1、華成英 第一章 半導體二極管和三極管華成英 第一章 半導體二極管和三極管1.1 1.1 半導體基礎知識半導體基礎知識1.2 1.2 半導體二極管半導體二極管1.3 1.3 晶體三極管晶體三極管重點掌握：基本概念，晶體二極管的伏安特性及重點掌握：基本概念，晶體二極管的伏安特性及主要參數、晶體三極管輸入、輸出特性及主要參主要參數、晶體三極管輸入、輸出特性及主要參數。數。不要將注意力過多放在管子內部，而以理解外特不要將注意力過多放在管子內部，而以理解外特性為主。性為主。華成英 1 半導體基礎知識一、本征半導體一、本征半導體二、雜質半導體二、雜質半導體三、三、PNPN結的形成及其單向導電性結的形成及其

2、單向導電性四、四、PNPN結的電容效應結的電容效應華成英 一、本征半導體 導電性介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。導電性介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。本征半導體是本征半導體是純凈的晶體結構的半導體。純凈的晶體結構的半導體。1 1、什么是半導體？什么是本征半導體？、什么是半導體？什么是本征半導體？ 導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產生定向移動，形成電流。子在外電場作用下很容易產生定向移動，形成電流。 絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力

3、很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導電。電。 半導體硅（半導體硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。無雜質無雜質穩定的結構穩定的結構華成英 2、本征半導體的結構由于熱運動，具有足夠能量由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子而成為自由電子自由電子的產生使共價鍵中自由電子的產生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴留有一個空位置，稱為空穴 自由電子與空穴相碰同

4、時消失，稱為復合。自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。共價鍵共價鍵 一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。的濃度加大。動態平衡動態平衡華成英 兩種載流子兩種載流子 外加電場時，帶負電的自由電外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導電，子和帶正電的空穴均參與導電，且運動方向相反。由于載流子數且運動方向相反。由于載流子數目很少，故導電性很差。目很少，故導電性很差。為什么要將半導體變成導電性很差的本征半導體？3、本征

5、半導體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子。運載電荷的粒子稱為載流子。 溫度升高，熱運動加劇，載溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導電性增強。流子濃度增大，導電性增強。 熱力學溫度熱力學溫度0K時不導電。時不導電。華成英 二、雜質半導體 1. N N型半導體5磷（磷（P） 雜質半導體主要靠多數載流雜質半導體主要靠多數載流子導電。摻入雜質越多，多子子導電。摻入雜質越多，多子濃度越高，導電性越強，實現濃度越高，導電性越強，實現導電性可控。導電性可控。多數載流子多數載流子 空穴比未加雜質時的數目多空穴比未加雜質時的數目多了？少了？為什么？了？少了？為什么？華成英 2. 2. P型半導體3硼（硼

6、（B）多數載流子多數載流子 P型半導體主要靠空穴導電，型半導體主要靠空穴導電，摻入雜質越多，空穴濃度越高，摻入雜質越多，空穴濃度越高，導電性越強，導電性越強， 在雜質半導體中，溫度變化時，在雜質半導體中，溫度變化時，載流子的數目變化嗎？少子與多載流子的數目變化嗎？少子與多子變化的數目相同嗎？少子與多子變化的數目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？子濃度的變化相同嗎？華成英 三、PN結的形成及其單向導電性 物質因濃度差而產生的運動稱為擴散運動。氣物質因濃度差而產生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。體、液體、固體均有之。擴散運動擴散運動P區空穴區空穴濃度遠高濃度遠高于于N區。區。N區自由

7、電區自由電子濃度遠高子濃度遠高于于P區。區。 擴散運動使靠近接觸面擴散運動使靠近接觸面P區的空穴濃度降低、靠近接觸面區的空穴濃度降低、靠近接觸面N區的自由電子濃度降低，產生內電場。區的自由電子濃度降低，產生內電場。華成英 PN 結的形成 因電場作用所產因電場作用所產生的運動稱為漂移生的運動稱為漂移運動。運動。 參與擴散運動和漂移運動的載流子數目相同，達到動態參與擴散運動和漂移運動的載流子數目相同，達到動態平衡，就形成了平衡，就形成了PN結。結。漂移運動漂移運動 由于擴散運動使由于擴散運動使P區與區與N區的交界面缺少多數載流子，形成區的交界面缺少多數載流子，形成內電場，從而阻止擴散運動的進行。內

