1、华成英 第一章 半导体二极管和三极管第一章 半导体二极管和三极管1 1.1.1半导体基半导体基础知础知识识1.21.2半导体二半导体二极极管管1.31.3晶晶体体三三极管极管1半导体基础知识一、一、本征本征半半导体导体 二、二、杂质半导杂质半导体体三、三、P PN N结结的形的形成成及其及其单单向导向导电电性性 四、四、PNPN结结的电的电容容效应效应一、本征半导体1 1、什么是、什么是半半导导体？体？什什么是么是本本征半征半导导体？体？导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电导体铁、铝、铜等金属元素
2、等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。电。半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。无杂质
3、无杂质稳定的结构稳定的结构2、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子而成为自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴留有一个空位置，称为空穴自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键共价键一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对 的浓度加大。的浓度加大。动态平衡动态平
4、衡两种载流子两种载流子为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。外加电场时，带负电的自由电外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电，子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。目很少，故导电性很差。温度升高，热运动加剧，载温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。流子浓度增大，导电性增强。热力学温热力学温度度0K时不导电。时不导电。二、杂质半导体1.N N型半导体 5磷磷（P）杂质半导体主要靠多数载流杂质半导体主要靠多数载流 子导
5、电。掺入杂质越多，多子子导电。掺入杂质越多，多子 浓度越高，导电性越强，实现浓度越高，导电性越强，实现 导电性可控。导电性可控。多数载流子多数载流子空穴比未加杂质时的数目多空穴比未加杂质时的数目多 了？少了？为什么？了？少了？为什么？2 2.P型半导体 3硼硼（B）多数载流子多数载流子P型半导体主要靠空穴导电，型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，导电性越强，在杂质半导体中，温度变化时，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多载流子的数目变化吗？少子与多 子变化的数目相同吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多 子浓度的变化
6、相同吗？子浓度的变化相同吗？三、PN结的形成及其单向导电性物质因浓度差而产生的运动称为物质因浓度差而产生的运动称为扩扩散运散运动动。气。气 体、液体、固体均有之。体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P 区 空 穴区 空 穴 浓度远高浓度远高 于于N区。区。N区自由电区自由电 子浓度远高子浓度远高 于于P区。区。扩散运动使靠近接触扩散运动使靠近接触面面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。区的自由电子浓度降低，产生内电场。PN 结的形成因电场作用所产因电场作用所产 生的运动称为漂移生的运动称为漂移 运动。运动。参与扩散运动和漂移运动的载流
7、子数目相同，达到动态参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动由于扩散运动由于扩散运动使使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从从N区向区向P 区、自由电子从区、自由电子从P区区向向N 区运动。区运动。PN结加正向电压导通：结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩散运动加 剧，由于外电源的作用，形剧，由于外电源的作用，形 成扩散电流成扩散电流，PNPN结处于导通结处于导通 状态。状态。PN结加反
8、结加反PN 结的单向导电性必要吗必要吗？向电向电压截止：压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电有利于漂移运动，形成漂移电 流。流。由于电流很小，故可近似由于电流很小，故可近似 认为其截认为其截止。止。四、PN 结的电容效应1.势垒电容PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变 化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相 同，其等效电容称为势垒电同，其等效电容称为势垒电容容Cb。2.扩散电容PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子结外加的正向电压变
9、化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的 过程，其等效电容称为扩散电过程，其等效电容称为扩散电容容Cd。Cj Cb Cd结电容：结电容：结电容不是常量！结电容不是常量！若若PN结外加电压频率高到一定程结外加电压频率高到一定程 度，则失去单向导电性！度，则失去单向导电性！问题 为什么将自然界导电性能中等为什么将自然界导电性能中等的的半导半导体体材材料料制制 成本征半导体，导电性能极差成本征半导体，导电性能极差，又将又将其其掺掺杂杂，改善导电性能？改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定为什么半导体器件的温度稳定性性差？
