1-半导体基础知识
半导体基础知识
G
S 图 P 沟道结型场效应管结构图
S 符号
二、工作原理
N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电
流 ID 的。
耗尽层
D 漏极
*在栅极和源极之间
加反向电压，耗尽层会变
栅极
G
N
P+ 型 P+
沟 道
N
S 源极
宽，导电沟道宽度减小， 使沟道本身的电阻值增大， 漏极电流 ID 减小，反之， 漏极 ID 电流将增加。
e
e
图 三极管中的两个 PN 结
c
三极管内部结构要求：
N
b
PP
NN
1. 发射区高掺杂。
2. 基区做得很薄。通常只有 几微米到几十微米，而且掺杂较 少。
3. 集电结面积大。
e
三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射 结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。
三极管中载流子运动过程
c
Rc
IB
I / mA
60
40 死区 20 电压
0 0.4 0.8 U / V
正向特性
2. 反向特性 二极管加反向电压，反 向电流很小； 当电压超过零点几伏后， 反向电流不随电压增加而增
I / mA
–50 –25
0U / V
击穿 – 0.02 电压 U(BR) – 0.04
反向饱 和电流
大，即饱和；
反向特性
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
+4
1.1 半导体基础知识
半导体基础知识 二极管 晶体管 场效应晶体管 半导体器件技能训练
诚信
善思
崇德
励志
1.1 半导体基础知识
1.1 .1 半导体特点 1.1.2 PN结的单向导电性
诚信
善思
崇德
励志
1.1.1 半导体特点
一、物质根据其导电性能的不同可分为三大类 1、导体
容易导电、电阻率小于10-4Ω /cm的物质，例如金、银、 铜、铝、铁银等金属材料；
一、PN结的形成——多子扩散
PN结特点： 多子被耗尽 剩余不能移动的带电离子 存在内电场，且阻碍多子运动
诚信
善思
崇德
励志
1.1.2 PN结的单向导电性
一、PN结的形成——少子漂移
PN结特点： 多子被耗尽 剩余不能移动的带电离子 存在内电场，且阻碍多子运动，利于少子漂移 诚信 善思 PN结对外呈电中性
3、掺杂特性
半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化； 在材料硅中， 只要掺入亿分之一的硼， 电阻率就会 下降到原来的几万分之一
诚信 善思 崇德 励志
1.1.1 半导体特点
三、 本征半导体
纯净的、结构排列整齐的半导体晶体称为本征半导体。
硅和锗的原子结构 简化模型
硅和锗的晶体结构
诚信 善思 崇德 励志
崇德
励志
1.1.2 PN结的单向导电性
二、PN结的单向导电性
PN结外加正偏电压导通
PN结外加反偏电压截止
诚信
善思
崇德
励志
1.1.1 半导体特点
1、两种载流子——自由电子与空穴
硅和锗的晶体结构
热激发产生的自由电子和空穴
第1章半导体基础知识
第1章半导体基础知识
§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 四、PN结的电容效应
第1章半导体基础知识
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。
导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
漂移运动
因电场作用所产 生的运动称为漂移 运动。
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态 平衡，就形成了PN结。
第1章半导体基础知识
PN 结的单向导电性
空间电荷区也称耗尽层
必要吗？
PN结加正向电压Βιβλιοθήκη 通：PN结加反向电压截止：
耗尽层变窄，扩散运动加 耗尽层变宽，阻止扩散运动，
剧，由于外电源的作用，形 有利于漂移运动，形成漂移电
频率高。
频率低。
流大。
第1章半导体基础知识
二、二极管的伏安特性及电压电流方程
二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性：i f (u)
U D
击穿
iDIS(eU T1) (常温 U T下 2m 6 V电)压
反向饱 开启 和电流 电压
UT =kT/q 称为温度的电压当量
材料 开启电压 导通电压 反向饱和电流
多数载流子
杂质半导体主要靠多数载流
5
子导电。掺入杂质越多，多子
浓度越高，导电性越强，实现
导电性可控。
磷（P）
第1章半导体基础知识
2. P型半导体
3
多数载流子
P型半导体主要靠空穴导电， 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 导电性越强，
半导体基本知识
五、PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。
(1) 势垒电容Cb
表征耗尽层内电荷量的变化。
(2)扩散电容Cd 表征耗尽层外中性区(P区和N区)内电荷量的变化。
(1) 势垒电容Cb
PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生 变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电 相同，其等效电容称为势垒电容Cb。
当PN结外加正向电压，且u >>UT时，
qu kT
即i随u按指数规律变化；
当PN结外加反向电压，且| u |>> UT时，
当反向电压超过一定数值后， 反向电流急剧增加，称为反向 击穿。 击穿：齐纳击穿、雪崩击穿
①齐纳击穿
掺杂浓度越高，耗尽层宽度窄
不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，而直接 破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子—空 穴对，致使电流急剧增大。
(2) 扩散电容Cd
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过 程，其等效电容称为扩散电容Cd。 外加正向电压一定时，靠近耗尽层交界面处的非平 衡少子浓度高，而远离交界面的地方浓度低，浓度自 高到低逐渐衰减，直至零。形成一定的浓度梯度（浓 度差），形成扩散电流。
