Negative，负的、负极性等，P指Positive，正的、正极性等。
采用不同的掺杂工艺，将P 型和N 型半导体制作在同一块硅片上，在两者交界面形成一层很薄的特殊导电层，这个特殊导电层称为PN 结。
从PN 结两端各引出一只电极，再用塑料、金属或玻璃封装成不同的形状，便制成二极管。
从P区引出的电极叫阳极（或正极），从N 区引出的电极叫阴极（或负极），如图1-1所示。
图1-1a 所示为点接触型二极管，由一根金属丝经过特殊工艺与半导体表面相接，形成PN 结。
因其结面积小，不能通过较大的电流；但其结电容小，工作频率高，因此适合于高频电路和小功率整流。
图1-1b 所示为面接触型二极管，采用合金法工艺制成。
《常用半导体器件》课件
反向击穿电压：二极管在反向电压作用下， 能够承受的最大电压
开关速度：二极管从正向导通到反向截止 的时间
反向漏电流：二极管在反向电压作用下， 流过二极管的电流
噪声系数：二极管在信号传输过程中产生 的噪声大小
晶体管的特性参数与性能指标
输出电阻：ro，表示晶体管 输出端的电阻
频率特性：fT，表示晶体管 能够工作的最高频率
使用注意事项：在使用二极 管时，需要注意二极管的极 性，避免接反导致电路损坏
散热问题：在使用二极管时， 需要注意二极管的散热问题， 避免过热导致电路损坏
晶体管的选用与使用注意事项
晶体管类型：根据电路需求选择合适的晶体管类型，如NPN、PNP、 MOSFET等。
工作频率：选择工作频率满足电路需求的晶体管，避免频率过高导致晶 体管损坏。
06
半导体器件的选用与使 用注意事项
二极管的选用与使用注意事项
选用原则：根据电路要求选 择合适的二极管类型和参数
正向导通电压：选择二极 管时，需要考虑正向导通 电压与电路电压的匹配
反向耐压：选择二极管时， 需要考虑反向耐压与电路电 压的匹配
反向漏电流：选择二极管时， 需要考虑反向漏电流与电路 要求的匹配
稳定性： 指集成电 路在正常 工作状态 下的稳定 性能
集成电路 的封装形 式：包括 DIP、 QFP、 BGA等
集成电路 的应用领 域：包括 消费电子、 通信、汽 车电子等
场效应管的特性参数与性能指标
栅极电压：控制场效应管的导通和关断 漏极电流：场效应管的输出电流 输入阻抗：场效应管的输入阻抗高，可以减少信号损失 输出阻抗：场效应管的输出阻抗低，可以减少信号损失 开关速度：场效应管的开关速度快，可以减少信号损失 功耗：场效应管的功耗低，可以减少能源消耗
常用半导体器件介绍
基极和发射极之间 的PN结称为发射
结
基极和集电极之间 的PN结称为集电
结
发射结和集电结之 间的区域称为基区
基区非常薄，通常 只有几微米
三极管内部电流的 流动方向与PN结 的导电方向有关
三极管具有放大作 用，可以将小信号
放大成大信号
三极管的特性
01 电流放大：三极管具有电流放大作用，可以 将微弱的输入信号放大为较大的输出信号。
半导体器件可以分为两类：主动器 件和被动器件。主动器件如晶体管、 集成电路等，可以控制电流的流动； 被动器件如电阻、电容、电感等， 主要用来传输和存储信号。
半导体器件的性能和可靠性对电 子设备的性能和可靠性具有重要 影响。
半导体器件的分类
双极型晶体管（BJT）： 场效应晶体管（FET）：
如PNP、NPN等
事等
光电器件的发 展趋势是高速、 低功耗、集成
化
光电器件的分类
光电导器件：利用光电效应工作的器件，如光敏 二极管、光敏三极管等。
光电发射器件：利用外光电效应工作的器件，如 光电管、光电倍增管等。
光敏电阻：利用光敏电阻的光电导效应工作的器 件，如光敏电阻、光敏电容等。
光敏晶体管：利用光敏晶体管的光电导效应工作 的器件，如光敏晶体管、光敏场效应晶体管等。
01
由一个PN结组成
03
PN结具有单向导电性
02
P型半导体和N型半导体相 互接触形成PN结
04
电流只能从P型半导体流向N 型半导体，不能反向流动
二极管的特性
01
单向导电性：二极 管只允许电流从一 个方向通过，具有 单向导电性。
02
整流作用：二极管 可以将交流电转换 为直流电，具有整 流作用。
第1章 常用半导体器件 91页
P IF 外电场
＋
＋N ＋
内电场
E
R
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11
② 外加反向电压（也叫反向偏置）
第1章 常用半导体器件
