电子技术基础第14章 半导体器件

硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为 价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共 价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间 形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图如下。
+4表示除 去价电子 后的原子
+4
+4
共价键共
用电子对
+4
+4
(a) 硅晶体的空间排列
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14.2 PN 结及其单向导电性
1、 PN 结的形成
如图所示：在一块本征半导体在两侧 通过扩散不同的杂质,分别形成P型半导体 和N 型半导体。此时将在P型半导体和N 型半导体的结合面上形成如下物理过程:
漂移运动
空间电荷区 （PN结）
耗尽层
两侧载流子存在浓度差
多子扩散运动 空穴：PN；电子NP
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总结
1. 本征半导体中受激发产生的电子很少。 2. N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂
提供的电子，N型半导体中空穴是少子，少子 的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导
电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质
浓度相等。
3. P型半导体中空穴是多子，电子是少子。
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课程
一、电子技术组成
1.模拟电子技术：
简 介 电子学教研室 张智娟
• 半导体器件：二极管D，三极管（晶体管）,场效应管
• 分立元件电路：共射极、共基极、共集电极放大电路， 差放，功放
• 集成电路：集成运放，集成功放
2. 反向工作峰值电压URWM
保证二极管不被击穿时的反向峰值电压。为U(BR) / 2
3. 反向击穿电压UBR
二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单 向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电 压URWM一般是UBR 的一半。
4. 反向电流 IRM
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。
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第14章 半导体器件
14.1 半导体的导电特性
14.2 PN结及其单向导电性
14.3 二极管
14.4 稳压二极管
14.5 双极型晶体管
14.6 光电器件
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本章要求
一、掌握PN结的单向导电性，理解晶体管的电流分 配和电流放大作用；
二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；
R 解：（1）当ui = 4v时，二极管导通
+
I＝ui UREF 4V 2V 2mA
R
1k
ui
uo UREF 2V
I+
uo
UREF
-
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R
ui
+
I+
4V
2V
ui
uo
t
PN结面积小，结电 容小，不能承受高的 反向电压和大的电流， 往往用来作小电流整 流、高频检波和及开 关作用。
负 极引 线
外壳
N型 锗
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2. 面接触型二极管
正 极引 线
P型 硅
铝 合金 小 球 N型 硅
PN结面积大， 用于工频大电流
整流电路。
底座 负 极引 线
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2AP9
用数字代表同类器件的不同规格。 代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管 。 代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge， C为N 型Si， D为P型Si。
2代表二极管，3代表三极管。
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14.3.2 伏安特性
1. 正向特性
实验曲线 i
i
u
V
mA
锗
击穿电压UBR
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本征半导体中电流由两部分组成： （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。
在本征半导体中 自由电子和空穴成对出现， 同时又不断的复合
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二、本征半导体的导电机理
1.自由电子和空穴
空穴
当导体处于热力学温度0K
自由电子
时，导体中没有自由电子。当 温度升高或受到光的照射时，
+4 +4
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。
+4 +4
自由电子产生的同时，在其 原来的共价键中就出现了一个空 位，原子的电中性被破坏，呈现 出正电性，其正电量与电子的负 电量相等，人们常称呈现正电性 的这个空位为空穴。
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二极管的应用例1： 例: 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。
判断二极管导通还是截止的原则：先将二极管断开，然后 观察或计算二极管正、负两极间是正向电压还是反向电压，若 正向则导通，否则截止。
+3V VA
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14.1.2 N型半导体和P型半导体
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。
1 N型半导体 2 P型半导体
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1、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体中的某 些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子， 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电 子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子， 这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。
空穴和电子产生复合
杂质离子不移动形成空间电荷区
P
内电场
N
扩散运动 PN结的形成过程动画演示
空间电荷区形成内电场
阻止多子扩散运动 促进少子漂移运动
多子的扩散和 少子的漂移达 到动态平衡
形成 PN结
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2、 PN结的单向导电性
(1) 加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区
束缚电子
这一现象称为本征激发， 也称热激发。
本征激发演示
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2.本征半导体的导电机理
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。
+4
+4
+4
+4
在其它力的作用下，空 穴吸引附近的电子来填 补，这样的结果相当于 空穴的迁移，而空穴的 迁移相当于正电荷的移 动，因此可以认为空穴 是载流子。
14.3 二极管
14.3.1 基本结构 结构：二极管(Diode) ＝ PN结 ＋ 管壳 ＋ 引线
符号： 阳极（正极）
阴极（负极）
分类：
