第14章 半导体器件

14.2
PN结及其单向导电性
1.PN结的形成 2.PN结的单向导电性 3.PN结的伏安特性

PN结是构成半导体器件的核心结构。 PN结是指使用半导体工艺使N型和P型半导体结合处所 形成的特殊结构。 PN结是半导体器件的心脏。
PN结的形成

在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的 杂质，分别形成N型半导体和P型半导体。

半导体中的两种电流
1.漂移电流：由载流子的漂移运动形成的电流。 漂移运动：由电场力引起的载流子定向运动。 2.扩散电流：由载流子的扩散运动形成的电流。 扩散运动：由于载流子浓度不均匀（浓度梯度） 造成的运动。 以上2种电流的方向与载流子的方向有关。 空穴电流的方向与运动方向一致。 电子电流的方向与运动方向相反。
第14章 半导体器件
14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 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 双极型晶体管 光电器件



对于元器件，学习重点放在特性、参数、技术指 标和正确使用方法，不过于追究其内部机理。讨 论器件的目的在于应用。 学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况, 对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的 近似,以便用简便的分析方法获得具有实际意义 的结果。 对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标, 就不要过分追究精确的数值。工程上允许一定的 误差，可采用合理估算的方法。
14.1 半导体的导电特性
本征半导体 杂质半导体 半导体中的电流

物质按导电性能分类


导体（＞105） 绝缘体（ 10-22 ~10-14 ） 半导体，是指电阻率介于金属和绝缘体之间并有 负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率 约在10-9~ 102欧· 米之间，温度升高时电阻率指数 则减小。如硅、锗等，半导体之所以得到广泛应 用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的 影响十分显着。
2.反向特性
反向电流很小，与温度有关； 硅：Is<0.1 A， 锗：Is＝几十A。 |U | 击穿电压，击穿导通， U（BR）=几十伏 反向电流急剧增加；
温度对二极管伏安特性的影响
i U(BR) IS
80 ℃ 20℃
温度增加，Uon减小，IS增 加。正向曲线左移，反向 曲线下移。
原因：温度增加，少子增加，PN

杂质半导体
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。 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 杂质半导体分类： N型半导体 P型半导体

14.1.2 N型半导体和P型半导体
掺入五价元素
多子和少子
多子由掺杂形成，取决于掺杂浓度。 少子由热激发形成，取决于温度。
发射结正偏
集电结反偏
PNP型三极管
发射结正偏
集电结反偏
VB<VE
VC<VB
VC>VB >VE
VC<VB <VE
三极管的三种连接方式


共什么极是指电路的输入端及输出端以这个 极作为公共端。 ①共基极接法；②共发射极接法，③共集电 极接法。 注意:无论那种接法，为了使三极管具有正 常的电流放大作用，必须给发射结加正向偏 置电压，发射区才能起到向基区注入载流子 的作用；必须给集电结加反向偏置电压（一 般几～几十伏），在集电结才能形成较强的 电场，才能把发射区注入基区，并扩散到集 电结边缘的载流子拉入集电区，使集电区起 到收集载流子的作用。
本征半导体中载流子的浓度
温度升高
热运动加剧
载流子增多
导电能力增强
本征半导体中载流子浓度的特点
本征半导体中载流子的浓度很低，导电性 能很差。 本征半导体中载流子的浓度与温度密切相 关。

本征半导体要点归纳
本征半导体中存在数量相等的两种载流子， 即自由电子和空穴。 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->本征半导 体的导电能力越强。

主要参数


电压温度系数au 环境温度每变化1°C引起稳压值变化的百分数。 温度升高，Uz增加，正温度系数。 温度升高，Uz减小，负温度系数。 额定功耗PZM
PZ U Z I ZM
IZM为最大稳定电流
二极管与稳压管的区别
二极管运用在正向区 稳压二极管运用在反向击穿区

稳压二极管在工 作时应反接，并 串入一只电阻。

14.4
稳压二极管
•反向击穿区 •反向击穿特性越抖，说明稳压性能越好。
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主要参数


稳定电压Uz 稳压二极管正常工作 (反向击穿) 时管子两端的电压。 稳定电流 Iz 、最大稳定电流 IZM Iz是稳压管正常工作时的参考电流值，对应Uz的值,作为 参考的最小电流对待。 动态电阻 类似二极管的动态电阻，反映了稳压区电压变化量与电 流变化量之比，rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好，一般 为几欧到几十欧。
i
正向特性 u>0，u↑→i↑
按指数规律 快速增加
U(BR)
0
u
反向特性 |u|↑>U（BR）， －反向击穿 u<0， i≈-IS，恒 定不变
1.2.1 半导体二极管的结构
PN结 + 引线 + 封装 = 二极管。
阳极
P D
阴极
N
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
収光 二极管
14.3.2 伏安特性
R---限流电阻（保护稳压 管） ---调整电阻（当输入电 压或负载电流变化时，通 过该电阻上电压降的变化 ，取出误差信号以调节稳 压管的工作电流，起稳压 作用）
+
R
DZ RL UO
－
R---串联在稳压电路中； ---必不可少！
---取值合适（使稳压管
工作在击穿区）
例：已知UZ=6V，最小稳定电流

问题
杂质半导体的导电能力由谁决定？ 为什么用杂质半导体制作器件？ 杂质半导体多子浓度由什么决定? 杂质半导体少子浓度由什么决定?