空穴 空间电荷区 耗尽层 电子
P区
内电场
N区
二、 PN结的单向导电性
在 PN结的两端外加电压，破外原来的平衡状态。
①外加正向电压
电源正极接PN结的P端，负极接N端
P区的电位高于N区的电位，称为正向偏置或正向接法。
②外加反向电压 电源负极接PN结的P端，正极接N端
(1)
PN结加正向电压时的导电情况
01.半导体物理基础知识
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.4硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子 的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有 电子对就称为“共价键”。如图1.2-2所示。
图1.2-2
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.5硅晶体的金刚石结构 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称 晶格，最小的晶格叫晶胞。图1.2-3表示一些重要的 晶胞。
1.9平衡载流子和非平衡载流子
一块半导体材料处于某一均匀的温度中，且不 受光照等外界因素的作用，即这块半导体处于平衡状 态，此时半导体中的载流子称为平衡态载流子。 半导体一旦受到外界因素作用（如光照，电流 注入或其它能量传递形式）时，它内部载流子浓度就 多于平衡状态下的载流子浓度。半导体就从平衡状态 变为非平衡状态，人们把处于非平衡状态时，比平衡 状态载流子增加出来的一部分载流子成为非平衡载流 子。
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.2晶体结构 固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规 则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子 规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非 晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐 软化。 1.2.3单晶和多晶 在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列， 称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排 列在一起的固体称为多晶。
1.1导体，绝缘体和半导体
物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来 衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。 表1-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的 大致范围
物体 电阻率 Ω·CM
导体 <10e-4
半导体 10e3~10e9
绝缘体 >10e9
表1-1
1.1 半导体基础知识
1.1 半导体基础知识1.1.1 半导体的特性自然界的各种物质，根据其导电能力的差别，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。
[下一页]半导体的特性硅原子的序数是14、原子核外有14个电子，最外层有4个电子，称为价电子，带4个单位负电荷。
通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核。
惯性核带有4个单位正电荷，最外层有4个价电子带有4个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。
[下一页]1.1.2 本征半导体在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。
每一个原子的价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。
这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的结构。
一般来说，共价键中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子，这种物理现象称作为本征激发，价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称“空穴”。
如图所示。
当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。
价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。
为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正电荷的载流子。
在本征半导体内部自由电子与空穴总是成对出现的，因此将它们称作为电子-空穴对。
当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键，与此同时消失一个“电子-空穴”对，这一相反过程称为复合。
在一定温度条件下，产生的“电子空穴对”和复合的“电子空穴对”数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时，“电子-空穴对”维持一定的数目。
半导体基础知识
符号
1
+ W78XX +
2
_
3
_
W79XX
1 2
3
1.6.3 W78XX、W79XX系列 集成稳压器的使用方法
一、 组成输出固定电压的稳压电路
1. W78XX系列
+
1
W78XX
Co
2
+
Uo = 12V
改善负载 的暂态响 应,消除 高频噪声
注意 3 Ui 输入 Ci 电压 极性 抵消输入 长接线的 电感效， 防止自激 Ci : 0.1~1F
IR + +
R UR
IL
IZ RL
2、引起电压不 稳定的原因
UI
电源电压的波动 负载电流的变化
DZ
稳压二极管
+ UL
将微小的电压变化转 换成较大的电流变化
三端稳压器封装及电路符号
封装
塑料封装
金属封装
79LXX
W7805 1 3 2
W7905 1 3 2
78LXX
1
2
3
UI GND UO GND UI UO
空穴
负离子
电子
正离子
