1、第第 1 1 章章半導體元件及其特性半導體元件及其特性 二極管二極管半導體基礎知識與半導體基礎知識與PN結結晶體管晶體管1.1 半導體基礎知識半導體基礎知識與與PNPN結結 主要要求：主要要求： 了解了解半導體半導體材料的基本知識材料的基本知識理解關于理解關于半導體半導體的基本概念的基本概念理解理解PNPN結的形成結的形成掌握掌握PNPN結的單向導電作用結的單向導電作用 1.半導體的特點半導體的特點 自然界中的物質按導電性能可以分為自然界中的物質按導電性能可以分為 半導體導電特性獨有的特點半導體導電特性獨有的特點導體導體半導體半導體熱敏性熱敏性光敏性光敏性1.1.1 半導體的特點半導體的特點絕

2、緣體絕緣體雜敏性雜敏性 2.本征半導體本征半導體 常用的半導體材料有常用的半導體材料有硅（硅（Si）和和鍺（鍺（Ge），高純度，高純度的硅和鍺都是單晶結構，它們的原子整齊地按一定規(guī)律排的硅和鍺都是單晶結構，它們的原子整齊地按一定規(guī)律排列，原子間的距離不僅很小，而且是相等的。把這種純凈列，原子間的距離不僅很小，而且是相等的。把這種純凈的、原子結構排列整齊的半導體稱為的、原子結構排列整齊的半導體稱為本征本征半導體。半導體。 硅和鍺的硅和鍺的外層價電子都外層價電子都是是4個，所以個，所以都是都是4價價元素，元素，右圖是硅和鍺右圖是硅和鍺的原子結構示的原子結構示意圖。意圖。（a）硅原子結構）硅原子結構

3、 （b）鍺原子結構）鍺原子結構 這四個價電子不僅受自身原子核的束縛，還受到相鄰這四個價電子不僅受自身原子核的束縛，還受到相鄰原子核的吸引，從而形成了共價鍵結構，如下圖所示：原子核的吸引，從而形成了共價鍵結構，如下圖所示：價電子（本征激發(fā)）價電子（本征激發(fā)）自由電子自由電子-空穴對空穴對（1）溫度越高，自由電子）溫度越高，自由電子-空穴空穴對數目越多；對數目越多；（2）自由電子）自由電子-空穴數目相等，空穴數目相等，對外不顯電性。對外不顯電性。硅（鍺）原子在晶體中的共價鍵排列硅（鍺）原子在晶體中的共價鍵排列 3.摻雜半導體摻雜半導體 本征半導體實際使用價值不大，但如果在本征半導體中摻入微量某種雜

4、質元素，就形成了廣泛用來制造半導體元器件的N型和P型半導體。 根據摻入雜質的不同摻雜半導體可以分為根據摻入雜質的不同摻雜半導體可以分為N型半導體型半導體P型半導體型半導體 （1）N型半導體型半導體雜質為少量雜質為少量5價元素，如磷（價元素，如磷（P）；）； （2） P型半導體型半導體雜質為少量雜質為少量3價元素，如硼（價元素，如硼（B）。）。 N 型型磷原子磷原子自由電子自由電子自由電子自由電子多多數載流數載流子子空穴空穴少少數載流數載流子子載流子數載流子數 電子數電子數P 型型硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子自由電子自由電子 少子少子載流子數載流子數 空穴數空穴數注意：注意： 無論是無

5、論是N型還是型還是P型半導體都是電型半導體都是電中性，對外不顯電性！中性，對外不顯電性！內電場內電場 1.PN結的形成結的形成 P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)1.1.2 PN結形成與特性結形成與特性 2.PN結的特性結的特性 （1）PN結的正向導通特性結的正向導通特性正偏導通（正偏導通（P區(qū)電位高于區(qū)電位高于N區(qū)）區(qū)）正向電流正向電流IF+ UR +UR 2.PN結的特性結的特性 （1）PN結的反向截止特性結的反向截止特性反偏截止（反偏截止（P區(qū)電位低于區(qū)電位低于N區(qū)）區(qū)）反向電流反向電流IR要記住：要記住：（1）外加正向電壓時）外加正向電壓時PN結的正向電阻結的正向電阻很小，電流較大，是多子擴散形成的；很小，