外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难
以进行，少子在电场作用下形成反向电流I，因为是少子漂移 运动产生的，I很小，这时称PN结处于截止状态。
空间电荷区
变宽
P 区 空间电荷区 N 区
5）最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容的大小。
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18
1.1.3 稳压管及其它类型二极管
第1章 常用半导体器件
稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管 的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于： 电流增量很大，只引起很小的电压变化。
阳极
阴极
(b)
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。
Vo
Vi
V
o
(b)
解 当Vｉ＝＋20V，V１反向击穿稳压VＺ１＝6.3V，V２ 正向导通，VＤ２＝０.7V，则VＤ＝６.３＋０.７＝7V；
同理Vｉ＝-20V，VO＝-7V。
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22
第1章 常用半导体器件
光电二极管——远红外线接收管,太阳能光电池
反向电流随光照强度的增加而上升。 I U
＋＋＋
＋＋ ＋
P
＋＋＋ N
＋＋＋
＋＋ ＋ ＋＋ ＋
内电场
外电场 I
E
R
硕
硕
内电场方向 PN 结及其内电场
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1.1.2 半导体二极管
第一章常用半导体器件111
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导 体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个 重要的外部因素。
第1章 常用半导体器件
1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质（元素）， 就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是 掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
结束
(1-16)
第1章 常用半导体器件
多余 电子
+4 +4
磷原子
+5
+4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
P型区
空间电 N型区 荷区
结束
(1-24)
电位V
UD
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P型区
空间电 荷区
N型区
空间电荷区两边存在电位差ＵＤ－称电位壁垒。
硅：0.6～0.8Ｖ
锗：0.2～0.3Ｖ
（空间电荷区、耗尽层）
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
常用半导体器件
§1-1．半导体基础知识
2）PN结外加反向电压时 处于截止状态
外电场与内电场方向一致，空间电 荷区变宽内电场增强，不利于多子 的扩散，有利于少子的漂移。在电 路中形成了基于少子漂移的反向电 流。由于少子数量很少，因此反向 电流很小。
2）载流子
电场作用
自由电子
定向运动
形成电子电流
电场作用
空穴
填补空穴的价电子作定向运动
形成空穴电流
两种载流子：带负电荷的自由电子 电场 电子电流 极性相反 电流方向同
带正电荷的空穴
空穴电流 运动方向相反
§1-1．半导体基础知识
4.本征半导体中载流子的浓度 复合：运动中的电子重新被共价键束缚起来，电子空穴对消失。
又：IE=IC+IB
§1-3．双极型晶体管
3、晶体管的共射电流放大系数
1）定义： ICN IB
共射直流电流放大系数
IC IB (1 )ICBO IB ICEO
IC IB
IE (1 )IB
2）定义： iC i B
共射交流电流放大系数
容易证明：
§1-3．双极型晶体管
