常用半导体器件

实测：IB增大而IC不变，则进入饱和区。 一般认为：uCE＝uBE为饱和、放大的交界。
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【例1.3.1】已知处于放大状态的三极管三个极的直流电位 分别为：12V、11.8V、0V，判断管子的类型，硅管还是锗 管，以及三个电位对应的管脚。
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【例1.3.2】测得某电路中四只三极管三个极的直流电位如表 所示，三极管均为NPN型硅管，判断各管的工作状态。
受主原子
电空子穴空电穴量对（电掺量杂平）衡＝负离子电量呈电中性
注意：多子浓度≈掺杂浓度，几乎不受温度影响，少子浓度受温度影响明显。
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1.2 PN结及二极管
1.2.1 PN结 1.2.2 二极管及图形符号 1.2.3 二极管的特性及参数 1.2.4 二极管的模型 1.2.5 二极管的应用
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1.2.1 PN结 一、PN结的形成 2种运动：漂扩移散：：电物场质力从的浓作度用高下的载地流方子向的浓运度动低的地方运动
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2、反向特性
• 二极管外加反向电压时，二极管 处于截止状态，只有很小的反向 饱和电流IS流过，伏安特性表现 为几乎和横轴负半轴重合的曲线。
硅管IS＜0.1μA，锗管IS为几十微
安。
Uon UD
• 当反向电压大到一定数值后，二极管会出现反向电流迅 速增大的情况，称为反向击穿。击穿区曲线很陡，几乎 和纵轴平行，具有稳压的特性。此时二极管反向电压处
ε
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⑤空间电荷区的存在
阻止多子扩散 产生少子漂移：N区空穴 P区，P区电子 N区
⑥无外电场力作用时，扩散与漂移达到动态平衡，空间电荷区具有一定 宽度，形成PN结。有电位差Uho、无电流。
⑦P、N两区杂质浓度相等——对称结 P、N两区杂质浓度不相等——不对称结
⑧分析PN结特性时忽略区内载流子，只考虑离子区载流子——耗尽层近 似法，又称空间电荷区为耗尽层。
4
本征半导体晶体结构模型图：
最外层四个电子与相邻 原子的最外层电子形成相对 稳定的共价键结构。
绝对零度（-273℃）时，由于共价键的稳定结构，无电子挣脱束缚、不导电。
5
本征半导体中有2种载流子：自由电子＋空穴
常温下，极少数价电子由 于热运动获得足够能量挣脱 束缚成为自由电子，同时留 下一个空位——空穴 。
常见结构结构：点触型、面触型、平面型
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图形符号： 将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
发光 二极管
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1.2.3 二极管的特性及参数
一、二极管的伏安特性
二极管和PN结伏安特性相同 1、正向特性
Uon UD
• 二极管外加正向电压时，只有在电压足够大时，二极管
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2、稳压管的主要参数
30
31
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三、发光二极管
发光二极管简称LED（Light-Emitting Diode）
四、光电二极管
光电二极管简称PD（Photo-Diode）
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1.3 三极管
1.3.1 三极管的结构及类型 1.3.2 三极管的电流放大作用 1.3.3 三极管的特性曲线 1.3.4 三极管的主要参数 1.3.5 温度对三极管参数及特性的影响
才导通并开始有电流——开启电压Uon （硅管约0.5V ，
锗管约0.1V ）；
• 导通之后，电流随着电压的增大而增大：
qu

