第七章 半导体器件

本章主要内容：
半导体材料、由半导体构成的PN结、 二极管结构特性、三极管结构特性及场效 应管结构特性。
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7 .1 半导体（Semiconductor）导电特性
根据导电性质把物质分为导体、绝 缘体、半导体三大类。 而半导体又分为本征半导体、杂质
（掺杂）半导体两种。
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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： 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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半导体 PN结
二极管
稳压二极管
7.2.2 PN 结的单向导电性
空间电荷区变窄，有利 于扩散运动，电路中有 1. PN结 外加正向电压时处于导通状态 较大的正向电流。
电子—空穴对，同时存在电子—空穴对
的复合 。
电子浓度 = 空穴浓度
ni = pi
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7 .1 .2 杂质半导体
在本征半导体中掺入少量的其他特定元 素（称为杂质）而形成的半导体。
常用的杂质元素
三价的硼、铝、铟、镓 五价的砷、磷、锑
通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制
成各种各样的半导体器件。 杂质半导体分为：N型半导体和P型半导体。
电压UBR
U(V)
死区电压，硅管约 0.5V,锗管约0.1V (μA)
反向饱和漏电流
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7.3.2 二极管的特性方程
二极管两端所加电压U与流过的 电流 I 的关系为：
I U
I I S (e
IS ：反向饱和电流
U
UT
1)
UT ：温度电压当量，在常温(300 K)下，UT 26 mV
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7.3.2 二极管的特性方程
应根据不同情况选择不同的等效电路！
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7.3.3 二极管主要参数
1. 最大整流电流IF ——最大正向平均电流 2. 最大反向工作电压URM ——击穿电压的一半或2/3 3. 最大反向电流IRM ——加URM时的反向电流值 4. 最高工作频率fM
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7.3.3 二极管主要参数
从二极管的主要参数中可得出二极管单 向导电性失败的场合及原因
内电场 有利于少子 运动—漂移。
少 子 的运动与 多子运动 方向相反
P
阻挡层 空间电荷区
N
内电场
Uho
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7.2.1 PN 结的形成
3. 扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等 于零，空间电荷区的宽度达到稳定。
总体是电中性的，通常只画出其中的杂质离子和等 量的多数载流子。
(a)N 型半导体
(b) P 型半导体
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7.2 PN结（ PN Junction ）
将一块P型半导体和一块N型半导体有机结合在
一起，其结合部就叫PN结（该区域具有特殊性质）。
PN结是构成多种半导体器件的基础。
二极管的核心是一个PN结；三极管中包含了两个PN结。
Ui 18.75V, R 0.5k
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例2： 电路如图，求流过稳压管的电流IZ，R是 否合适？
20V
R
DZ
1.6 K VZ 12V I Z max 18mA
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例3： 电路如图，IZmax=50mA，R=0.15KΩ, UI =24V, IZ=5mA, UZ=12V，问当 RL = 0.2K Ω 时，电路 能否稳定，为什么？当 RL = 0.8K Ω 时，电路能 否稳定，为什么？
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7 .1 .2 杂质半导体
① N型半导体（电子型半导体）
+4 +4 +4
掺入五价原子
5
+4
+4
+4
掺入五价 原子占据Si 共价键 原子位置
在 室 温 下 +4 就可以激发 成自由电子
+4
+4
N型半导体晶体结构示意图
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7 .1 .2 杂质半导体 ① N型半导体（电子型半导体）
杂质半导体中仍有本征激发产生的少量电子
热敏/光敏器件
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。
二极管
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7 .1 .1 本征半导体
纯净的、不含杂质的半导体。
原子的组成：