6、電流較大，是多子擴散形成的； （2）外加反向電壓時）外加反向電壓時PN結的反向電阻結的反向電阻很大，電流極小，是少子漂移形成的。很大，電流極小，是少子漂移形成的。要注意：要注意： PN結電路中要串聯限流電阻。結電路中要串聯限流電阻。1.2 二極管二極管主要要求：主要要求： 了解了解半導體二極管的結構、類型、特性與參數半導體二極管的結構、類型、特性與參數掌握半導體二極管在電子技術中的應用掌握半導體二極管在電子技術中的應用1.2.1 二極管的結構與類型二極管的結構與類型 一個一個PN結加上相應的外引線，然后用外殼封結加上相應的外引線，然后用外殼封裝就成為最簡單的二極管了，其中，從裝就成為最簡單的二

7、極管了，其中，從P區(qū)引出的區(qū)引出的引線叫做陽極或正極、從引線叫做陽極或正極、從N區(qū)引出的引線叫做陰極區(qū)引出的引線叫做陰極或負極。或負極。 常用常用D （Diode）表示二極管。）表示二極管。 圖中的箭頭表示正偏時圖中的箭頭表示正偏時的正向電流方向。的正向電流方向。分類：分類：按材料分按材料分硅二極管硅二極管鍺二極管鍺二極管按結構分按結構分點接觸型點接觸型面接觸型面接觸型點接觸型點接觸型金屬觸絲金屬觸絲N 型鍺型鍺P型層型層陽極陽極陰極陰極 面接觸型面接觸型P型擴散層型擴散層錫錫支架支架N型硅型硅SiO2保護層保護層陰極陰極陽極陽極1.2.2 二極管的特性與參數二極管的特性與參數 1.二極管的伏

8、安特性二極管的伏安特性 半導體二極管的內部就是一個半導體二極管的內部就是一個PN結，因此二極管具結，因此二極管具有和有和PN結相同的單向導電性，實際的二極管伏安特性曲結相同的單向導電性，實際的二極管伏安特性曲線如下圖所示：線如下圖所示：u/Vi/mA正向特性正向特性死區(qū)死區(qū)電壓電壓反向特性反向特性IS0A擊穿擊穿電壓電壓擊穿特性擊穿特性反向反向電流電流硅管硅管2CP12鍺管鍺管2AP9導通導通電壓電壓 一般小功率硅二極管與鍺二極管幾個典型參數的比較：死區(qū)電壓死區(qū)電壓硅管硅管0.5V0.5V鍺管鍺管0.2V0.2V正向導通壓降正向導通壓降U UF F硅管硅管0.7V0.7V鍺管鍺管0.3V0.3

9、V反向電流反向電流I IR R硅管硅管幾幾A A以下以下鍺管鍺管幾十到幾百幾十到幾百A A 2.二極管的主要參數二極管的主要參數 （1）最大整流電流）最大整流電流IFM指二極管長期工作時允許通過的最大正向平均電流值。指二極管長期工作時允許通過的最大正向平均電流值。（2）最高反向工作電壓）最高反向工作電壓URM指二極管不擊穿時所允許加的最高反向電壓，指二極管不擊穿時所允許加的最高反向電壓，URM通常是反向擊穿電壓的一半，以確保二極管安全工作。通常是反向擊穿電壓的一半，以確保二極管安全工作。（3）最大反向電流）最大反向電流IRM在常溫下承受最高反向工作電壓在常溫下承受最高反向工作電壓URM時的反向

