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第1章 常用半导体器件,主要内容：
1 半导体基础知识
2 半导体二极管
3 晶体三极管,导体:ρ小于10-3Ω·cm。
物质按其导电性 绝缘体:ρ大于108Ω·cm。
半导体: ρ介于两者之间。
常用的半导体有硅(Si)和锗(Ge)。,,,图1 Si和Ge的原子结构示意图,半导体的特性
掺杂特性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，其
电阻率大大下降而导电能力显著增强。半导体二极
管、半导体三极管。
热敏特性：半导体的电阻率随着温度的上升而明
显下降，其导电能力增强。热敏电阻。
光敏特性：当受到光照时，半导体的电阻率随着
光照增强而下降，其导电能力增强。光电二极管、
光电三极管。,1.1本征半导体
定义：纯净的具有晶体结构的半导体。
晶体结构
晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为
晶格。,图2 Si晶格,本征半导体的共价键结构
两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理
情况下达到电子饱和状态，形成稳定的化学结构叫
共价键。,,图3 本征半导体共价键结构示意图,本征半导体中的两种载流子,价电子受热或受光照（即
获得一定能量）后，可挣
脱共价键的束缚，成为自
由电子（带负电），同时
共价键中留下一个带正电
的空穴。
在热激发下，本征半导体
中存在两种能参与导电的
载流子：电子和空穴。,,图4 本征半导体中
自由电子和空穴,本征半导体的载流子的浓度,本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空
穴对的现象称为本征激发。
复合：自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就
会填补空穴，使两者同时消失。
在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与
空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达
到动态平衡。即在一定温度下本征半导体的浓度是
一定的，并且自由电子与空穴浓度相等。,1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入少量的杂质元素，就可得到
杂质半导体。
杂质半导体：N型半导体和P型半导体。
（1）N型半导体
在本征半导体中掺入五价元素（磷、砷等）而
得到杂质半导体。,掺杂后，某些位置上的
硅原子被五价杂质原子（如磷
原子）取代。磷原子的5个价
电子中，4个价电子与邻近硅
原子的价电子形成共价键，剩
余价电子只要获取较小能量即
可成为自由电子。同时，提供电子的磷原子因带正
电荷而成为正离子。,在N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓
度，称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。
N型半导体主要靠自由电子导电。
（2）P型半导体
在本征半导体中掺入三价元素（硼、铝等）而得
到的杂质半导体。,掺杂后，某些位置上的
硅原子被三价杂质原子（如硼
原子）取代。硼原子有3个价
电子，与邻近硅原子的价电子
构成共价键时会形成空穴，
导致共价键中的电子很容易
运动到这里来。同时，接受一个电子的硼原子因带负电荷而
成为不能移动的负离子。空穴和负离子成对产生。,在P型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。
1.3 PN结
采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体
制作在同一块硅片上，在它们的交界面处就形成PN
结。
（1）PN结的形成
扩散运动：物质总是由浓度高的地方向浓度低的
地方运动。,浓度差，于是P区空穴向N区扩散，N区电子向P区扩散。,在一块本征半导体的两边掺以不同的杂 质，使其一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，则在它们交界处就出现了电子和空穴的,漂移运动：：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,另一方面，随着扩散运动的
进行，扩散到P区的自由电子
与空穴复合，扩散到N区的空
穴与自由电子复合，P区一边,失去空穴留下负离子，N区一边失去电子留下正离子，形成空间电荷区，产生内建电场。内建电场方向由N区指向P区，它阻止多子扩散运动，而有利于P区和N区的少子漂移运动。随着扩散运动和漂移运动的进行，最后会达到一种动态平衡，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，形成PN结。,空间电荷区也称耗尽层，即在空间电荷区能参与
导电的载流子已耗尽完毕；空间电荷区又称势垒区
，势垒高度为U。
PN结动态平衡时,PN结形成过程总结,（2）PN结的单向导电性,PN结加正向电压
PN外加正向电压时，
内建电场被削弱，势
垒高度下降，空间电
荷区宽度变窄，
PN结电阻很小，电流较大。
PN结正向导通。
所以：在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。,,PN结加反向电压,PN结加反向电压时，
内建电场被增强，势垒
高度升高，空间电荷区
宽度变宽。这就使得多
子扩散运动很难进行，
扩散电流趋于零；
而少子漂移运动处于优势，形成微小的反向的电流。,,流过PN结的反向电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。由于IS很小,可忽略不计,所以该状态称为：PN结反向截止。
总结
PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电
流， PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的