i

I
S
e

kT

1



u

i

I
S
e
U
T

1


常温状态，T=300K时，UT≈26mV
• 当电压增大到一定值后不再增加——导通电压UD （硅管
约0.7V ，锗管约0.2V ）
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BJT ------Bipolar Junction Transistor 又称为双极型晶体管（相对于单极型）、晶体三极管、 或简称晶体管
常见外形：
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1.3.1 三极管的结构及类型
分类：NPN、PNP
三个区：发射区（掺杂浓度高）、集电区、基区（掺杂浓度低） 三个极：发射极e——emit、集电极c——collect、基极b——base 两个结：发射结、集电结（面积大）
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二、二极管的主要参数
1、IF IF为二极管最大整流电流，指二极管长期运行时允许通过的
最大正向平均电流。实际电路中二极管正向平均电流不允许超
过此值，否则PN结会因温升过高而烧毁。 2、UR
UR为二极管最高反向工作电压，指二极管工作时允许外加的 最大反向电压。考虑安全余量， UR通常为二极管击穿电压U（BR） 的一半。 3、IR
第1章 常用半导体器件
1
第1章常用半导体器件
1.1 半导体基础知识 1.2 PN结及二极管 1.3 三极管 1.4 场效应管
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1.1 半导体基础知识
1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体
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1.1.1 本征半导体
物质按导电能力强弱分类：导体、绝缘体和半导体。 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 硅（Si）和锗（Ge）是两种常用的半导体材料，都属于四价元素。 具有纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体。 半导体的导电性能具有可控性：光敏性、热敏性、掺杂性。
外电场作用下： ①由电子逆电场方向运动形成电子电流 ②电子逆电场方向依次填补空穴，空穴顺电场方向运动形成 空穴电流，与电子电流同向、但运动反向。 总电流＝电子电流＋空穴电流
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由于热敏性、光敏性、掺杂性等特性的存在，载流子浓 度会随外界环境条件变化。
电量平衡、呈电中性 产生－复合动态平衡——浓度一定
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1.2.2 二极管及图形符号
将PN结用外壳封装，加上电极引线后就形成了半导体二 极管，简称二极管（Diode）。由P区引出的电极为阳极，由 N区引出的电极为阴极。
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1.2.2 二极管及图形符号
将PN结用外壳封装，加上电极引线后就形成了半导体二 极管，简称二极管（Diode）。由P区引出的电极为阳极，由 N区引出的电极为阴极。
基极电流IB＝IBN＋IEP-ICBO（少子漂移电流）
③受VCC作用，b、c区也有少子在漂移（集电 结反偏），但数量很少 ↓ ICBO(小) ↓
集电极电流IC＝ICBO＋ICN
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④综合
IE＝IEN＋IEP＝ICN＋IBN＋IEP IC＝ICN＋ICBO IB＝IBN＋IEP－ICBO＝IB＇－ICBO
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二、二极管的微变等效模型
Q点：即静态工作点，对应坐标Q（UD，ID）。
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1.2.5 二极管的应用
一、二极管整流（第8章） 二、稳压管
1、稳压管的特性和符号
正向：与普通二极管相同
反向：外加反向电压达到一定值时击穿，击穿区很陡，稳压特性好。一定电流
范围内不会热击穿，UZ表示反向击穿且稳定的电压。
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1.1.2 杂质半导体
N型半导体Negative 电子型 P型半导体Positive 空穴型 一、N型半导体
载流子自由电子－电多子余－的空穴对 — —多子 空穴－电子空穴对 — —少子
施主原子
电电子子空电穴量对（电多量余平）衡＝正离子电量呈电中性
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二、P型半导体
载流子空穴－电掺子杂－产空生穴对 — —多子 自由电子－电子空穴对 — —少子
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1.3.2 三极管的电流放大作用
晶体管工作在放大状态的外部条件： 发射结正偏、集电结反偏。（无论管子类型、接法）
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一、三极管内部载流子运动 搭建一个基本的放大电路:
ΔuI——输入 uO——输出 VCC＞VBB 属于共射接法
1、载流子运动与电流关系
①发射结正偏，由于制作工艺： e区自由电子数＞＞b区空穴数
在一定范围内，三极管的交、直流共基电流放大系数通用。
放大状态下，无论交直流，任何时候：
ic ie