一、载流子的浓度差引 N型材料 起多子的扩散扩散使 交界面处形成空间电 荷区（也称耗尽层）
内电场方向
二、空间电荷区特点
基本无无载流子，仅 有不能移动的离子
三、扩散和漂移达到动态平衡
扩散电流= 漂移电流 总电流=0 利于少子的漂移
形成内电场
阻止多子扩散进行
1.2.2 PN结的单向导电性
外界条件决定半导体内部 载流子数量
三、本征半导体： 纯净的半导体
半导体基础知识
现代电子学中，用的最多的半导 体是硅和锗，它们的最外层电子 （价电子）都是四个。
Ge
Si
电子器件所用的半导体具有晶体结构，因 此把半导体也称为晶体。
2、半导体的导电特性
1）热敏性 与温度有关。温度升高，导电能力增强。 2）光敏性 与光照强弱有关。光照强，导电能力增强 3）掺杂性 加入适当杂质，导电能力显著增强。
图 二极管的结构示意图 (a)点接触型
(2) 面接触型二极管—
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。
(b)面接触型
(3) 平面型二极管—
(c)平面型 图 二极管的结构示意图
2、分类
1）按材料分：硅管和锗管 2）按结构分：点接触和面接触 3）按用途分：检波、整流…… 4）按频率分：高频和低频
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区
扩散运动 (浓度差产生)
阻挡多子扩散
2）内电场的形成及其作用{ 促进少子漂移 漂移运动
P型半导体
、所以扩散和 移这一对相反－ － － － － － 运动最终达到 衡，相当于两－ － － － － － 区之间没有电－ － － － － － 运动，空间电 区的厚度固定－ － － － － － 变。
在常温下，由于热激发，使一些价电子 获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成 为自由电子，同时共价键上留下一个空位， 称为空穴。
第一章半导体基础知识
第一章半导体基础知识〖本章主要内容〗本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义，工作状态或工作区的分析。
首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点。
其后介绍二极管、稳压管的伏安特性、电路模型和主要参数以及应用举例。
然后介绍两种三极管（BJT和FET）的结构原理、伏安特性、主要参数以及工作区的判断分析方法。
〖本章学时分配〗本章分为4讲，每讲2学时。
第一讲常用半导体器件一、主要内容1、半导体及其导电性能根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。
半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-3～10-9Ω∙cm。
典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化；往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性；这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。
2、本征半导体的结构及其导电性能本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。
制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。
在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。
3、半导体的本征激发与复合现象当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。
当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。
这一现象称为本征激发（也称热激发）。
因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。
游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。
在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空穴数相等。
4、半导体的导电机理自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，因此，在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子（即载流子），这是半导体的特殊性质。
1.半导体基础知识doc
基础知识半导体的研究和应用，虽然历史不长，但在科学、技术以及国民经济中已起着十分重要的作用。
在机械、冶金、化工、电子、空间技术以及国防工业等领域有着广泛的应用，差不多国民经济的每一个部门都要用到半导体。
半导体工业的兴起，被认为是上世纪六十年与原子能同等重要的世界科学新成就。
集成度探测器灵敏度整流元件高耐压大功率光电转换率1．绝缘体、半导体和导体物质就其导电性质而言，可分为绝缘体、半导体和导体。
金、银、铜、铁、铝等金属，具有良好的导电性能，称为导体。
橡胶、木材、玻璃、玛瑙、电木等不能导电的物质，称为绝缘体。
导电能力介于导体和绝缘体之间的材料，称为半导体。
如：硅、锗、氧化铜、硫化铝等。
物体的导电能力一般用材料的电阻率的大小来衡量，它的单位是欧姆．厘米（Ω·cm）。
电阻率越小，导电能力越强，电阻率越大，导电能力越弱。
2．半导体材料的种类半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为以下几类：●元素半导体又称为单质半导体。
在元素周期表中介于金属和非金属之间的元素。
其中具有实用价值的有硅、锗、硒。
50年代，锗在半导体中占主导地位，到60年代后期逐渐被硅材料取代。
用硅制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，因此，硅成为应用最多的一种半导体材料,目前的集成电路大多数(70%以上)是用硅材料制造的.硅的物理化学性质：硅是元素周期表中四族元素，自然界中含量仅次于氧，居第二。
在自然界中硅主要以二氧化硅及硅酸盐的形式存在。
结晶形硅是一种有灰色金属光泽的晶体，与金刚石具有类似的晶格，性质硬而脆。
