常用半导体器件

Ge
Si
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成 晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心， 而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子 与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价 电子。
硅和锗的晶 体结构：
硅和锗的共价键结构
二、本征半导体的导电机理
1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。 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。
多余 电子
+4 +5
+4
磷原子
+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）。
二、P 型半导体
B RB EB IB
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼 （或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质 取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的 半导体原子形成共价键时， 空穴 产生一个空穴。这个空穴 +4 可能吸引束缚电子来填补， 使得硼原子成为不能移动 的带负电的离子。由于硼 +3 原子接受电子，所以称为 硼原子 受主原子。
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如： • 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杂质，会使
它的导电能力明显改变。
2） 本征半导体
一、本征半导体的结构特点
现最外层电子（价电子）都是四个。
RL
uo uo
t
t
二极管的应用举例2： ui
ui
R
uR
RL uo
uR
t
t
uo
t
1.2.5 稳压二极管
+
动态电阻：
曲线越陡， 电压越稳 定。 UZ
I
rZ
U Z I Z
稳压 误差 UZ
IZ IZ
U
rz越小，稳 压性能越好。
IZmax
稳压二极管的参数:
（1）稳定电压 UZ （2）电压温度系数U（%/℃） 稳压值受温度变化影响的的系数。 （3）动态电阻
近似认为多子与杂质浓度相等。
1.1.3 PN 结
1）PN结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。 P型半导体
漂移运动 内电场E N型半导体
－ － － － － －
V0
－ － － － － －
P型区
空间 电荷 区
N型区
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。 2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散 运动）。 3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少）， 数量有限，因此由它们形成的电流很小。
2） PN结的单向导电性
PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区 加正、N 区加负电压。
PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区 加负、N 区加正电压。
一、PN 结正向偏置
变薄 － + + + + 内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。
+ P
－ － －
_
N
外电场
内电场
R
E
二、PN 结反向偏置 变厚
－ + + + + 内电场被被加强，多子 的扩散受抑制。少子漂 移加强，但少子数量有 限，只能形成较小的反 向电流。 +
P
-
N
+
CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置 时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。
PN结高频小信号时的等效电路：
rd
势垒电容和扩散电 容的综合效应
二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0
二极管的应用举例1：二极管半波整流
ui ui
1.2.4 二极管的等效电路
1）微变电阻 rD
rD 是二极管特性曲线上工 作点Q 附近电压的变化与 ID 电流的变化之比：
iD
Q
iD
u D rD iD
显然，rD是对Q附近的微小 变化区域内的电阻。
uD
UD
uD
2） 二极管的极间电容
二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成： 势垒电容CB和扩散电容CD。
求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。 解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电 流为Izmax 。
U ZW i I zmax 25mA RL 1.2ui iR U zW 25R 10
——方程1
令输入电压降到下限 时，流过稳压管的电 流为Izmin 。
U ZW i I zmin 10mA RL
1. 自由电子移动产生的电流。
2. 空穴移动产生的电流。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
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，这是半导体的一 大特点。
1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，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。
范围的光，目前的 发光管可以发出从 红外到可见波段的 光，它的电特性与
一般二极管类似。
§1.3 双极型晶体管
1.3.1 晶体管的结构及类型
NPN型
C
集电极 集电极
C P N P E
PNP型
B
基极
N P N
E
发射极
B
基极
发射极
集电区： 面积较大
C N P N E
集电极
B
基极
基区：较薄， 掺杂浓度低
rZ
U Z I Z
（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。 （5）最大允许功耗
PZM U Z I Z max
稳压二极管的应用举例 稳压管的技术参数: U zW 10V, I zmax 20mA, I zmin 5mA
i ui
R DZ
iL
iZ
RL
uo
负载电阻 RL 10k。要求当输入电压由正常值发 生20%波动时，负载电压基本不变。
_ P
－ － －
N
内电场 外电场
R
E
§1.2 半导体二极管
1.2.1 基本结构
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 点接触型
触丝线
PN结
引线
外壳线
基片
面接触型
二极管的电路符号：
P
N
1.2.2
伏安特性
I
导通压降: 硅管0.6~0.7V, 锗管0.2~0.3V。
死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V。
N型半导体
+ + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + +
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 扩散运动 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电位V
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
EC
E
IC=ICE+ICBOICE
集电结反偏， 有少子形成的 反向电流ICBO。 B
C
ICBO
RB EB
ICE N P IBE N IE
E
从基区扩 散来的电 子作为集 电结的少 子，漂移 EC 进入集电 结而被收 集，形成 ICE。
IC=ICE+ICBO ICE C
IB=IBE-ICBOIBE
模拟电路
第一章
常用半导体器件
1
第一章 常用半导体器件
§ 1.1 半导体基础知识
§ 1.2 半导体二极管
§ 1.3 双极型晶体管
§ 1.4 场效应管
§1.1 半导体的基本知识
1.1.1 本征半导体 1）导体、半导体和绝缘体
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。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体：另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、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
3. 反向电流 IR
指二极管加反向峰值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，因此反向电流越小越好。反向电流受 温度的影响，温度越高反向电流越大。硅 管的反向电流较小，锗管的反向电流要比 硅管大几十到几百倍。
以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、 保护等等。下面介绍两个交流参数。