第14章 半导体器件

2. PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
PN 结变宽
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P
IR
内电场 外电场
N
–
+
内电场被加 强，少子的漂 移加强，由于 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。
例 1：
6V
D 3k 12V
14.3.5 应用举例
+
A
电路如图，求：UAB 取 B 点作参考点， 断开二极管，分析二 极管阳极和阴极的电 位。
UAB
– B
V阳 =－6 V V阴 =－12 V V阳>V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB =－ 6V 否则， UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V 二极管起钳位作用。
二极管电路分析举例
导通 截止 若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零， 反向截止时二极管相当于断开。
定性分析：判断二极管的工作状态
否则，正向管压降
硅0.6~0.7V 锗0.2~0.3V
分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。 若 V阳 >V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 <V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止
本征半导体
空穴
热激发与复合达到动态平衡
Si
Si
Si
Si
自由 电子
14.1.1 本征半导体
半导体导电方式
载流子 自由电子和空穴
当半导体两端 加上外电压时，自 由电子作定向运动 形成电子电流；而 空穴的运动相当于 正电荷的运动
空穴
Si
Si
Si
Si
价电 子
温度对半导体器件性 能的影响很大。
本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出 现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流 自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复 合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态 平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。 注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能 也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。
电子技术
哈尔滨工业大学(威海) 信息与电气工程学院
第14章 半导体器件
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晶体管的诞生
1947年12月16日 威廉· 邵克雷（WilliamShockley） 约翰· 巴顿（JohnBardeen） 沃特· 布拉顿（WalterBrattain） 成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管， 开辟了电子技术的新纪元;1950年，威廉· 邵克雷 开发出双极晶体管 （BipolarJunctionTransistor），就是现在通 用的标准的晶体管。
铝合金小球 N 型硅
外壳
阴极引线
阳极引线 PN结 金锑合金 底座
(c ) 平面型
阳极
D 阴极
阴极引线
( d) 符号
( b) 面接触型 半导体二极管的结构和符号
14.3 二极管
14.3.1 基本结构
(a) 点接触型 结面积小、 结电容小、正 向电流小。用 于检波和变频 等高频电路。 (b)面接触型 结面积大、 正向电流大、 结电容大，用 于工频大电流 整流电路。
反向特性
外加电压大于反向击 穿电压二极管被击穿， 失去单向导电性。
外加电压大于死区 电压二极管才能导通。
14.3.3 伏安特性的折线化
I I
0
0
US
14.3.4 主要参数
1. 最大整流电流 IOM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向 平均电流。 2. 反向工作峰值电压URWM 是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压， 一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。 二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。 3. 反向峰值电流IRM 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反 向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的 影响，温度越高反向电流越大。
-12V
例 3：
+ ui –
R D
8V
ui 18V 8V
已知：ui 18sin t V + 二极管是理想的，试画 uo 出 uo 波形。 – 二极管的用途： 整流、检波、 参考点 限幅、钳位、开 关、元件保护、 t 温度补偿等。
二极管阴极电位为 8 V ui > 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui < 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui
晶体管的作用
晶体管是当今数字世界的构建模块，被认 为是20世纪最伟大最重要的发明之一。从最早 被人们熟知的半导体，到如今随处可见的手机、 随身听、DVD、各种便携式存储器、电视、电 脑等。只要您能想到的电子产品，几乎都运用 了晶体管技术。 英特尔公司董事长贝瑞特博士在庆祝晶体 管诞生60周年时表示。“晶体管太有魅力了！ 它改变了世界，改变了我们每个人的生活、学 习和工作方式。在人类发展的路程上，晶体管 是我们‘最好的朋友’。”
IZ
U
IZM
使用时要加限流电阻
3. 主要参数 (1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。 (2) 电压温度系数ｕ 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。 UZ (3) 动态电阻 r Z IZ

rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。
(4) 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM (5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM
目
14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6
录
半导体的导电特性 PN结及其单向导电性 二极管 稳压二极管 晶体管 光电器件
本章要求
一、理解PN结的单向导电性，晶体管的电流 分配和 电流放大作用； 二、了解二极管、稳压管和晶体管的基本构 造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的 意义； 三、掌握含有二极管电路的分析方法。
14.3.5 应用举例
例2: 图中电路，输入端A的电位VA=+3V，B的电位 VB=0V，求输出端Y的电位VY。电阻R接负电源-12V。
+3V A B 0V DA DB 解：DA优先导通， DA导通后， DB上加的是反向电压， 因而截止。 Y
VY=+2.7V
DA起钳位作用， DB起隔离作用。 返回
扩散和漂移 这一对相反的 运动最终达到 动态平衡，空 间电荷区的厚 度固定不变。
+ + + + + + + + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + +
浓度差 形成空间电荷区
多子的扩散运动 扩散的结果使空间 电荷区变宽。
14.2.2 PN结的单向导电性
1. PN 结加正向电压（正向偏置） P接正、N接负
14.1.1 本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称 为本征半导体。
应用最多的本征半 导体为锗和硅，它们 各有四个价电子，都 是四价元素.
