电子技术第一章 常用半导体器件(self)

第1章 常用半导体器件
本章的学习目标： 本章的学习目标： ★了解半导体的基本知识，理解PN结的单向导电性； 了解半导体的基本知识，理解PN结的单向导电性； PN结的单向导电性 ★了解二极管的电路符号和特性，掌握二极管的应用，了解 了解二极管的电路符号和特性，掌握二极管的应用， 其他类型的二极管； 其他类型的二极管； ★了解三极管的电路符号、放大作用、伏安特性及三极管的 了解三极管的电路符号、放大作用、 主要参数； 主要参数； ★了解场效应管的结构、电路符号、伏安特性和主要参数， 了解场效应管的结构、电路符号、伏安特性和主要参数， 掌握场效应管的应用； 掌握场效应管的应用； ★了解晶闸管的符号、原理和结构，掌握晶闸管的作用。 了解晶闸管的符号、原理和结构，掌握晶闸管的作用。
铝合金小球 N 型硅
外壳
阴极引线
阳极引线 PN结 金锑合金 底座
( c ) 平面型
阳极
D 阴极
阴极引线
( d) 符号
( b) 面接触型 图 1 – 12 半导体二极管的结构和符号
1．半导体二极管的结构与符号
• 符号 •分类
（普通二极管）
按结构分：点接触型、面接触型和平面型 点接触型、 点接触型 按材料分：硅二极管、锗二极管 硅二极管、 硅二极管 按功能分：普通二极管、整流二极管、稳压二 普通二极管、整流二极管、 普通二极管 极管、开关二极管、 极管、开关二极管、发光二极管等
–
+
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小， 结加反向电压时，PN结变宽 反向电流较小， 结变宽， 反向电阻较大，PN结处于截止状态 结处于截止状态。 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，反向电流将随温度增加。 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。
1.2 半导体二极管
接正、 接负 1. PN 结加正向电压（正向偏置） P接正、N接负 结加正向电压（正向偏置） 接正
PN 结变窄
－－ － － － － －－ － － － － －－ － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P IF + –
内电场 外电场
N
内电场被 削弱， 削弱，多子 的扩散加强， 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。 扩散电流。
1.1.3
PN结 PN结
内电场越强，漂移运 内电场越强， 动越强， 动越强，而漂移使空间 电荷区变薄。 电荷区变薄。
1 PN结的形成 PN结的形成 空间电荷区也称 PN 结 少子的漂移运动 P 型半导体
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － －
内电场 N 型半导体
P
内电场 外电场
N
–
+
2. PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正 结加反向电压（反向偏置） 接负、
PN 结变宽
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P
IR
内电场 外电场
N
内电场被加 强，少子的漂 移加强， 移加强，由于 少子数量很少， 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。 向电流。
无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。 无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。
1. 在杂质半导体中多子的数量与 a 掺杂浓度、b.温度 有关。 温度） （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。 掺杂浓度、b.温度 有关。 温度） 3. 当温度升高时，少子的数量 当温度升高时， c 减少、 不变、 增多）。 （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 在外加电压的作用下， 主要是 b ，N 型半导体中的电流主要是 a 。 （a. 电子电流、b.空穴电流） 电子电流、b.空穴电流 空穴电流）
I = IS (e
UT
− 1)
IS为反向饱和电流 UT为温度的电压当量，在常温（300K）下， 为温度的电压当量，在常温（300K） UT≈26mV。 26mV。 当U>0时，且U>>UT,则电流I与U基本成指数关系。 >0时 >>U 基本成指数关系。 当U<0时，且|U |>>UT,则电流I ≈ -IS <0时 >>U
1.1.2 N型半导体和 P 型半导体 N型半导体和
在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）, 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。 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 掺杂后自由电子数目 Si Si 多 大量增加， 余 大量增加，自由电子导电 电 成为这种半导体的主要导 p+ Si Si 电方式， 子 电方式，称为电子半导体 型半导体。 或N型半导体。 失去一个 电子变为 正离子 在N 型半导体中自由电子 型半导体中自由电子 磷原子 是多数载流子， 是多数载流子，空穴是少数 载流子。 载流子。
Si
硅单晶中的共价健结构
在绝对温度（ ） 在绝对温度（0K）时，所有价电子都被共价键 束缚，没有自由运动的带电粒子，故不能导电， 束缚，没有自由运动的带电粒子，故不能导电，这时 的半导体相当于绝缘体。 的半导体相当于绝缘体。
自由电子
本征半导体的导电机理 价电子在获得一定能量 温度升高或受光照） （温度升高或受光照）后， 即可挣脱原子核的束缚， 即可挣脱原子核的束缚， 成为自由电子 带负电）， 自由电子（ 成为自由电子（带负电）， 同时共价键中留下一个空 称为空穴 带正电） 空穴（ 位，称为空穴（带正电）。
(c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可 用于大功率整流和开关电路中。 小，用于大功率整流和开关电路中。
1.2 半导体二极管
二极管的结构示意图
金属触丝 N型锗片 阳极引线 阴极引线 N型硅 型硅 P 型硅 阳极引线 二氧化硅保护层
( a) 点接触型
半导体二极管
• 外形
1.2.2 伏安特性
特点：非线性 特点： 反向击穿 电压U 电压 (BR) 反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。 常数。
I
正向特性 P + – N
硅0.6~0.8V 导通压降 锗0.2~0.3V .2~0.3V U 硅管0.5V, 硅管0.5V, 死区电压 锗管0.1V。 锗管0.1V。 外加电压大于死区 电压二极管才能导通。 电压二极管才能导通。
本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时， 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 (1)自由电子作定向运动 (1)自由电子作定向运动 →电子电流 (2)价电子递补空穴 (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。 自由电子和空穴都称为载流子。 空穴都称为载流子 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在 空穴成对地产生的同时 一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡， 一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体 中载流子便维持一定的数目。 中载流子便维持一定的数目。 注意： 注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； 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 温度愈高， 载流子的数目愈多, 愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。 愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。
1.1.2
Si
N型半导体和 N型半导体和 P 型半导体
Si
Si B–
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
掺入三价元素 空穴 掺杂后空穴数目大量 增加， 增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方 式，称为空穴半导体或 P型半导体。 型半导体。 型半导体中空穴是多 在 P 型半导体中空穴是多 数载流子， 数载流子，自由电子是少数 载流子。 载流子。
Si
Si
Si
Si
空穴
这一现象称为本征激发。 这一现象称为本征激发。 本征激发 温度愈高， 温度愈高，晶体中产 价电子 生的自由电子便愈多。 生的自由电子便愈多。 在外电场的作用下， 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电 子来填补，而在该原子中出现一个空穴， 子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相 当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。 当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。
1.1 半导体的导电特性
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， 热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强 可做成温度敏感元件，如热敏电阻) (可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。 光敏性：当受到光照时， 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 成各种光敏元件，如光敏电阻、 光敏三极管等) 管、光敏三极管等)。 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质， 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( 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）。 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
1.2.1 基本结构
(a) 点接触型 结面积小、 结面积小、 结电容小、 结电容小、正 向电流小。 向电流小。用 于检波和变频 等高频电路。 等高频电路。 (b)面接触型 (b)面接触型 结面积大、 结面积大、 正向电流大、 正向电流大、 结电容大， 结电容大，用 于工频大电流 整流电路。 整流电路。