元子量、原子密度、比重、本征载流子浓度、本征电阻率---；硅的许多化合物及在许多化学反应中的行为与磷很相似。
硅极易与卤素化合。
在1000℃以上与氮反应，生成氮化硅。
化学性质不活泼，在常温下很稳定，不溶于所有的酸（包括氢氟酸）。
在高温下，化学活泼性大大增加。
●化合物半导体化合物半导体是由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。
(完整word版)半导体基础知识
1.1 半导体基础知识概念归纳本征半导体定义：纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
电流形成过程：自由电子在外电场的作用下产生定向移动形成电流。
绝缘体原子结构:最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子。
绝缘体导电性:极差。
如惰性气体和橡胶.半导体原子结构：半导体材料为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧.半导体导电性能：介于半导体与绝缘体之间.半导体的特点：★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。
★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化.晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格。
共价键结构:相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。
自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子.空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。
电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动,形成电子电流。
空穴电流:价电子按一定的方向依次填补空穴(即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。
本征半导体的电流：电子电流+空穴电流.自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。
载流子：运载电荷的粒子称为载流子。
导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。
本征半导体电的特点:本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。
本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发.复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。
动态平衡：在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,与复合的自由电子与空穴对数目相等,达到动态平衡。
载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。
半导体的基本知识PN结及其单向导电性
+4
+4
+4
价电子填
补空穴而
使空穴移
动，形成
+4
+4
+4
空穴电流
+4 空穴的+移4 动 +4
自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动 也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运
动是17靠相邻共价键中的价电子依次上第充1页章填空穴第下1来次页课实现的第返1。7回页
现代电子技术基础
半导体导电机理动画演示
33
上第1页章
第下1次页课
第返33回页
现代电子技术基础
(3)杂质对半导体导电性的影响
掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的 影响，一些典型的数据如下:
1 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
2 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
3 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3
杂质元素形成的。 b. P型半导体产生大量的空穴和负离子。
c. 空穴是多数载流子,电子是少数载流子。
d. 因空穴带正电，称这种半导体为P(positive)型或 空穴型半导体。
32
上第1页章
第下1次页课
第返32回页
现代电子技术基础
当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可 将N型转为P型； 当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可 将P型转为N型。
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
半导体的基本知识
3、N型和P型半导体
（1）N型半导体：电子型
在本征半导体中掺入五价杂质原子，例如掺入磷原子，可形成N型半导体。
多数载流子自由电子,少数载流子空穴。
（2）P型半导体：空穴型
在本征半导体中掺入三价杂质原子，如硼等形成了P型半导体。
相对导体及绝缘体，半导体元件的导电原理学生是难以理解的，故半导体元件的导电原理是本章难点。
教材处理思路
这两节课是电子技术基础科目里的的重要章节，半导体的导电原理及PN结的单向导电性是电子技术的基本内容，只有理解相关原理，才能掌握电子电路正确的分析设计方法。
技校学生，他们普遍对学习欠缺主动性，所以教师必须用各种方法激发其兴趣，吸引其注意力。而这两节课采用多种教学方法，让学生成为课堂的主角，通过对教学内容的分解，同时培养学生的竞争意识，预计能收到良好的教学效果。
多数载流子自由电子,少数载流子空穴。
由上述分析我们得出：杂质半导体内部有两种载流子(自由电子、空穴)参与导电。当杂质半导体加上电场时，两种载流子产生定向运动共同形成半导体中的电流。主要靠自由电子导电的杂质半导体是N型半导体，主要靠空穴导电的杂质半导体是P型半导体。
二、PN结及其单向导电性、
1、PN结的形成
P9 1.2.