按材料分 硅二极管 锗二极管
点接触型 按结构分 面接触型
平面型
电子技术基础 二极管常见的几种结构 1. 点接触型二极管
正 极引 线
金 属触 丝
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（b）硅单晶中的共价键结构
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+4 +4
+4
+4
形成共价键后，每个原子的最外 层电子是八个，构成稳定结构。
共价键有很强的结合力，使原子 规则排列，形成晶体。
本征半导体—完全纯净、结构完整的半导体晶体（化学成分纯净） 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”。
多余 电子
+4 +4
磷原子
+5
+4
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多余 电子
磷原子
+4 +4
+5
+4
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N 型半导体
中的载流子 是什么？
(1) 由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。 (2) 本征半导体中成对产生的电子和空穴。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂 质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
外电场的方向与内电场方向相反。
外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动 →多子扩散形成正向电流I F
P型半导体 空间电荷区 N型半导体
－ － －－
++ ++
－ － － 正－向电流 + + + +
－ － －－ ++ + +
内电场 E
外电场方向
EW
R
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(2) 加反向电压——电源正极接N区，负极接P区
当受外界热和光的作用时，它的导电 能力明显变化。
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14.1.1 本征半导体（纯净和具有晶体结构的半导体）
一、本征半导体的结构特点
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
锗和硅的原子结构
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通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
三、会分析含有二极管、稳压管的电路。
四、掌握晶体管的特性曲线。
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14.1 半导体的导电特性
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘 体和半导体。
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。
DA
0V VB
DB
-12V
解：DA优先导通， DA导通后， DB上加的是反向电压，因 而截止。
VY
VY=+2.7V
DA起钳位作用， DB起隔离作用。
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二极管的应用例2： 例：二极管构成的限幅电路如图所示，R＝1kΩ，UREF=2V，
(1) 若 ui为4V的直流信号，试计算电路的电流I和输出电压uo, (2) 如果ui为幅度为±4V的交流三角波，波形如图（b）所示， 试分析电路并画出相应的输出电压波形。
• 信号：产生，放大，反馈，运算，比较
2.数字电子技术：
• 组合逻辑电路：分析，设计，门电路是基本单元
• 时序逻辑电路：分析，设计，触发器是基本单元
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二、 学习方法： 理论联系实际
1. 理解理论知识
2. 重视实践:做好作业、实验
三、 考核
1. 考试成绩：80% 2. 平时成绩：20%
个空穴。
P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。
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3.杂质半导体的符号
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P型Байду номын сангаас导体
－
－
－－
－
－
－－
－
－
－－
N型半导体 ++ ++ ++ ++ ++ ++
少子—电子
多子—空穴
少子—空穴 多子—电子
少子浓度——与温度有关，与掺杂无关 多子浓度——与温度无关，与掺杂有关
外电场的方向与内电场方向相同。
外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动
→少子漂移形成反向电流I R
P
空间电 荷区
N
－ － －－
++ ++
－ － －－
++ ++
－ － －－
++ ++
IR
在一定的温度下，由本征激发产
生的少子浓度是一定的，故IR基本上
内电场 E
外电场方向
与外加反压的大小无关，所以称为反
向饱和电流。但IR与温度有关。
EW
R
PN结单向导电性动画
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PN结加正向电压时，具有较大的正向 扩散电流，呈现低电阻， PN结导通；
PN结加反向电压时，具有很小的反向 漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。
由此可以得出结论： PN结具有单向导电性。
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3. 平面型二极管
正 极引 线
SiO2
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。
P型 硅 N型 硅
负 极引 线
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电子学教研室 张智娟 常见的半导体二极管
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电子学教研室 张智娟 半导体二极管的型号
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
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，常用的半导体材料 有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
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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：
1.掺杂性
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.热敏性和光敏性
E
2. 反向特性
反向饱和电流
0
开启 电压
u
导通压降
硅：0.7 V 锗：0.3V
硅：0.5 V
锗： 0.1 V
i
u
V
uA
E
二极管的特性对温度很敏感，环境温度升高时，二极管正向特性曲线左移，
反向特性曲线下移。
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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。
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2、P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价
空穴
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
+4
+4
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，产生一个空 位。这个空位可能吸引束缚电子来填
+3
+4
补，使得硼原子成为不能移动的带负
硼原子
电的离子。同时在相邻原子中出现一