2019年整理1章 半导体器件_图文.ppt资料

电子线路基础
金属触丝
＋ 弹性金属丝
P型合金结 铝合金球 二氧化硅 P型扩散层
保护层 ＋
N型锗 P型层
N型硅
＋
锡 － 支架
支架 －
N型硅 －
－
(a)
(b)
(c)
(d)
图1―8 二极管结构与符号
电子线路基础
(1)点接触型二极管如图1―8(a)所示。 (2)面结合型二极管如图1―8(b)所示。 (3)平面型二极管如图1―8(c)所示。 二极管的符号如图1―8(d)所示。
＋4
(b) (a)
图1―2 (a)晶体结构; (b)共价键结构
1.1.2 杂质半导体 1. N型半导体 2. P型半导体
电子线路基础
＋4
＋4
多 余
电
子 磷
原 ＋5
＋4
子
图1―3 N型半导体的共价键结构
电子线路基础
＋4
＋4
空穴
硼
原 ＋3
＋4
子
图1―4 P型半导体的共价键结构
电子线路基础
1.1.3 载流子的运动方式及形成的电流 1. 扩散运动和扩散电流 2. 漂移运动和漂移电流
1)图解法
电子线路基础
二极管的特性曲线如图 1―12（b）所示，将图 1―12（a）左边的线性电路写成方程为
uEiR
2）迭代法
(1―11)
由式（1―5）的二极管特性方程和式(1―11)联立的 方程组可以求出非线性电路的解。但无法直接计算，一 般采用迭代法求解。
将式(1―11)和式(1―5)改写为
CT

(U
K U )
(1―1)
电子线路基础
(2)扩散电容。PN结正向运用时,除了存在势垒电容

b
+
D1
RL uO
D2
_
输出 波形
1.3.3 限幅电路
+ –
R
D1
D2
++
A Ri
––
工作原理
a. 当ui较小使二极管D1 、D1截止时
电路正常放大
b. 当ui 较大使二极管D1 或D1导通时
+ –
输入电压波形
ui
R
D1
D2
++
A Ri
––
0 t
R
+
D1
D2
++
A Ri
–
––
输出端电压波形
ui
因此，理想二极管正偏时，可视为短路线；反偏 时，可视为开路。
在分析整流，限幅和电平选择时，都可以把二极 管理想化。
1.3 半导体二极管的应用
1.3.1 在整流电路中的应用
整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电
路。
整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不 是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上 称单向脉动性直流电压。
1.2 半导体二极管
二
1.2.1 半导体二极管的结构和类
极
型
外壳
引线 阳极引线
管
铝合金小球
就
是
PN结
一
N型锗片
触丝
个
N型硅
金锑合金
封
底座
装
的
阴极引线
PN
结
点接触型
平面型
半导体二极管的外型和符号
正极

+4表示 除去价电 子后的原
子
+4
+4
+4
+4
共价键共 用电子对
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。
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称 为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成 为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少， 所以本征半导体的导电能力很弱。
二极管并联的正向特性；
• 当UCE增大时，特性曲线右移。当UCE >1V时，特性 曲线基本重合在UCE =1V时的曲线。
一、输入特性
UCE=0V
80
P型区
空间 电荷 区
N型区
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区
中的电子（都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少）， 数量有限，因此由它们形成的电流很小。
2. PN结的单向导电性
PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区 加正、N 区加负电压。
限，只能形成较小的反
向电流。
+
N
内电场
外电场
R
E
§ 1.2 半导体二极管
掌握半导体二极管如下知识 ①二极管结构、类型、参数及国标命名法。 ②二极管整流电路、电平选择电路原理。 ③稳压二级管、变容二极管、光电二极管和发光二
极管的特点性能、及稳压二极管主要参数。
一、基本结构
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。