引导法。指导学生分组讨论，点名回答，教师针对性的补充说明，设下悬念，提高学生对本堂课的兴趣。
讲授法。
难点化解方法：
由物理现象开始，引导学生明确区分电子载流子和空穴载流子的差别，从而深入理解半导体导电的方式。
提问：半导体的分类？
总结对比法。
讲授法。
讲授法。
1-半导体基础知识及二极管
2-5
元素周 期表
2-6
1、电子半导(Negative) ——N型半导体 、电子半导 型半导体 +5价元素磷 、砷(As )、锑(Sb)等在硅晶体中 价元素磷(P)、 价元素磷 、 等在硅晶体中 给出一个多余电子，故叫施主原子。 给出一个多余电子，故叫施主原子。 电子数目 = 空穴数 + 正离子数
空穴 +4
+4 自由电子
+4
+4
+4
自由电子 空穴
挣脱共价键的束缚自由活动的电子 束缚电子成为自由电子后， 束缚电子成为自由电子后，在共 价键中所留的空位。 价键中所留的空位。
2-4
二、杂质半导体
电子半导体 (Negative) 杂质半导体 空穴半导体 (Positive ) 加+3价元素硼 价元素硼 (B )、铝(Al )、铟 、 、 (In)、钙(Ga ) 、 价元素磷(P)、 加+5价元素磷 、 价元素磷 砷(As )、锑(Sb) 、
2AP 2CP
2CZ54 (c)
2CZ13
2CZ30
二极管外形
2-22
二、二极管的V—I特性 二极管的 特性
二极管两端加正向电压时,就产生 二极管两端加正向电压时 就产生 二极管两端加上反向电压时,在开 当正向电压超过门槛电压时,正向 二极管两端加上反向电压时 在开 当正向电压超过门槛电压时 正向 二极管反向电压加到一定数值时, 二极管反向电压加到一定数值时 正向电流,当正向电压较小时 当正向电压较小时,正向 正向电流 当正向电压较小时 正向 iV / mA 始很大范围内,二极管相当于非常 电流就会急剧地增大,二极管呈现 始很大范围内 二极管相当于非常 电流就会急剧地增大 二极管呈现 反向电流急剧增大,这种现象称 反向电流急剧增大 这种现象称 电流极小（几乎为零） 这一部分 电流极小（几乎为零）,这一部分 大的电阻,反向电流很小 。 这时 很小电阻而处于导通状态。 反向电流很小,且不随反 大的电阻 反向电流很小 且不随反 很小电阻而处于导通状态 为反向击穿。 为反向击穿。此时对应的电压称 B′ 称为死区,相应的 相应的A(A′)点的电压称 称为死区 相应的 点的电压称 15 向电压而变化。 用U 表示 如图 硅管的正向导通压降约为0.6~0.7V, 向电压而变化。此时的电流称之为 硅管的正向导通压降约为 为反向击穿电压,用 BR表示,如图 为反向击穿电压 为死区电压或门槛电压(也称阈值 为死区电压或门槛电压 也称阈值 反向饱和电流IR 。如图中 （ OC′） 锗管约为0.2~0.3V,如图中 见图中OC（ 如图中AB(A′B′) 反向饱和电流 段,见图中 锗管约为 ） 中CD(C′D′)段 见图中 电压),硅管约为 硅管约为0.5V,锗管约为 锗管约为0.1V, 10 电压 硅管约为 锗管约为 段。 段。 如图中OA(OA′)段。 如图中 段 5