硅的原子结构
14.1.1 本征半导体
晶体中原子的排列方式
14.1.1 本征半导体
本征半导体晶体结构中的共价健结构
纯净的半导体其所有的原子基 价电子 本上整齐排列，形成晶体结构， Si Si 共价键 所以半导体也称为晶体 ——晶体管名称的由来
14.4 稳压二极管
一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中 与适当数值的电阻相配合能起稳定电压的作用。
1. 符号
_
+
2. 伏安特性
I
稳压管正常工作 时加反向电压 稳压管反向击穿后， 电流变化很大，但其 两端电压变化很小， U Z 利用此特性，稳压管 在电路中可起稳压作 用。
UZ
O
IZ
14.5.1 基本结构
发射结 集电结
E C
N
P
N
C C
N
B
发射区
B
基区 集电区 B
P
N E
E
14.5.1 基本结构
发射结 集电结
E C
P
N
P
C C
P
B
发射区
B
基区 集电区 B
N
P E
E
结构特点：
型半导体，虽然它们都有一种载 流子占多数，但是整个晶体仍然 是不带电的。
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1. 在杂质半导体中多子的数量与 a （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与 b
（a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 3. 当温度升高时，少子的数量 c （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。 4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 b ，N 型半导体中的电流主要是 a 。
（a. 电子电流、b.空穴电流）
14.2 PN结及其单向导电性
14.2.1 PN结的形成
空间电荷区也称 PN 结
少子的漂移运动 内电场越强，漂移运 动越强，而漂移使空间 电荷区变薄。
P 型半导体
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
内电场
N 型半导体
14.1 半导体的导电特性
半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的 物质。 半导体的导电特性：热敏特性 光敏特性 掺杂特性
半导体的导电特性：
热敏特性：当环境温度升高时，导电能力增强 (可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。 光敏特性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。 掺杂特性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力显著增强(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
结 论 PN结具有单向导电性
（1） PN结加正向电压时，处在导通状态， 结电阻很低，正向电流较大。 （2）PN结加反向电压时，处在截止状态， 结电阻很高，反向电流很小。
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14.3 二极管
二极管的结构示意图
触丝 阳极引线 N型锗片 阴极引线 N型硅 P 型硅 阳极引线 二氧化硅保护层
( a) 点接触型
14.1.2
N型半导体和 P 型半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质（来自百度文库种元素）, 形成杂质半导体。 在常温下即可 变为自由电子 掺入五价元素 掺杂后自由电子数目 Si Si 多 余 大量增加，自由电子导电 电 成为这种半导体的主要导 p+ Si Si 子 电方式，称为电子半导体 或N型半导体。 失去一个 电子变为 正离子 磷原子 在N 型半导体中自由电子 是多数载流子，空穴是少数 载流子。
(c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可 小，用于高频整流和开关电路中。
14.3.2 伏安特性
特点：非线性 反向击穿 电压U(BR)
I
正向特性
P
+
–
N
硅0.6~0.8V 导通压降 锗0.2~0.3V U 死区电压
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
P
–
+N
硅管0.5V,
锗管0.1V。
PN 结变窄
－－－ － － － －－－ － － － －－－ － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P
IF
+
–
内电场 外电场
N
内电场被 削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。
例题：稳压管的稳压作用
R + U
当U<UZ时,电路不通；
当U>UZ时,稳压管击穿
UZ
U0
此时
U U Z IZ R
_
选R，使IZ<IZM
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14.5 双极型晶体管
14.5.1 基本结构 14.5.2 电流分配和放大原理
14.5.3 特性曲线 平面型
14.5.4 主要参数 结构 合金型
NPN
PNP
PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流 ----反向电流 特点: 受温度影响大
原因: 反向电流是靠热激发产生的少子形成的
14.2.1
扩散强
PN结的形成
漂移运动增强
扩散运动和漂移运动的动态平衡
内电场增强 两者平衡
PN结宽度基本稳定
外加 电压
平衡 破坏
扩散强
漂移强
PN结导通
PN结截止
14.2.2 PN结的单向导电性
Si Si
14.1.1 本征半导体
自由电子与空穴
共价键中的电子 在获得一定能量 后，即可挣脱原 子核的束缚，成 为自由电子 同时在共价键中 留下一个空穴。
Si Si
空穴
Si
Si
自由 电子
14.1.1
由于受热或光照 产生自由电子和 空穴的现象----热激发 自由电子在 运动中遇到空 穴后，两者同 时消失，称为 复合现象
14.1.2
Si
N型半导体和 P 型半导体
Si
– Si B
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
掺入三价元素 空穴 掺杂后空穴数目大量 增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方 式，称为空穴半导体或 P型半导体。 在 P 型半导体中空穴是多 数载流子，自由电子是少数 载流子。
14.1.2 N型半导体和P型半导体 注意：不论N型半导体还是P