技
0.6V，画出输出电压信号的波形图。
术 【解 】分析方法：
陈 小
这个电路仍是分析二极
虎
管的导通与否，图中二极管
主 编
的正极接信号电压ui ，二极
高
管的负极接电源E的正极，
等
两个量进行比较，确定二极
教 育
管的导通与否。
出
版
社
图2.1.7 例1.2.2题图
电 【例1.2.2 】
工 电
【解 】分析方法： ui ＜ E＋0.6V
术 0求.1=输3.出5V端，F故的D电A也位导和通流。过R的电流I。
D【A 解DB】都分导析通方吗法？：
陈
小
虎 先假设两个二极管均不导通，根
主 编
据 已 知 条 件 ， UDA ＝ 3.6 － ( －
高 9)=12.6V， 故 DA导 通 ， VF＝ 3.6
等 教
－0.2=3.4V。再看DB， UDB＝0.3
温度反应特别敏感。→热敏元件
术
（2）光敏性
陈 小
半导体的导电能力随光照强度的变化而变化。例如硫化
虎
镉薄膜，无光照时，电阻是几敏元件
高
（3）掺杂性
等
教 育
如果在纯净半导体中掺入微量其它元素（称为掺杂），
出
半导体的导电能力随着掺杂能力的变化而发生显著变化。
版
社
N区电子向P区扩散
图2.1.2 PN结的形成
电 1.1 半导体二极管的结构
工
电 1、PN 结形成
子 扩散运动在交界面附近形成一个很薄的空间电荷
技 区，这就是PN结。
术
PN结
阻挡层
P区空穴向N区扩散

空穴很容易俘获电子，使杂质原 子成为负离子。三价杂质称为受主 杂质
+
+
4
4
+
+
4
3
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N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形 成 N型半导体（电子型半导体）。
在N型半导体中自由电子是多 子,它主要由杂质原子提供；空 穴是少子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原 子因自由电子脱离而带正电荷成 为正离子，五价杂质原子被称为 施主杂质
硅PN结稳定性较锗结好
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1.2.4 PN结的电容特性
PN结的总电容： Cj CTCD
1、势垒电容CT：PN结上的反偏电压变化时，空
间电荷区相应变化，结区中的正负离子数量也发生改 变，即存在电荷的增减，这相当于电容的充放电， PN结显出电容效应，称为势垒电容。
2、扩散电容CD：正偏时，多数载流子的扩散运动
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小结
1. 半导体中两种载流子
带负电的自由电子 带正电的空穴
2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 称为 电子 - 空穴对。
3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。
4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又
不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动
1、二极管的结构
触丝线
PN结
引线 外壳线 基片
P
N
点接触型二极管：PN结面积小，结电容小，A阳极
工作频率高，但不能承受较高反向电压和较
K阴极
大电流。
面接触型二极管：PN结面积大，允许通过较
符号

1.1 PN结
半导体器件是用半导体材料制成的电子器 件。半导体器件是构成各种电子电路最基 本的元件。
1.1.1 半导体的导电特征
半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的 物质，如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素。
1．热激发产生自由电子和空穴 每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间 通过共价键紧密结合在一起。两个相邻原子共 用一对电子。 室温下，少数价电子挣脱共价键的束缚成 为自由电子，在共价键中留下一个空位这个空 位称为空穴。失去价电子的原子成为正离子， 就好象空穴带正电荷一样。
两个PN结把半导体分成三个区域。这三个区 域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此， 三极管有两种类型：NPN型和PNP型。
C 集电结 N P N E 集电区 基区 B 发射区 E C
NPN型
B 发射结
C 集电结 P N P E 集电区 基区 B 发射区 E C
PNP型
B 发射结
正箭 向头 电方 压向 时表 的示 电发 流射 方结 向加
1.4.2
电流放大作用
（1）产生放大作用的条件 内部：a）发射区杂质浓度>>基区>>集电区 b）基区很薄 外部：发射结正偏，集电结反偏 （2）内部载流子的传输过程 a）发射区向基区注入多子，形成发射极电流 iE b）多子在基区中扩散与复合，形成基极电流 iB c）集电区收集扩散过来的多子，形成集电极电 流 iC
1.3 特殊二极管
1.3.1 稳压管
阳极 阴极
稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二 极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。 稳压管的稳压作用：电流增量很大，电压变 化很小。
稳压管的主要参数： （1）稳定电压UZ：反向击穿后稳定工作的电压 （ 2）稳定电流 IZ。工作电压等于稳定电压时的 电流。