反向饱和电流IS，考虑到IS≈0，则认为PN结截止。,,二极管,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压
二极管,发光
二极管,将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成
半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为
阳极，由N区引出的电极为阴极。,（1）二极管常见结构,点接触型：结面积小，电容小，适用于高频工作
常见结构 面接触型：结面积大，电容大，适用于低频。
平面型：结面积可大可小。,,图 二极管的符号,（2）二极管的伏安特性
二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。
二极管的伏安特性与PN结近似,在近似分析时，用PN结的电流方程式描述二极管的伏安特性。,UT 为二极管电压当量，常温下UT ≈26mv,U>0为正向特性，U<0为反向特性。,击穿电压
U(BR),正向特性：实测二极管的伏安特性发现，存在开启
电压（死区电压）Uon，(硅管死区电压0.5V，锗管死区电压0.2V）。只有当加正向电压大于开启电时，电流才从零随端电压指数规律增加。导通电压硅管0.7V，锗管0.3V。
反向特性：存在反向饱和电流Is和击穿电压U(BR)。
温度特性：环境温度升高时，二极管的正向特性曲
将左移，反向特性曲线将下移。,温度对二极管伏安特性的影响,（3）二极管的主要参数
（1）最大整流电流IF
最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。
（2）最高反向工作电压UR
UR是二极管工作时允许外加的最大反向电压，
通常为反向击穿电压U（BR)的一半。
（3）反向饱和电流IS
它是指管子没有击穿时的反向电流值。其值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。,（4）最高工作频率fM
fM是二极管工作的上限截止频率。,（5） 稳压二极管
稳压管是一种面接触型二极管。这种管子的杂质浓度比较大，容易发生反向击穿，其击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化，从而达到稳压的目的。稳压管工作于反向击穿区，广泛用于稳压电源与限幅电路。,（4）最高工作频率fM
fM是二极管工作的上限截止频率。,稳压管的伏安特性,稳压管的主要参数,稳定电压Uz：Uz是在规定电流下稳压管的反向击
穿电压。
稳定电流IZ：它是指稳压管工作在稳压状态时，
稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大
稳定电流IZmax之分。,（6）其它类型二极管,发光二极管：在正向导通其正向电流足够大时，
便可发出光，光的颜色与二极管的材料有关。广
泛用于显示电路。,发光二极管符号,发光类型：,可见光：红、黄、绿,显示类型： 普通 LED ，,不可见光：红外光,点阵 LED,七段 LED ,,34,光电二极管：光电二极管是远红外接收管，是一
种将光能转换为电能的器件。光电二极管工作于
反偏状态。其反向电流与光照度E成正比关系。
广泛用于遥控、报警等。,光电二极管,符号和特性,符号,特性,工作原理：,三、变容二极管
四、隧道二极管
五、肖特基二极管,无光照时，与普通二极管一样。
有光照时，分布在第三、四象限。,36,例：限幅电路中VD二极管的正向导通电压忽略不记，求uO(t)并画出波形。,解：uO(t)取决于VD 是否导通,什么时候导通。,3. 双极型晶体管(BJT),又称半导体三极管、晶体三极管，或简称晶体管。,(Bipolar Junction Transistor),三极管的外形如下图所示。,三极管有两种类型：NPN 型和 PNP 型。
主要以 NPN 型为例进行讨论。,图 1.3.1 三极管的外形,X：低频小功率管
D：低频大功率管,G：高频小功率管
A：高频大功率管,38,晶体三极管中有两种不同的载流子参与导电，又
称为双极型晶体管（BJT），又称为半导体三极管
，简称晶体管。,1.3.1 晶体管的结构及类型,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。,图1.3.2a 三极管的结构,(a)平面型(NPN),(b)合金型(PNP),e 发射极，b基极，c 集电极。,发射区,集电区,基区,基区,发射区,集电区,40,图 1.3.2(b) 三极管结构示意图和符号 NPN 型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,,,,,,集电极 c,基极 b,发射极 e,41,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,,,,,,集电极 c,发射极 e,基极 b,42,1.3.2 晶体管的电流放大作用,以 NPN 型三极管为例讨论,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,43,三极管内部结构要求：,1. 发射区高掺杂。,2. 基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。,三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。,3. 集电结面积大。,44,晶体管的结构,多子浓度高,多子浓度很低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,中功率管,大功率管,（2）晶体管的电流放大作用
放大是对模拟信号的基本处理。晶体管是放大电
路的核心元件，它能够控制能量的转换，将任何输入
的微小信号不失真的放大输出。,晶体管的符号,要实现三极管的电流放大作用，首先要给三极管
各电极加上正确的电压。三极管实现放大的外部条
件是：其发射结必须加正向电压（正偏），而集电
结必须加反向电压（反偏）。,一 、晶体管内部载流子的流动,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,电流分配： IE＝IB＋IC