10、漏電流，時的反向漏電流，一般很小，但受溫度影響很大。一般很小，但受溫度影響很大。（4）最高工作頻率）最高工作頻率fM指二極管保持單向導電性時外加電壓的最高頻率。指二極管保持單向導電性時外加電壓的最高頻率。1.2.3 二極管的應用電路舉例二極管的應用電路舉例 二極管是電子電路中常用的半導體器件，利用其單向導電性和正向壓降很小的特點，可應用于整流、檢波、鉗位、限幅、開關以及元件保護等各項工作。 1.整流整流整流就是利用二極管的單向導電特性將交流電變成單整流就是利用二極管的單向導電特性將交流電變成單方向脈動的直流電的過程，這部分內容將在第方向脈動的直流電的過程，這部分內容將在第6章作詳細章作詳細介紹

11、。介紹。 2. 鉗位鉗位 利用二極管正向導通時壓降很小的特性，可以組成鉗利用二極管正向導通時壓降很小的特性，可以組成鉗位電路，如下圖所示。位電路，如下圖所示。 圖中若圖中若A點點UA=0，二極管二極管D正偏導通正偏導通，壓降，壓降很小，所以很小，所以F點的電位也點的電位也被鉗制在被鉗制在0V左右，即左右，即UF近似為近似為0。 3. 限幅限幅 利用二極管正向導通后兩端電壓很小且基本不變的特利用二極管正向導通后兩端電壓很小且基本不變的特性可以構成各種限幅電路，使輸出電壓限制在某一電壓值性可以構成各種限幅電路，使輸出電壓限制在某一電壓值以內。下圖為一正、負對稱限幅電路以內。下圖為一正、負對稱限幅電

12、路:ui=10sint（V），），US1=US2=5V。可見，如忽略二極管正向導通壓降，輸出被。可見，如忽略二極管正向導通壓降，輸出被限制在大約限制在大約5V之間。之間。 OtuO/ V5 5-10ui / VOt105-5 4. 元件保護元件保護 在電子線路中，經常利用二極管來保護其他元器件免受在電子線路中，經常利用二極管來保護其他元器件免受過高電壓的損害。下圖所示電路是利用二極管來保護開關過高電壓的損害。下圖所示電路是利用二極管來保護開關S的的保護電路。保護電路。 當開關當開關S斷開時，由于電流斷開時，由于電流的突然中斷，電感的突然中斷，電感L將產生一將產生一個高于電源電壓很多倍的自感個高

13、于電源電壓很多倍的自感電動勢電動勢eL， eL與與U疊加作用于疊加作用于開關開關S上，使開關上，使開關S的壽命縮短。的壽命縮短。 二極管二極管D的接入，使的接入，使eL通過二極管產生放電電流以釋放能通過二極管產生放電電流以釋放能量，從而保護了開關量，從而保護了開關S。 1.3 晶體管晶體管主要要求：主要要求： 了解了解半導體三極管的結構、類型與參數半導體三極管的結構、類型與參數掌握半導體三極管的電流分配關系掌握半導體三極管的電流分配關系掌握半導體三極管的特性曲線的含義掌握半導體三極管的特性曲線的含義理解三極管的放大作用理解三極管的放大作用 1.三極管的結構三極管的結構1.3.1 晶體管的結構和

14、類型晶體管的結構和類型NNP發(fā)射極發(fā)射極 E基極基極 B集電極集電極 C發(fā)射結發(fā)射結集電結集電結 基區(qū)基區(qū)NPN 型型ECB三區(qū)三區(qū)三極三極兩結兩結集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電極集電極 Collector基極基極Base發(fā)射極發(fā)射極Emitter集電結集電結發(fā)射結發(fā)射結 集電區(qū)集電區(qū) 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)PPNPNP型型 三極管的分類三極管的分類按材料分按材料分按頻率特性分按頻率特性分按功率分按功率分硅管硅管 鍺管鍺管高頻管高頻管低頻管低頻管大功率管大功率管中功率管中功率管小功率管小功率管按結構分按結構分NPN管管PNP管管 下面以下面以NPN管為例討論三極管的電流分配管為例討論三極管的電流分