第1章半导体器件
在反向击穿状态下，让通过管子的电流在一定范围 内变化，这时管子两端电压变化很小，稳压二极管就 是利用这一点达到“稳压”效果的。
2 何谓杂质半 导体？N型半导 体中的多子是 什么？少子是 什么？
3 P型半导体中的空 穴多于自由电子，是 否意味着带正电？N 型半导体是否带负 电？
10
1.1 半导体基础知识
g. PN结及其形成过程
杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它 们并不能称为半导体器件。
空间电荷区
P区
在一块晶片的两端分别注入三价 元素硼和五价元素磷
内电场 外电场
V
IS
13
1.1 半导体基础知识
i. PN结的电流方程
一般地：
qu
i I s (e kT 1)
可以简化为，
u
i
I
I
s
(eUT
1)
当T=300K时，
u
i I s (e 0.026 1)
14
1.1 半导体基础知识
j. PN结的伏安特性曲线
当u>> UT时，
u
i IseUT
反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。
外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二 极管失去单向导电性，进入反向击穿区。
23
1.2 半导体二极管
正向导通区的讨论
I (mA) 60
当外加正向电压大于死区电压时，二 极管由不导通变为导通，电压再继续增
第一章 半导体基础知识
稳定 电流IZ
U＜UZ， 截止， UD＝ U U＞UZ， 稳压, UD＝ UZ
U
U UZ R IZ
三、晶体管
（一）晶体管特性 输入特性
— iB＝f1（uBE）∣UCE＝常数
UCE≥1V
uBE ＞ Uon ， 发射结导通→ iB 导通后，uBE ≈ Uon 且Uon≈ 0.7 V 0.2V 硅 锗
VCC / Rc＝12mA， ∴ T放大不成立。 或：设稳压管不导通， uo =Vcc－IcRc=12－24＝ - 12V<0.2V， T深度饱和， uo = UCES＝0.1V 假设
成立
深度 饱和
习题1.18
T: 锗管， UCES＝-0.1V；稳压管UZ＝5V，求：
=50
IR IB IC
ui＝0V和-5V时T的状态与uo值。
D
Uon + V ID R UR _
1.
V单独作用 --折线模型
0
求Q点
若V＞Uon， D通
UD＝ Uon UR = V－ Uon ID＝ （V－ Uon）/R
V
＋ D
UD
Uon
－
+ R UR _
ID
2.
交流量ui作用→微变等效模型 ur ＝ ui /（R＋rd)
0
3. 叠加
u R＝ U R＋ u r
一、二极管的等效电路
（一）折线等效电路 实 际 模 型 u
考 虑 Uon 模 型
i
i
理 想 模 型 u
K
Uon
K
非理想二极管符号
理想二极管符号
＋ u － 1. 理想二极管 u＞0，D ?