ic ie

ib 1 ib
——共基接法无电流放大能力


1-


1
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1.3.3 三极管的特性曲线
一、输入特性 iB f(uBE )UCE
①UCE＝0，c、e极短路，c、e结并联，相当于两个PN结并联，等效于 PN结特性。
IR为二极管反向电流，指二极管未击穿时的反向电流。IR越 小越好。因二极管的反向电流主要是由少子漂移产生，少子浓
度受温度影响较大，所以IR对温度较为敏感。
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4、fM fM为二极管最高工作频率，指二极管工作时的上限频
率。由于结电容的存在，对二极管的工作频率提出了要求， 工作频率不能超过fM，否则二极管的单向导电性将受影响。
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①P型、N型半导体经特殊工艺制作在一起 ②多子、少子浓度差引起扩散运动
③扩散到P区的自由电子与空穴复合，扩散到N区的空穴与自由电子复合
④交界面附近多子浓度降低，由于施主、受主原子不能移动，所以P区侧形成负离 子区（受主原子），N区侧形成正离子区（施主原子）。两侧正、负离子区称为空 间电荷区，形成N指向P的电场ε。
于一个比较稳定的数值U（BR），U（BR）称为击穿电压。 20
3、温度特性 温度改变时，二极管内半导体材料载流子浓度将发生改
变。温度升高时，电子-空穴对浓度增加，电流增大，表现 为正向伏安特性曲线左移，反向伏安特性曲线下移。 4、电容效应
当二极管外加电压变化时，PN结内载流子的浓度发生变 化，呈现电容效应，根据产生原因的不同分为势垒电容和扩 散电容。PN结的结电容是势垒电容与扩散电容之和。
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二、PN结的特性
规定：正向偏置——PN结外加正向电压（P＋,N－） 反向偏置——PN结外加反向电压（P－,N＋）
1、正向导通
外电场将电子推向PN结（扩散运动），PN结变窄、消弱内电场ε，破坏原有平
衡、加剧扩散、减弱漂移。
由于外电源一直存在，扩散运动连续不断地进行（一个新的平衡），形成正
向电流I,PN结导通——正向导通。
②UCE增大， IB 减小，为了获得同样多的IB，必须增大uBE，因此特性
右移。
③UCE＞1V后，已有足够的电场力吸引电子到C区，再怎么增加uBE也不能改变 iB，曲线不再右移。
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二、输出特性 iC f(uCE ) IB
①截至区：uBE＜Uon 且uCE＞uBE，图中IB＝0曲线 以下
uBE＜Uon→IB＝0 c结反偏，虽有漂移，但少子数量少
IC＜＜ICEO，→IC≈0
②放大区：uBE＞Uon 且uCE＞＞uBE 每一IB值对应一条IC曲线，在这条曲线内，uCE已大于一定数值，集电极已吸
收了绝大部分的平衡少子，IC不变。输出特性表现为一族与横轴平行的等距离直 线。
③饱和区：uBE＞Uon 且uCE＜uBE iC不仅与IB有关，更随uCE增大而增大，饱和导通，ic＜IB
→IE＝IC＋IB
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二、三极管的电流放大作用 1、在共射放大电路中，输入电流为基极电流，输出电流为集电极电流。 定义三极管的集电极电流和基极电流之比为三极管的共射电流放大系 数：
在一定范围内，三极管的交、直流共射电流放大系数通用。
放大状态下，无论交直流，任何时候：
ic ib
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2、在共基放大电路中，输入电流为发射极电流，输出电流为集电极电流。 定义三极管的集电极和发射极电流之比为三极管的共基电流放大系数：
实际应用中，应根据应用场合，按照二极管实际承受的 最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率和环境温度等 条件，选择满足要求的二极管。
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1.2.4 二极管的模型
非线性的伏安特性给我们的分析、设计带来不便，可根 据二极管的实际工作状态建立适当的模型。
物理模型——精确却复杂，需计算机辅助分析、设计 近似模型——近似却简单
↓扩散 IEN＞＞IEP （正偏电源的一直存在）
↓ 射极电流IE＝IEN＋IEP
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②扩散到b区的电子因b区掺杂浓度很低,很少 一部分与b区空穴复合，大部分受集电结反 偏作用漂移到C区 ↓
由于发射结正偏电源一直存在，复合不断进行 IBN（小）
由于集电结反偏电源一直存在，漂移不断进行 ICN（大） ↓
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一、二极管的折线化模型
UD UD
UD UD
（a）理想二极管 导通时正向压降为0，截至时反向电流为0
（b）恒压源模型 导通时正向电压为一恒值UD——导通电压，截止时为0，
硅：0.7V，锗：0.2V （c）正向导通电压与电流成线性关系，考虑体电阻rD， 25
【例1.2.1】二极管导通电压UD为0.7V。求开关断开和闭合 时的输出电压数值。
导通时结电压降＜1V，因此回路中串一限流电阻R，防止正向电流过大而损坏
PN结。
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2、反向截止
外加电场使PN结变宽、加强了内电场ε，破坏原有平衡，阻止扩散、 加剧漂移。
由于外电源一直存在，漂移运动连续不断地进行（一个新的平衡）， 形成反向电流，也称漂移电流。但是参与漂移的少子毕竟是少数，所以 反向电流非常小，常忽略不计——反向截止