3）定义： ICN IE
结论：ＰＮ结具有单向导电性， 即正偏导通，反偏截止。
§1-1．半导体基础知识
3. PN结的电流方程
qu
i Is(e kT 1)
令: uT=kT/q 称温度电压当量
u
i Is(e UT 1)
T=300K时， uT=26mV
§1-1．半导体基础知识
4. PN结的伏安特性
常用半导体器件10精品课件
电子电路就是将电子器件与通常的电阻、电容、 电感、开关等元件适当地连接起来。
电子电路与普通电路的的区别也就在于它们含 有电子器件，而这些器件的特性往往是非线性的。
1.1 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性
1.1 半导体基础知识
+4 +4 +4 自由电子 +4 施主原子 +4 +4 +4
+4
+5 +4
N 型半导体的晶体结构
1.1 半导体基础知识
2. P型半导体 ----------掺入三价元素
在P型半导体中，空 穴浓度大于电子浓度， 即 p >> n。空穴为多 数载流 子， 电子为少 数载流子。 P型半导体主要靠空穴 导电。
1.1 半导体基础知识
说明：
1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决 定少数载流子的浓度。 2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导 体，因而其导电能力大大改善。 3. 杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示：
1.1 半导体基础知识
P 型半导体的简化表示法
（1） 外加正向电压(正向偏置)P+——N外电场使多子向 PN 结移动，中和部分离子使空间 电荷区变窄，有利于扩散运动。
IF = I扩（多子） I漂（少子） I扩（多子）››0
PN 结呈现低阻性。
1.1 半导体基础知识
（2） 外加反向电压(反向偏置)P-——N+ P
空间电荷区
N
IS 内电场方向 外电场方向 R V
(反向击穿)
反向电流急剧增大
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11 常用半导体器件【课题】11.1二极管【教学目标】知道PN结的单向导电性。
描述二极管的电压、电流关系。
解释主要参数。
【教学重点】1．二极管的电压、电流关系。
2．二极管的主要参数。
【教学难点】二极管的电压、电流关系。
【教学过程】【一、复习】线性电阻和非线性电阻的电压、电流特性。
【二、引入新课】半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体。
但半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力会随温度、光照及所掺杂质不同而显著变化。
特别是掺杂可以改变半导体的导电能力和导电类型，这是今天能用半导体材料制造各种器件及集成电路的基本依据。
二极管就是由半导体制成的。
半导体按所用半导体材料可分为硅二极管和锗二极管；按内部结构可分为点接触型和面接触型二极管；按用途分类可分为普通二极管、稳压二极管、发光二极管、变容二极管等，通常所说的二极管是指普通二极管。
【三、讲授新课】11.1.1 二极管的外形、结构与符号二极管的外形、内部结构示意图和符号如图11.1所示。
（a）外形（b）内部（c）符号图11.1 二极管二极管的阳极引脚由P型半导体一侧引出，对应二极管符号中三角形底边一端。
二极管的阴极引脚由N型半导体一侧引出，对应二极管符号中短竖线一端。
强调指出：符号形象地表示了二极管电流流动的方向，即电流只能从阳极流向阴极，而不允许反方向流动。
11.1.2 二极管的电流、电压关系1．正向偏置与导通状态二极管正向电流、电压关系实验电路如图11.2（a）所示，二极管阳极接高电位，阴极接低电位，二极管正向偏置。
此时调节串联在电路中的电阻大小，二极管表现出不同电压下具有不同的电阻值，记录每个电压下对应的电流值，从而描绘成曲线，即得到图11.2（b）所示的二极管正向电流、电压关系特性。
（1）二极管VD两端正向电压小于0.5 V时，电路中几乎没有电流，对应的电压称为二极管的死区电压或阈值电压（通常硅管约为0.5 V，锗管约为0.2 V）。
（2）二极管两端正向电压大于0.5 V后，电路中电流增加迅速。