K
＋ u －
K
1.1 半导体基础知识
2. 本征半导体中的两种载流子 本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 运载电荷的粒子称为载流子。 无外加电场,电子和空穴运动是 无外加电场 电子和空穴运动是 随机、无规则的,不形成电流 不形成电流。 随机、无规则的 不形成电流。 有外加电场， 有外加电场，自由电子做定向 运动形成电子电流； 运动形成电子电流；价电子按 一定方向填补空穴,等效成空穴 一定方向填补空穴 等效成空穴 运动形成空穴电流。 运动形成空穴电流。 载流子 本征半导体中有两种载 本征半导体中有两种载 流子：自由电子和空穴。 流子：自由电子和空穴。
P区空穴 区空穴 浓度远高 于N区 区
N区自由动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 扩散运动使靠近接触面 区的空穴浓度降低、靠近接触面N 区的空穴浓度降低 区的自由电子浓度降低， 区出现负离子区， 区的自由电子浓度降低，P 区出现负离子区，N 区出现正离子 形成空间电荷区， 不利于扩散运动的继续进行。 区,形成空间电荷区，产生内电场 不利于扩散运动的继续进行。 形成空间电荷区 产生内电场,不利于扩散运动的继续进行
PN 结的形成
模拟电子技术基础
第四版 童诗白 华成英 主编
高等教育出版社
第一章 常用半导体器件
1.1 1.2 1.3 1.4 半导体基础知识 半导体二极管 晶体三极管 场效应管
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体 1.1.1本征半导体
一、半导体 自然界物质按其导电能力分为导体、半导体、绝缘体。 自然界物质按其导电能力分为导体、半导体、绝缘体。 1.导体 自然界中很容易导电的物质称为导体， 1.导体 自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般 都是导体。 都是导体。 2.绝缘体 有的物质几乎不导电，称为绝缘体， 2.绝缘体 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如惰性气 橡皮、陶瓷、塑料和石英。 体、橡皮、陶瓷、塑料和石英。 3.半导体 有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间， 3.半导体 有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间， 称为半导体，如锗、 砷化镓和一些硫化物、氧化物等。 称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。 常用的半导体材料是硅（Si)和锗(Ge)。 和锗(Ge) 常用的半导体材料是硅（Si)和锗(Ge)。
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四、PN 结的电容效应
1. 势垒电容
PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变 化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相 同，其等效电容称为势垒电容Cb。
2. 扩散电容
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的 过程，其等效电容称为扩散电容Cd。
大功率 二极管
稳压 二极管
发光 二极管
华成英 hchya@
一、二极管的组成
点接触型：结面积小， 结电容小，故结允许 的电流小，最高工作 频率高。
面接触型：结面积大， 结电容大，故结允许 的电流大，最高工作 频率低。
平面型：结面积可小、 可大，小的工作频率 高，大的结允许的电 流大。
华成英 hchya@
3、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载 流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。 两种载流子
第一章 半导体二极管和三极管
华成英 hchya@
第一章 半导体二极管和三极管
§1.1 半导体基础知识 §1.2 半导体二极管 §1.3 晶体三极管
华成英 hchya@
§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 四、PN结的电容效应
交流电流放大系数
I CEO (1 ) I CBO
穿透电流
集电结反向电流
为什么基极开路集电极回 路会有穿透电流？
华成英 hchya@
三、晶体管的共射输入特性和输出特性
1. 输入特性
iB f (u BE ) U CE
为什么像PN结的伏安特性？
为什么UCE增大曲线右移？ 为什么UCE增大到一定值曲线 右移就不明显了？
晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅 决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。
华成英 hchya@
四、温度对晶体管特性的影响
T (℃) I CEO uBE不变时iB ，即iB不变时uBE
五、稳压二极管
1. 伏安特性
由一个PN结组 成，反向击穿后 在一定的电流范 围内端电压基本 不变，为稳定电 压。
限流电阻
斜率？ 进入稳压区的最小电流 不至于损坏的最大电流
2. 主要参数
稳定电压UZ、稳定电流IZ
最大功耗PZM＝ IZM UZ 动态电阻rz＝ΔUZ /ΔIZ 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会 因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电 流的限流电阻！
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态 平衡，就形成了PN结。
华成英 hchya@
PN 结的单向导电性
PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加 剧，由于外电源的作用，形 成扩散电流，PN结处于导通 状态。
必要吗？ PN 结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动， 有利于漂移运动，形成漂移电 流。由于电流很小，故可近似 认为其截止。
三、二极管的等效电路
1. 将伏安特性折线化
理想 二极管
导通时△i与△u 成线性关系
理想开关 导通时 UD＝0 截止时IS＝0
近似分析 中最常用
导通时UD＝Uon 截止时IS＝0
应根据不同情况选择不同的等效电路！
100V？5V？1V？
？
华成英 hchya@
2. 微变等效电路
iC
iB
iC iB
U CE 常量
放大区 截止区 β是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下 ?