8、電場使空穴從內電場，從而阻止擴散運動的進行。內電場使空穴從N區向區向P區、自由電子從區、自由電子從P區向區向N 區運動。區運動。華成英 PN結加正向電壓導通：結加正向電壓導通： 耗盡層變窄，擴散運動加耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形劇，由于外電源的作用，形成擴散電流，成擴散電流，PNPN結處于導通結處于導通狀態。狀態。PN結加反向電壓截止：結加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴散運動，耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成漂移電有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似流。由于電流很小，故可近似認為其截止。認為其截止。PN 結的單向導電性必要嗎？必要嗎？華成英

9、清華大學 華成英 四、PN 結的電容效應1. 勢壘電容 PN結外加電壓變化時，空間電荷區的寬度將發生變結外加電壓變化時，空間電荷區的寬度將發生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2. 擴散電容 PN結外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子結外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散電容過程，其等效電容稱為擴散電容Cd。dbjCCC結電容：結電容： 結電容不是常量！若

10、結電容不是常量！若PN結外加電壓頻率高到一定程度，結外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向導電性！則失去單向導電性！華成英 問題 為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制成本征半導體，導電性能極差，又將其摻雜，成本征半導體，導電性能極差，又將其摻雜，改善導電性能？改善導電性能？ 為什么半導體器件的溫度穩定性差？是多子還為什么半導體器件的溫度穩定性差？是多子還是少子是影響溫度穩定性的主要因素？是少子是影響溫度穩定性的主要因素？ 為什么半導體器件有最高工作頻率？為什么半導體器件有最高工作頻率？華成英 2 半導體二極管一、二極管的組成一、二極管的組成二、二極管的

11、伏安特性及電流方程二、二極管的伏安特性及電流方程三、二極管的等效電路三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數四、二極管的主要參數五、穩壓二極管五、穩壓二極管華成英 一、二極管的組成將將PN結封裝，引出兩個電極，就構成了二極管。結封裝，引出兩個電極，就構成了二極管。小功率小功率二極管二極管大功率大功率二極管二極管穩壓穩壓二極管二極管發光發光二極管二極管華成英 一、二極管的組成點接觸型：結面積小，點接觸型：結面積小，結電容小，故結允許結電容小，故結允許的電流小，最高工作的電流小，最高工作頻率高。頻率高。面接觸型：結面積大，面接觸型：結面積大，結電容大，故結允許結電容大，故結允許的電流大，最高工作的

12、電流大，最高工作頻率低。頻率低。平面型：結面積可小、平面型：結面積可小、可大，小的工作頻率可大，小的工作頻率高，大的結允許的電高，大的結允許的電流大。流大。華成英 二、二極管的伏安特性及電流方程材料材料開啟電壓開啟電壓導通電壓導通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下鍺鍺Ge0.1V0.10.3V幾十A)(ufi 開啟開啟電壓電壓反向飽反向飽和電流和電流擊穿擊穿電壓電壓mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常溫下溫度的溫度的電壓當量電壓當量二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。華成英 從二極管的伏安特性可以反映出：從

13、二極管的伏安特性可以反映出： 1. 單向導電性單向導電性TeSTUuIiUu，則若正向電壓) 1e (TSUuIi2. 伏安特性受溫度影響伏安特性受溫度影響T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移T（）在電流不變情況下管壓降在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流反向飽和電流IS，U(BR) 正向特性為正向特性為指數曲線指數曲線反向特性為橫軸的平行線反向特性為橫軸的平行線增大增大1倍倍/10STIiUu，則若反向電壓華成英 三、二極管的等效電路理想理想二極管二極管近似分析近似分析中最常用中最常用理想開關理想開關導通時導通時 UD0截止時截止時IS0導通時導通時UDUon截止截止

14、時時IS0導通時導通時i與與u成線性關系成線性關系應根據不同情況選擇不同的等效電路！應根據不同情況選擇不同的等效電路！1. 將伏安特性折線化？100V？5V？1V？華成英 2. 微變等效電路DTDDdIUiur根據電流方程，Q越高，越高，rd越小。越小。 當二極管在靜態基礎上有一動態信號作用時，則可將二極當二極管在靜態基礎上有一動態信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態電阻，也就是微變等效電路。管等效為一個電阻，稱為動態電阻，也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用時直流電源作用小信號作用小信號作用靜態電流靜態電流華成英 四、二極管的主要參數 最大整流電流最大整流電流IF：最大平均