IE－扩散运动形成的电流
IB－复合运动形成的电流
IC－漂移运动形成的电流,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,,,,在交流小信号的情况下，通常可以做如下近似：,小结：,三极管三个电极的电流中 IE＞IC＞IB 。,（a） （b）
三极管各极的电流及方向
（a）NPN型 （b）PNP型,（3）晶体管的共射特性曲线（NPN管为例）,采用共射接法的三极管的特性曲线称为共射特性曲线。
一、输入特性曲线
三极管的输入特性曲线表示当管子的输出电压
UCE为常数时，输入电流iB与输入电压uBE之间的
关系曲线，即,基本共射放大电路,输入回路,,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,为什么UCE增大曲线右移？,对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,为什么像PN结的伏安特性？,为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？,1. 输入特性,特点：
UCE =0V时，特性曲线类似二极管伏安特性；
UCE >0V时，特性曲线右移直至UCE 1V时曲线基本重合。,,二、 输出特性曲线,三极管的共射输出特性曲线表示当管子的输入电
流iB为某一常数时，输出电流iC与输出电压uCE之
间的关系曲线，即,,输出回路,基本共射放大电路,2. 输出特性,对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。,,uCE较小时iC随uCE变化很大，进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线。,饱和区,放大区,截止区,,晶体管的三个工作区域,晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。,1）截止区
发射结和集电结均反偏，对于共射电路 iB=0。三极管失去放大作用且呈高阻状态，e、b、c极之间近似看作开路。相当于一个断开的开关。,2）放大区
发射极正偏，集电极反偏。对于共射电路IC=βIB，即IC受控于IB，三极管是一种电流控制器件。在模拟电路，绝大多数情况下应保证三极管
工作在放大状态。,放大区：
硅管：|UBE|=0.7V
锗管：|UBE|=0.2V,3）饱和区
发射极与集电结均正向偏置。对于共射电路
此时iC明显随uCE增大而增大.,（4）晶体管的主要参数
一、直流参数
共射直流电流放大系数,,共基直流电流放大系数
极间反向电流
ICBO是发射极开路时，集电极与基极的反向饱和电流。ICEO是基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。两值都受温度的影响，随温度的升高而增大，一般希望他们越小越好。,,,二、交流参数
共射交流电流放大系数
共基交流电流放大系数
特征频率
使共射电流放大系数β的数值下降到1的信号频率。,,,,三、极限参数,最大集电极耗散功率
对于确定的晶体管PCM是一个常数， PCM=iCuCE。,,最大集电极电流ICM
使β值明显减小到正常值的2/3时对应的iC即为ICM。
极间反向击穿电压
晶体管某一电极开路时，另外两个电极间所允许
加的最高反向电压称为极间反向击穿电压。分别为
U(BR)CBO、 U(BR)CEO和U(BR)BEO。为可靠工作，使用
中取Ucc≤(1/2-2/3) U(BR)CEO,,,五、主要参数,直流参数： 、 、ICBO、 ICEO,c-e间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，PCM＝iCuCE,安全工作区,交流参数：β、α、fT（使β＝1的信号频率）,极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO,（5）温度对晶体管特性及参数的影响,一、温度对ICBO的影响
温度升高，ICBO将增大。
二、温度对输入特性曲
线的影响。,三、温度对输出特性的影响,当温度从
升高到 时，
集电结电流的
变化量 >
,表明温度升高
时β增大，集
电极电流增大。,三极管工作状态的判断,[例1]：测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？
（1） VC ＝6V VB ＝0.7V VE ＝0V
（2） VC ＝6V VB ＝4V VE ＝3.6V
（3） VC ＝3.6V VB ＝4V VE ＝3.4V,解：,原则：,,对NPN管而言，放大时VC ＞ VB ＞ VE
对PNP管而言，放大时VC ＜ VB ＜VE,（1）放大区
（2）截止区
（3）饱和区,例[3]：测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为：
（1）U1=3.5V、U2=2.8V、 U3=12V
（2）U1=3V、 U2=2.8V、 U3=12V
（3）U1=6V、 U2=11.3V、 U3=12V
（4）U1=6V、 U2=11.8V、 U3=12V
判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？并确定e、b、c。,（1）U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅
（2）U1 b、U2 e、U3 c NPN 锗
（3）U1 c、U2 b、U3 e PNP 硅
（4）U1 c、U2 b、U3 e PNP 锗,原则：先求UBE，若等于0.6-0.7V，为硅管；若等于0.2-0.3V，为锗管。发射结正偏，集电结反偏。
NPN管 UBE＞0， UBC＜0，即UC ＞ UB ＞ UE 。
PNP管 UBE＜0， UBC＜0，即UC ＜ UB ＜ UE 。,解：,71,（6）光电三极管
原理：用光照的强度来控制集电极电流的大小，
其功能可等效为一只光电二极管与一只晶体管相连。,
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