带正电的原子核 若干个围绕原子核运动的带负电的电子 且整个原子呈电中性。
半导体器件的材料：
硅（Silicon-Si）：四价元素，硅的原子序数是14，外 层有4个电子。 锗（Germanium-Ge）：也是四价元素，锗的原子序 数是32，外层也是4个电子。
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7.3 半导体二极管（Diode）
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
结电容小， 可用于检 波或变频。 用于工频 大电流整 流电路。
往往用于集成电 路中，用于高频 整流和开关电路。
点接触型： 结面积小， 故结允许的电流小 最高工作频率高
面接触型： 结面积大， 故结允许的电流大 最高工作频率低
R
+ ui -
DZ
+ uo -
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本次课程小结
本征半导体、热（本征）激发。 掺杂半导体、多子和少子。 PN结的形成。 PN结的单向导电性。 二极管的结构和伏安特性。 二极管的主要参数。 二极管的应用。 稳压二极管的伏安特性。 稳压二极管的主要参数。 稳压二极管的应用。
作业：P206：7.1，7.3 ， 7.4 ，7.5， 7.6 ，7.8
但在外界激励下，产 生电子—空穴对（本征激 发） ，呈现导体的性质。
自由电子
空穴能运动吗？ 空穴是载流子吗？
共价键
+4
+4
+4
晶体共价键结构平面示意图
空穴也可移动（邻近电子 的依次填充）。
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7 .1 .1 本征半导体
半导体内部存在两种载流子（可导
电的自由电荷）：电子（负电荷）、空 穴（正电荷）。 在本征半导体中，本征激发产生了
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7.2.1 PN 结的形成
1. 多子扩散运动 电子和空 穴浓度差形成 多数载流子的 扩散运动。 扩散运动形成 空间电荷区 —— 耗 尽 层 。
空间电荷区 耗尽层
P
N
P
N
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7.2.1 PN 结的形成
2. 少子漂移
空间电荷区产生内电场
空间电荷区正负离子之间电位差 Uho —— 电位壁垒；— — 内电场；内电场阻止多子的扩散 —— 阻挡层。
2. PN 结外加反向电压时处于截止状态(反偏)
P
耗尽层
N
IS 内电场方向 外电场方向 R V
反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感， 随着温度升高， IS 将急剧增大。
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7.2.2 PN 结的单向导电性
2. PN 结外加反向电压时处于截止状态(反偏) 反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强 了内电场的作用； 外电场使空间电荷区变宽；

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7 .1 .1 本征半导体
+4 +4 +4
简化原子结构模型如下：
惯性核
+4
+4
+4
共价键 +4
价电子
+4
+4
+4
晶体共价键结构平面示意图
这种稳定的结构使得本征半导体常温下 不能导电，呈现绝缘体性质。
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硅和锗的简化原子模型
7 .1 .1 本征半导体
+4 B C +4 +4 空穴 A +4 +4 +4
1、正向偏压太低。（不足以克服死区电压） 2、正向电流太大。（会使PN结温度过高烧 毁） 3、反向偏压太高。（造成反向击穿） 4、工作频率太高。（使结电容容抗下降而 反向不截止）
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7.3.4 二极管应用
例1：设二极管的导通电压为0.6V，求UO
D + R 6V 12V U O -
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例2：设二极管的导通电压忽略，已知 ui=Asinωt(V)，画出uO的波形。
rZ
U Z I Z
rz越小，稳压
性能越好。
UZ
利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作 在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。
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7.4 特殊二极管——稳压二极管
稳压二极管的主要参数 （1）稳定电压 UZ （2）动态电阻
rZ
U Z I Z
（3）稳定电流IZ ，最大稳定电流IZM
I IS e

U / UT
1

正向特性为 指数曲线
若正向电压U>>UT，则 I I S eU /UT
若反向电压|U|>>UT，则 I I S
反向特性为横轴的平行线
二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。
在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特 性将下移。
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7.3.2 二极管的特性方程
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稳压二极管的应用举例——例1：
稳压管的技术参数:
i
iL
R DZ
RL Uo iZ
U z 10V, I zmax 20mA, RL 2k I zmin 5mA
Ui
要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。求：电阻R 和输入电压 Ui 的正常值。 解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax
+4
+4
+4
A
+4
+3
+4
空位
共价键 +4
图 P型半导体晶 体结构示意图