15、配與放大作用，所得結論一樣適用于與放大作用，所得結論一樣適用于PNP三極管。三極管。1.3.2 晶體管電流分配和放大作用晶體管電流分配和放大作用注意：三極管放大的條件注意：三極管放大的條件條件條件發(fā)射結正偏發(fā)射結正偏集電結反偏集電結反偏電流分配關系：電流分配關系：（1）IE=IC+IB（2）IC=IB（3）IE=IC+IB =（1+ ）IB IC 三極管中還有一些少子電流，比如三極管中還有一些少子電流，比如I ICBOCBO ，通常可以忽略不計，但它們對溫度十分敏感。通常可以忽略不計，但它們對溫度十分敏感。 下圖是測試三極管共發(fā)射極電路伏安特性曲線的電路圖：下圖是測試三極管共發(fā)射極電路伏安特性

16、曲線的電路圖：1.3.3 晶體管的特性曲線晶體管的特性曲線 1. 輸入特性曲線輸入特性曲線 常數常數 CE)(BEBuufiuCE1V，集電結反，集電結反偏，電場足以將發(fā)射偏，電場足以將發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的載流區(qū)擴散到基區(qū)的載流子吸收到集電區(qū)形成子吸收到集電區(qū)形成IC， uCE 再增大曲線再增大曲線也幾乎不變也幾乎不變死區(qū)死區(qū)電壓與電壓與導通電壓導通電壓UBE硅管分別約為硅管分別約為0.5V和和0.7V鍺管分別約為鍺管分別約為0.1V和和0.3V（1）截止區(qū)）截止區(qū)iB=0曲線以曲線以下的區(qū)域：下的區(qū)域： iC= ICEO 0，兩結均反偏，兩結均反偏，三極管各電極電流均約等于三極管各電極電流均約

17、等于0，所以可以等效為斷開的開關；所以可以等效為斷開的開關； 2. 輸出特性曲線輸出特性曲線 常數常數 B)(CECiufi放放 大大 區(qū)區(qū)截止區(qū)截止區(qū)ICEO飽飽和和區(qū)區(qū)（2）放大區(qū)）放大區(qū)在在iB=0的特的特性曲線上方，近似平行于橫性曲線上方，近似平行于橫軸的曲線族部分：軸的曲線族部分： iC基本不隨基本不隨uCE變化僅受變化僅受iB控制，控制，iC=iB，發(fā)射結正偏、，發(fā)射結正偏、集電結反偏，相當于受控電集電結反偏，相當于受控電流源。流源。 uCE /ViC / mA100 A80 A60 A40 A20 AIB = 0O 2 4 6 8 10 252015105（3）飽和區(qū)）飽和區(qū)輸出

18、特性曲輸出特性曲線近似直線上升部分：線近似直線上升部分： 三極管飽和時管壓降三極管飽和時管壓降uCE很小，叫做飽和壓降很小，叫做飽和壓降uCES，兩結均正偏，相當于閉合開兩結均正偏，相當于閉合開關。關。 1.3.4 晶體管的主要參數晶體管的主要參數1.電流放大系數電流放大系數交流電流放大系數交流電流放大系數直流電流放大系數直流電流放大系數 交流、直流電流放大系數的意義不同，但在輸出特性線交流、直流電流放大系數的意義不同，但在輸出特性線性良好的情況下，兩個數值的性良好的情況下，兩個數值的差別很小差別很小，一般不作嚴格區(qū)分。，一般不作嚴格區(qū)分。 常用小功率三極管的常用小功率三極管的約為約為20150左右。左右。 常數CEuiiBCIIIIIBCBCEOC2.極間反向電流極間反向電流集、基間反