15、值：最大平均值 最大反向工作電壓最大反向工作電壓UR：最大瞬時值：最大瞬時值 反向電流反向電流 IR：即：即IS 最高工作頻率最高工作頻率fM：因：因PN結有電容效應結有電容效應第四版第四版P20華成英 五、穩壓二極管1. 伏安特性進入穩壓區的最小電流進入穩壓區的最小電流不至于損壞的最大電流不至于損壞的最大電流 由一個由一個PN結組結組成，反向擊穿后成，反向擊穿后在一定的電流范在一定的電流范圍內端電壓基本圍內端電壓基本不變，為穩定電不變，為穩定電壓。壓。2. 主要參數穩定電壓穩定電壓UZ、穩定電流、穩定電流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ動態電阻動態電阻rzUZ /IZ 若穩壓管的電流

16、太小則不穩壓，若穩壓管的電流太大則會若穩壓管的電流太小則不穩壓，若穩壓管的電流太大則會因功耗過大而損壞，因而穩壓管電路中必需有限制穩壓管電因功耗過大而損壞，因而穩壓管電路中必需有限制穩壓管電流的限流電阻！流的限流電阻！限流電阻限流電阻斜率？斜率？華成英 討論：解決兩個問題解決兩個問題 如何判斷二極管的工作狀態？如何判斷二極管的工作狀態？ 什么情況下應選用二極管的什么等效電路？什么情況下應選用二極管的什么等效電路？uD=ViRQIDUDRuViDDV與與uD可比，則需圖解：可比，則需圖解：實測特性實測特性 對對V和和Ui二極管二極管的模的模型有什么不同？型有什么不同？華成英 1.3 1.3 晶體

17、三極管一、晶體管的結構和符號一、晶體管的結構和符號二、晶體管的放大原理二、晶體管的放大原理三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性四、溫度對晶體管特性的影響四、溫度對晶體管特性的影響五、主要參數五、主要參數華成英 一、晶體管的結構和符號多子濃度高多子濃度高多子濃度很多子濃度很低，且很薄低，且很薄面積大面積大晶體管有三個極、三個區、兩個晶體管有三個極、三個區、兩個PN結。結。小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管為什么有孔？為什么有孔？華成英 二、晶體管的放大原理（集電結反偏），即（發射結正偏）放大的條件BECECBonBE0uuuUu 擴散運動形成發射極電

18、流擴散運動形成發射極電流IE，復合運動形成基極電，復合運動形成基極電流流IB，漂移運動形成集電極電流，漂移運動形成集電極電流IC。少數載流少數載流子的運動子的運動因發射區多子濃度高使大量因發射區多子濃度高使大量電子從發射區擴散到基區電子從發射區擴散到基區因基區薄且多子濃度低，使極少因基區薄且多子濃度低，使極少數擴散到基區的電子與空穴復合數擴散到基區的電子與空穴復合因集電區面積大，在外電場作用下大因集電區面積大，在外電場作用下大部分擴散到基區的電子漂移到集電區部分擴散到基區的電子漂移到集電區基區空穴基區空穴的擴散的擴散華成英 電流分配：電流分配： I IE EI IB BI IC C I IE

19、E擴散運動形成的電流擴散運動形成的電流 I IB B復合運動形成的電流復合運動形成的電流 I IC C漂移運動形成的電流漂移運動形成的電流CBOCEOBCBC)(1 IIiiII穿透電流穿透電流集電結反向電流集電結反向電流直流電流直流電流放大系數放大系數交流電流放大系數交流電流放大系數為什么基極開路集電極回為什么基極開路集電極回路會有穿透電流？路會有穿透電流？華成英 三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性CE)(BEBUufi 為什么為什么UCE增大曲線右移？增大曲線右移？ 對于小功率晶體管，對于小功率晶體管，UCE大于大于1V的一條輸入特性曲線的一條輸入特性曲線可以取代可以取代UCE大于大于1V的所有輸入特性曲線。的所有輸入特性曲線。為什么像為什么像PN結的伏安特性？結的伏安特性？為什么為