第14章半导体器件概要
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
对数字信号进行传输、处理的电子线路称为数字电路。 （第20~23章）
由模拟电路来进行信号加工和处理的工程系统称模拟系统。 如：胶卷相机 由数字电路来进行信号加工和处理的工程系统称数字系统。 如：手机、数字相机、电纸书
电气工程与自动化学院
第14章 半导体器件
第14章 二极管和晶体管
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 三极管 14.6 光电器件
（a. 电子电流、b.空穴电流）
电气工程与自动化学院
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
－－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + +
Si
Si
这一现象称为本征激发。
空穴
温度愈高，晶体中产生的自由 价电子 电子愈多，导电能力愈强。
自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填 补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合
价电子填补空穴，电形气成工程空与穴自动电化流学院
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
P IF
内电场 N
外电场
+–
P接正、N接负
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。
电气工程与自动化学院
2. PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
PN 结变宽
－－－ － －－ －－－ － －－ －－－－ － －
电气工程与自动化学院
第14章 二极管和晶体管
本章要求： 1.掌握半导体、本征半导体、杂质半导体的概念及特
点； 2. 理解PN结的形成过程，掌握PN结的导电特性； 3.了解二极管、稳压管的基本构造，掌握二极管的导电
特性和伏安特性曲线； 4.掌握三极管的电流分配和电流放大作用、放大条件、
特性曲线及主要参数； 5. 会分析含有二极管的电路； 6. 会判断三极管的类电型气和工程电与极自动。化学院
浓度差 多子的扩散运动
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。
形成空间电荷区
扩散的结果使空 电间气电工荷程与区自变动宽化。学院
14.2.2 PN结的单向导电性
1. PN 结加正向电压（正向偏置）
PN 结变窄
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ + ++ + + + + ++ + + + + ++ + +
愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。
电气工程与自动化学院
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（某种元素）, 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
Si
Si
pS+i
Si
多余 掺杂后自由电子数目 电子 大量增加，称为电子半导
体或N型半导体。
失去一个 电子变为 正离子
(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产生的同时，又不断复合。当
达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。
本征半导体导电特点： (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
无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。
电气工程与自动化学院
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 。
电气工程与自动化学院
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。
价电子
Si
Si
共价健
Si
Si
晶体中原子的排列方式
硅单晶中的共价健结构
共价键中的两个ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ子，称为价电子。
电气工程与自动化学院
自由电子 本征半导体的导电机理
价电子（获得一定能量）
Si
Si
自由电子（带负电） 空穴（带正电）
14.1 半导体的导电特性
半导体的导电特性：
热敏性：当环境温度升高时，导电能导力电显能著力增介强 (可做成温度敏感元件，如热于敏导电体阻和)绝。 缘体之间
光敏性：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)。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(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）。
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。
电气工程与自动化学院
14.1.2 N型半导体和 P 型半导体
Si
Si
空穴
掺入三价元素 掺杂后空穴数目大量
BS–i
Si
增加，称为空穴半导体 或 P型半导体。
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
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。
+++ +++ +++
+++ +++ +++
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。
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小， 反向电阻较大，PN结处于截止状态。
温度越高少子的数目越多，反向电流越大。
电气工程与自动化学院
结论
1、PN 结具有单向导电性。 2、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。 3、PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较 小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。 4、温度越高少子的数目越多，反向电流将随温 度的升高而增加。
模拟电子技术 &数字电子技术
模拟电子技术和数字电子技术的区别
区别：两者所处理的信号不同。
模拟信号：在时间上和数值上连 续变化的信号。
u
数字信号：将时间上和数值上不连 续的（即离散的）信号。
u
t
模拟信号波形
t
数字信号波形
电气工程与自动化学院
模拟电路和数字电路
对模拟信号进行传输、处理的电子线路称为模拟电路。 （第14~19章）
由模拟电路来进行信号加工和处理的工程系统称模拟系统。 如：胶卷相机 由数字电路来进行信号加工和处理的工程系统称数字系统。 如：手机、数字相机、电纸书
电气工程与自动化学院
第14章 半导体器件
第14章 二极管和晶体管
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 三极管 14.6 光电器件
（a. 电子电流、b.空穴电流）
电气工程与自动化学院
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
－－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + +
Si
Si
这一现象称为本征激发。
空穴
温度愈高，晶体中产生的自由 价电子 电子愈多，导电能力愈强。
自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填 补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合
价电子填补空穴，电形气成工程空与穴自动电化流学院
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
P IF
内电场 N
外电场
+–
P接正、N接负
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。
电气工程与自动化学院
2. PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
PN 结变宽
－－－ － －－ －－－ － －－ －－－－ － －
电气工程与自动化学院
第14章 二极管和晶体管
本章要求： 1.掌握半导体、本征半导体、杂质半导体的概念及特
点； 2. 理解PN结的形成过程，掌握PN结的导电特性； 3.了解二极管、稳压管的基本构造，掌握二极管的导电
特性和伏安特性曲线； 4.掌握三极管的电流分配和电流放大作用、放大条件、
特性曲线及主要参数； 5. 会分析含有二极管的电路； 6. 会判断三极管的类电型气和工程电与极自动。化学院
浓度差 多子的扩散运动
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。
形成空间电荷区
扩散的结果使空 电间气电工荷程与区自变动宽化。学院
14.2.2 PN结的单向导电性
1. PN 结加正向电压（正向偏置）
PN 结变窄
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ + ++ + + + + ++ + + + + ++ + +
愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。
电气工程与自动化学院
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（某种元素）, 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
Si
Si
pS+i
Si
多余 掺杂后自由电子数目 电子 大量增加，称为电子半导
体或N型半导体。
失去一个 电子变为 正离子
(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产生的同时，又不断复合。当
达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。
本征半导体导电特点： (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
无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。
电气工程与自动化学院
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 。
电气工程与自动化学院
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。
价电子
Si
Si
共价健
Si
Si
晶体中原子的排列方式
硅单晶中的共价健结构
共价键中的两个ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ子，称为价电子。
电气工程与自动化学院
自由电子 本征半导体的导电机理
价电子（获得一定能量）
Si
Si
自由电子（带负电） 空穴（带正电）
14.1 半导体的导电特性
半导体的导电特性：
热敏性：当环境温度升高时，导电能导力电显能著力增介强 (可做成温度敏感元件，如热于敏导电体阻和)绝。 缘体之间
光敏性：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)。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(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）。
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。
电气工程与自动化学院
14.1.2 N型半导体和 P 型半导体
Si
Si
空穴
掺入三价元素 掺杂后空穴数目大量
BS–i
Si
增加，称为空穴半导体 或 P型半导体。
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
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。
+++ +++ +++
+++ +++ +++
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。
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小， 反向电阻较大，PN结处于截止状态。
温度越高少子的数目越多，反向电流越大。
电气工程与自动化学院
结论
1、PN 结具有单向导电性。 2、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。 3、PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较 小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。 4、温度越高少子的数目越多，反向电流将随温 度的升高而增加。
模拟电子技术 &数字电子技术
模拟电子技术和数字电子技术的区别
区别：两者所处理的信号不同。
模拟信号：在时间上和数值上连 续变化的信号。
u
数字信号：将时间上和数值上不连 续的（即离散的）信号。
u
t
模拟信号波形
t
数字信号波形
电气工程与自动化学院
模拟电路和数字电路
对模拟信号进行传输、处理的电子线路称为模拟电路。 （第14~19章）