华成英 hchya@
晶体管的三个工作区域
状态 截止 放大 饱和
uBE ＜Uon ≥ Uon ≥ Uon
iC ICEO βiB ＜βiB
uCE VCC ≥ uBE ≤ uBE
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
华成英 hchya@
二、杂质半导体
1. N型半导体
多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多 了？少了？为什么？
5
杂质半导体主要靠多数载流 子导电。掺入杂质越多，多子 浓度越高，导电性越强，实现 导电性可控。 磷（P）
华成英 hchya@
华成英 hchya@
五、主要参数
、ICBO、 ICEO • 直流参数： 、
IC IE
iC iE 1
• 交流参数：β、α、fT（使β＝1的信号频率） • 极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO
最大集电 极电流 c-e间击穿电压
结电容： C j Cb Cd 结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程 度，则失去单向导电性！
清华大学 华成英 hchya@
华成英 hchya@
问题
• 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制 成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂， 改善导电性能？ • 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还 是少子是影响温度稳定性的主要因素？ • 为什么半导体器件有最高工作频率？
华成英 hchya@
§1.3
晶体三极管
一、晶体管的结构和符号 二、晶体管的放大原理 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 四、温度对晶体管特性的影响
五、主要参数
华成英 hchya@
一、晶体管的结构和符号
为什么有孔？
小功率管
中功率管
大功率管
华成英 hchya@
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构
最大集电极耗散功 率，PCM＝iCuCE
安全工作区
华成英 hchya@
讨论一
PCM iCuCE
uCE=1V时的iC就是ICM
2.7
iC iB
U CE
U（BR）CEO
由图示特性求出PCM、ICM、U （BR）CEO 、β。
清华大学 华成英 hchya@
2. P型半导体
多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电， 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 导电性越强，
3
在杂质半导体中，温度变化时， 载流子的数目变化吗？少子与多 子变化的数目相同吗？少子与多 子浓度的变化相同吗？
硼（B）
华成英 hchya@
三、PN结的形成及其单向导电性
指数曲线
若正向电压 u UT，则i ISe
u UT
若反向电压u UT，则i IS
2. 伏安特性受温度影响
反向特性为横轴的平行线
T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑，U(BR) ↓ 增大1倍/10℃
T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移
华成英 hchya@
扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电 流IB，漂移运动形成集电极电流IC。
华成英 hchya@
• 电流分配：
I E＝ I B＋ I C
IE－扩散运动形成的电流 IB－复合运动形成的电流 IC－漂移运动形成的电流
直流电流 放大系数
IC IB
iC iB
第四版——P20
华成英 hchya@
讨论：解决两个问题
• 如何判断二极管的工作状态？ • 什么情况下应选用二极管的什么等效电路？
V uD iD R
对V和Ui二极管的模 型有什么不同？ V与uD可比，则需图解： ID 实测特性
Q
uD=V－iR
UD
华成英 hchya@
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 体、液体、固体均有之。
P区空穴 浓度远高 于N区。 N区自由电 子浓度远高 于P区。
扩散运动 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低，产生内电场。
华成英 hchya@
PN 结的形成
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P 区、自由电子从P区向N 区运动。 漂移运动 因电场作用所产 生的运动称为漂移 运动。
华成英 hchya@
2、本征半导体的结构
共价键
由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 动态平衡 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高， 热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对 的浓度加大。
当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极 管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。
ui=0时直流电源作用
uD U T 根据电流方程， rd iD ID
小信号作用 Q越高，rd越小。 静态电流
华成英 hchya@
四、二极管的主要参数
• • • • 最大整流电流IF：最大平均值 最大反向工作电压UR：最大瞬时值 反向电流 IR：即IS 最高工作频率fM：因PN结有电容效应
对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线 可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。
华成英 hchya@
2. 输出特性
饱和区
iC f (uCE ) I B