第一章 半导体器件 基础
电子技术分类
模拟电子:模拟信号.分析信号的产生和处理 过程.
数字电子:数字信号.分析输入和输出的逻辑 功能.
重点
1.半导体二极管的单向导电性及特性曲线 2.半导体三极管的电流分配和放大作用 3.半导体三极管的输出特性曲线和三种工作
状态
1.1 半导体基础知识
【结论】掺入的杂质元素的浓度越高， 多数载流子的数量越多，导电能力越强。 少数载流子是热激发而产生的，其数量的 多少决定于温度。
无论是P型半导体还是N型半导体都是 中性的，对外不显电性。
12
1.1.3 PN 结及其单向导电性
1）PN结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
（2）温度特性
温度增加使导电率大为增加 热敏器件
（3）光照特性
光敏器件 光电器件
光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
1.1.2 杂质半导体 杂质半导体（N型半导体、P型半导体） 在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将
大大增强 1．N型半导体：在纯净半导体硅或锗中掺入磷、
砷等5价元素，靠自由电子导电。
8
1.N型半导体
硅原子 +4
多余电子
+4
磷原子
+4
+4
+4
电子空穴对 自由电子
N型半导体
+5 +4
++ + + ++ + +
+4 +4
++ ++

第1章 基本半导体器件
空穴运动
a b c
2019年11月12日星期二
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本征半导体小结
第1章 基本半导体器件
* 本征半导体有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电 荷的空穴。 * 热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴 又可能重新结合而成对消失，称为复合。 •在一定温度下本征半导体的自由电子和空穴维持一定的浓 度，导电能力很弱。 外加能量越高 （温度越高），产生的电子空穴对越多。本 征半导体导电性取决于：温度和光照！ 温度、光照↗ →导电性↗ (与金属的区别)
产生内电场 阻止
促使
少子漂移
P区
N区
＋ ＋＋
＋ ＋＋
＋ ＋＋
载流子的扩散运动
P 区 空间电荷区 N 区
＋＋ ＋ ＋＋ ＋ ＋＋ ＋
内电场方向 PN 结及其内电场
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PN结的单向导电性
第1章 基本半导体器件
① 外加正向电压（也叫正向偏置） 外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，多子扩散运动大
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5. 二极管的应用
第1章 基本半导体器件
二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0
例1：二极管半波整流
ui
ui
RL
uo
t
uo t
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第1章 基本半导体器件
二极管的单向导电性应用电路：整流、检波、限幅、钳位等。 例2 限幅电路，设二极管为理想器件。分析输出波形。

载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流称为扩散电流
内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动 P区 N区 浓度差－－扩散运动 （多子）
扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡
内电场—漂移运动 （少子）
1. 交界面出现自由电子、空穴的浓度差别 空穴多 P区
扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。
稳定的空间电荷区 又称高阻区 也称耗尽层
二 PN结的单向导电性
1. PN结加正向电压时的导电情况 电压的真实方向 P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；
外电场方向与PN结内电
场方向相反，削弱了内电 场。动态平衡被打破。于 是内电场对多子扩散运动 的阻碍减弱，扩散电流加 大。 扩散电流远大于漂移电 流，可忽略漂移电流的影 响。空间电荷区变窄，
1.1.3 杂质半导体
掺入三价元素，如B
形成P型半导体，也称空穴型半导体
杂质半导体
掺入五价元素，如P 形成N型半导体，也称电子型半导体
掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高
一、 N型半导体
在本征半导体中掺入五价元素如P 由于五价元素很容易贡献电 子，因此将其称为施主杂质。 施主杂质因提供自由电子而 带正电荷成为正离子
同时进行
最后,扩散运动等于漂移运动,达到动态平衡
因浓度差 多子的扩散运动
由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场 扩散运动 漂移运动 动态平衡 PN 结 内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散 多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动 扩散运动产生扩散电流 少子在电场的作用下向对方漂移,称漂移运动。 漂移运动产生漂移电流。