（3）随着二极管电流增大，二极管VD两端电压维持在0.6 V ~ 0.7 V之间不再增加（硅管约为0.6 V~0.7 V，锗管约为0.2 V~0.3 V）。
（a）（b）图11.2 二极管正向偏置导通与电流、电压的关系特性2．反向偏置与截止状态二极管的反向电流、电压关系实验电路如11.3（a）所示，二极管阳极接低电位，阴极接高电位，二极管反向偏置。
此时调节串联在电路中的电阻大小，即使二极管两端反向电压较高时，电路中仍然几乎没有电流，当二极管两端反向电压达到足够大时（各种二极管数值不同），二极管会突然导通，并造成二极管的永久损坏。
记录每个电压下对应的电流值，从而描绘成曲线，即得到图11.3（b）所示的二极管反向电流、电压关系特性。
（1）当反向电压不超过一定范围时，反向电流十分微小并随电压增加而基本不变。
通常可以忽略不计。
（2）当反向电压增加到一定数值时，反向电流将急剧增加，称为反向击穿，此时的电压称为反向击穿电压。
（a）（b）图11.3 二极管反向偏置截止与电流、电压关系特性综上所述，二极管具有在正向电压导通，反向电压截止的特性，这个特性称为单向导电性。
11.1.3 二极管的主要参数二极管的参数是选择和使用二极管的依据。
主要参数有：（1）最大整流电流I FM指二极管长期工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。
（2）最高反向工作电压U RM指保证二极管不被击穿所允许施加的最大反向电压。
（3）反向电流I R指二极管加反向电压而未击穿时的反向电流，如果该值较大，是不能正常使用的。
11.1.4 发光二极管发光二极管是一种把电能直接转化成光能的固体发光元件，如图11.4所示为几种发光二极管外形及其电路图形符号。
图11.4 发光二极管外形及图形符号发光二极管是由PN结组成，具有单向导电性。
当发光二极管加上正向电压时能发出一定波长的光。
发光波长除与制作使用材料有关外，还与PN结所掺“杂质”有关。
一般用磷砷化镓材料制作的发光二极管发红光，磷化镓材料制作的发光二极管发绿光或黄光。
发光二极管的作用：用作电子设备的通断指示灯，数字电路的数码及图形显示，也可作为快速光源，以及光电耦合器中的发光元件。
11.1.5 光电二极管光电二极管由PN结组成，具有单向导电性，但光电二极管管壳上有一个能射入光的窗口，这个窗口用有机玻璃透镜封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。
如图11.5所示为光电二极管外形结构及其电路图形符号。
图11.5 光电二极管外形结构及电路图形符号光电二极管工作在反向偏置状态。
当在PN结上加反向电压，再用光照射PN 结时，能形成反向光电流，光电流的大小与光照射强度成正比。
光电二极管用途很广，一般常用作传感器的光敏电元件，在光电输入机上用作光电读出器件。
【四、小结】1．二极管对来自两个方向的电流呈现不同的性质，在外加电压足够大时（一般约0.3 V0.6 V），电流只能从阳极（P型半导体一侧）流向阴极（N型半导体一侧），反方向是不能导通的。
这个特性称为单向导电性。
2．二极管的参数反映二极管在各方面的性能，是正确的选择和使用二极管的依据。
二极管的参数主要针对单向导电性提出来的。
使用较多的是最大整流电流和最高反向工作电压。
3．了解发光二极管的作用。
4．了解光电二极管的作用。
【五、习题】一、是非题：1、2；二、选择题：1；三、填空题：1、2；四、计算题：1。
【课题】11.2三极管【教学目标】1．知道三极管结构与符号。
2．三极管的放大作用。
【教学重点】1．三极管结构与符号。
2．三极管的放大作用。
【教学难点】三极管的放大作用。
【教学过程】 【一、复习】1．二极管的正向偏置和反向偏置的不同表现。
2．基尔霍夫电流定律。
【二、引入新课】三极管的分类：按材料分有硅三极管和锗三极管；按结构类型分有NPN 型和PNP 型。
【三、讲授新课】11.2.1 三极管的外形、结构和符号三极管的外形、内部结构示意图和符号如图11.6所示。
（a ）外形 （b）NPN管结构和符号（c ）PNP 管结构和符号图11.6 三极管NPN 型三极管发射极电极（符号箭头向外）形象地指出发射极电流的流动方向是由管内流向管外，而基极电流和集电极电流是流入管内的；PNP 型三极管的情况正好相反（符号箭头向内），电流由发射极流入，由集电极和基极流出。