杂质半导体归纳
杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为 多数载流子和少数载流子（简称多子和少 子）。 杂质半导体中多子数量取决于掺杂浓度， 少子数量取决于温度。 杂质半导体中起导电作用的主要是多子。 N型半导体中电子是多子，空穴是少子。 P型半导体中空穴是多子，电子是少子。
14.1.1 本征半导体
完全纯净的、晶格完整的半导体，称为本 征半导体。 制造半导体器件的半导体材料的浓度要达 到99.9999999%，例如硅和锗。

晶体中原子的排列方式
四价元素：在原子最外层轨道上的四个价 电子。 共价键：相邻原子共有电子对。 绝对零度（-273.15°C）时晶体中无自 由电子。

E标注箭头，箭头的方向表示流经该晶体管 的电流方向。
PNP型晶体管和NPN型晶体管导电时电流方向不同
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14.5.2 电流分配和放大原理
放大的含义：1.放大的对象是变化量 2.放大是指对能量的控制作用
uO uI 放大器
电源
输入端输入一个小的变化量，控制能量使输出端 产生一个大的变化量，能量来自电源。
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。 P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。
扩散电流>漂移电流
在一定的温度条件下 ，由本征激収决定的少子 浓度是一定的，故少子形 成的漂移电流是恒定的， 基本上与所加反向电压的 大小无关，这个电流也称 为反向饱和电流。
S断开时，D导通，
UO V1 U D 6 0.7 5.3V
V1 (6V)
+ UD － R
UO － +
S闭合时，D截止，
UO V2 12V
V2 (12V)
R
UO －
当几个二极管共阳极或共阴极连接时，承受正向电压高的 二极管先导通。广泛应用于数字电路门电路中。
二极管的特点：单向导电性 二极管的应用：开关、箝位、隔离、检波、 整流等，大量应用在模拟电路和数字电路。
R 227
R 114
14.5

双极型晶体管
晶体管的结构及类型 晶体管的电流分配和放大作用 晶体管的共射特性曲线 晶体管的主要参数
双极型晶体管



Bipolar Junction Transistor------BJT 简称晶体管或三极管 双极型 器件 两种载流子（多子、少子） 晶体管具有的能力 电流控制（current control） 电流放大（current amplify）
0 Uon u
结变窄，内电场减弱， 开启电压
减小，正向曲线左移。
T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓
→反向饱和电流IS↑，U(BR) ↓ T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移
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14.3.3 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。手册上给出 的URWM一般是UBR的一半。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（最大反向电流）IRM 指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流值。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。硅管的反向电流较小，锗管的反 向电流较大，为硅管的几十到几百倍。
晶体管放大的工作条件
①内部条件 収射区高掺杂(故管子e、 c极不能互换) 基区很薄(几个微米)
②外部条件 収射结(eb结)正偏 集电结(cb结)反偏


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収射结正偏，集电结反偏
C（N） B（P）
IC
C（P） B（N）
IC
IB
E（N）
IB
IE
VB>VE
VC>VB
E（P）
IE
NPN型三极管
i UZ △i O IZ u
IZmin=5mA，最大稳定电流IZmax=25mA
负载电阻RL=600 Ω，求限流电阻R的取 值范围 + UI=10V － 解：
R
IR
IDZ DZ IL RL UO
△u
IZM
I DZ
4 由： I Z min 10 I Z max R
得：
UI UZ UZ 4 6 4 IR IL 10 R RL R 0.6 R
扩散运动<漂移运动
PN结单向导电性归纳

正向特性：P（+），N（-）外电场消弱内电场， PN结电阻小，电流大，导通；I的大小与 外加电压有关； 反向特性：P（-），N（+）外电场增强内电场， PN结电阻大，反向电流很小，截止； I反的大小与少子的数量有关，与温度有关。
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PN结的伏特性
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E
D 20℃
1.正向特性
开启电压Uon：正向电压超过某一 数值后，才有明显的正向电流。
i
硅：Uon=0.5V；锗：Uon=0.1V
U(BR) IS
0 Uon u 锗：0.1~0.3V（计算时取0.2V），U=0.2
E
D 使用时应加限流电阻。
正向导通电压U范围： 硅：0.6~0.8V（计算时取0.7V），U=0.7

PN结形成归纳

空间电荷区中没有载流子。 空间电荷区中内电场阻碍多子（P中的N中 的电子）的扩散运动。 空间电荷区中内电场推动少子（P中的电子、 N中得空穴）的漂移运动。 P中的电子和N中的空穴（都是少子）数量 有限，因此由它们形成的漂移电流很小。
PN结的单向导电性


若外加正向电压，使电流从P区流到N区，PN结 呈低阻性，所以电流大。 若外加反向电压，PN结呈高阻性，所以电流小。
i
二极管的应用
O
u
理想二极管 U>0, D导通；UD=0， I取决于外电路；相当于一个 闭合的开关。 U<0,D截止；I=0, UD(负值) 取决于外电路；相当于一个断 开的开关。
例 已知二极管导通时 UD=0.7V
估算S断开和闭合时的UO
解：
V1 (6V)
D
S
+
R
V2 (12V)
UO
－ +

本征半导体中的载流子



载流子：半导体结构中获得运动能量的带电粒子。 有温度环境就有载流子。绝对零度时晶体中无自 由电子。 本征半导体中的载流子是自由电子和空穴。 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。 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，且方向相反。
多子的扩散运动
因浓度差
空间电荷区形成内电场
由杂质离子形成空间电荷区
内电场促使少子漂移，阻止多子扩散 多子扩散和少子漂移达到动态平衡
PN结建立在在N型和P型半导体的结合处， 由于扩散运动，使空穴和电子形成不能移 动的负离子和正离子状态。 PN结称为 ---空间电荷区 耗尽层、 阻挡层。 PN结很窄（几个到几十个 m)。