11.2.2 三极管的放大作用三极管放大作用可按图11.7连接电路。
发射极作为公共端接地，并选取U CC > U BB 。
在基极回路电源U BB 作用下，发射结正向偏置（即基极电位高于发射极电位）。
在集电极回路电源U CC 作用下，集电结反向偏置（即集电极电位高于基极电位）。
图11.7 三极管的放大作用调节电阻R B ，观察基极电流I B 、集电极电流I C 和发射极电流I E 。
（1）I B 变化（增大或减少），I C 和I E 都会随之相应的变化（增大或减少）。
（2）I E I B + I C = ( 1+ )I B ，且I C >>I B 。
（3）I C 和I E 的比值基本为一常数，称为三极管的电流放大系数，用字母β表示。
=BCI I 或 I C = I B （4）发射结电压在0.5 V 以下时，I CI E0，这种情况下三极管处于截止状态。
（5）基极电流I B增加到一定数值时，就会发现集电极电流I C不随基极电流I B增大而增大。
这种情况下三极管处于饱和状态。
就其本质而言，三极管的“放大”是一种控制，是以较小的电流I B控制较大的电流I C。
11.2.3 三极管的主要参数1．电流放大系数（）是表征三极管电流放大能力的参数。
通常以100左右为宜。
2．集电极最大允许电流（I CM）是指当三极管集电极电流超过I CM时，三极管的参数将会明显变化。
3．集电极最大允许耗散功率（P CM）是指为了限制集电结温升不超过允许值而规定的最大值，该值除了与集电极电流有关外，还与集电极和发射极之间的电压有关。
4．集电极、发射极之间反向击穿电压（U（BR）CEO）是指三极管基极开路时，集电极和发射极之间能够承受的最大电压。
【四、小结】1．三极管是由两个PN结构成的，所以就有NPN型管和PNP型管之分。
所以外加电压极性和电流方向都相反。
2．三极管要具有放大作用，就必须满足其外部条件，即发射结正向偏置，集电结反向偏置，这一条是组成放大电路的基本原则。
3．三极管放大时电流分配的关系式：I E = I C +I B =（1+ ）I B4．β称为三极管的电流放大系数：I C = I B5．三极管的主要参数其物理意义是：——反映电流放大能力；I CM——对三极管集电极电流的限制；U（BR）CEO——三极管集电极和发射极之间能够承受最大电压的限制等。
【五、习题】一、是非题：3、4；二、选择题：2；三、填空题：3、4。
【课题】11.3三极管的三种工作状态【教学目标】描述三极管的放大作用。
区分三种工作状态（放大、饱和、截止）。
【教学重点】三极管的三种工作状态的外部条件和特点。
【教学难点】三极管的三种工作状态的外部条件和特点。
【教学过程】【一、复习】三极管的放大作用。
【二、引入新课】三极管工作状态的不同是由其集电结和发射结偏置不同造成的，它可以分成放大状态、饱和状态及截止状态。
【三、讲授新课】11.3.1 放大状态处于放大状态的三极管I C = I B，各极之间电流关系为I E = I B + I C = I B + I B = (1 +)I B三极管处于放大状态的电流和电压示意图如图11.11所示。
（a）（b）（c）图11.11 放大状态晶体管电流、电压示意图图11.11（a）所示电路是在图11.7电路基础上，将电阻R B接到U BB正极的一端改接到U CC的正极上。
为了进一步简化电路，图11.11（a）中电源U CC省去未画，只标出它对地电位值和极性。
图11.11（b）中标出发射结的正向偏置电压U B E和集电结的反向偏置电压U C B，放大状态各点电位是集电极电位最高，基极电位次之，最低的是发射极电位。
图11.11（c）示意三极管处于放大状态时，集电极C和发射极E之间相当于通路，用一个变化的电阻表示其间电压降。
变化情况可认为是受基极电流控制的。
11.3.2 饱和状态处于饱和状态的三极管，基极电流I B 失去对集电极电流I C 的控制作用，因而三极管饱和时没有放大作用。
三极管处于饱和状态电流和电压示意图如图11.12所示。
（a ） （b ） （c ）图11.12 饱和状态三极管电流、电压示意图图11.12（a ）中，当U CE 减小到接近为零时（硅管约0.3 V ，锗管约0.1 V ，称为饱和压降），集电极电流I CCCCC CE CC R U R U U ≈-已达到最大值（三极管饱和）。