10、差？是是多多子子还还 是少子是影响温度稳定性的主是少子是影响温度稳定性的主要要因素？因素？为什么半导体器件有最高工作为什么半导体器件有最高工作频频率？率？2半导体二极管一、二极管一、二极管的组成的组成二、二极管二、二极管的伏安特性的伏安特性及及电流方电流方程程 三、二极管三、二极管的等效电路的等效电路四、二极管四、二极管的主要参数的主要参数五、稳压二五、稳压二极管极管一、二极管的组成将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率小功率 二极管二极管大功率大功率 二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管一、二极管的组成点接触型点接触型：结：
11、结面积小面积小，面接触型面接触型：结：结面积大面积大，平面型：平面型：结面结面积可小积可小、结电容小，故结允许结电容小，故结允许结电容大，故结允许结电容大，故结允许可大，小的工作频率可大，小的工作频率的电流小，最高工作的电流小，最高工作的电流大，最高工作的电流大，最高工作高，大的结允许的电高，大的结允许的电频率高。频率高。频率低。频率低。流大。流大。华成英 二、二极管的伏安特性及电流方程材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十Ai f(u)开启开启 电压电压反向饱反向饱 和电流和电流击穿击穿 电压电
12、压TSTi I(eU u 1)(常温下U 26mV)温度的温度的 电压当量电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。利用Multisim测试二极管伏安特性从二极管的伏安特性可以反映从二极管的伏安特性可以反映出出：1.单向导电性单向导电性TTSU u i I e若正向电压u U，则TUui IS(e1)2.伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压在电流不变情况下管压降降u反向饱和电反向饱和电流流IS，U(BR)T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性左移，反向特性下移正向特性为正向特性为 指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行
13、线反向特性为横轴的平行线增大增大1倍倍/10若反向电压u UT，则i IS三、二极管的等效电路理想理想 二极管二极管近似分析近似分析 中最常用中最常用理想开关理想开关导通导通时时 UD0S截止时截止时I 0D导通导通时时U Uon截止截止时时IS0导通时导通时i与与u 成线性关系成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！1.将伏安特性折线化？100V？5V？1V？D T D D diIuU根据电流方程，r Q越高越高，rd越小。越小。2.微变等效电路当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极 管等效为
14、一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用小信号作用小信号作用静态电流静态电流四、二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流IF：最大平均值最大平均值 最大反向工作电最大反向工作电压压UR：最大瞬最大瞬时时值值 反向电反向电流流 IR：即即IS 最高工作频率最高工作频率fM：因因PN结有电容结有电容效效应应第四版第四版P20讨论：解决两个问题解决两个问题 如何判断二极管的工作状态？如何判断二极管的工作状态？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？uD=ViR QUDiD
15、 V uDRV与与uD可比，则需图解：可比，则需图解：ID实测特性实测特性对对V和和Ui二极管的模二极管的模型有什么不同？型有什么不同？五、稳压二极管进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流1.伏安特性由一个由一个PN结组结组 成，反向击穿后成，反向击穿后 在一定的电流范在一定的电流范 围内端电压基本围内端电压基本 不变，为稳定电不变，为稳定电 压。压。2.主要参数稳定电压稳定电压UZ、稳定电流、稳定电流IZ最大功最大功耗耗PZM IZM UZ动态电动态电阻阻rzUZ/IZ若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会若稳压管的电流太小则不稳压，若稳
16、压管的电流太大则会 因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电 流的限流电阻！流的限流电阻！限流电阻限流电阻斜率？斜率？1 1.3 3晶体三极管一、晶体管一、晶体管的结的结构构和符号和符号 二、晶体管二、晶体管的放的放大大原理原理三、晶体管三、晶体管的共的共射射输入输入特特性和性和输输出特出特性性 四、温度对四、温度对晶体晶体管管特性特性的的影响影响五、主要参数五、主要参数一、晶体管的结构和符号多子浓度高多子浓度高多子浓度很多子浓度很 低，且很薄低，且很薄面积大面积大晶体管有三个极、三个区、两晶体管有三个极、三个区、两个个PN结。结
17、。小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管为什么有孔？为什么有孔？二、晶体管的放大原理放大的条件BEonuCB 0，即uCE uB（E 集电结反偏）u U（发射结正偏）扩散运动形成发射极电扩散运动形成发射极电流流IE，复合运动形成基极电，复合运动形成基极电 流流IB，漂移运动形成集电极电漂移运动形成集电极电流流IC。少数载流少数载流子的运动子的运动因发射区多子浓度高使大量因发射区多子浓度高使大量 电子从发射区扩散到基区电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使因基区薄且多子浓度低，使极少极少数扩散到基区的电子与空穴数扩散到基区的电子与空穴复复合合因集电区面积大，在外电场因集电区面积
18、大，在外电场作作用下大用下大部分扩散到基区的电子漂移部分扩散到基区的电子漂移到到集电区集电区基区空穴基区空穴的扩散的扩散 电流电流分分配配：IEIBICIE扩散运扩散运动动形成的形成的电电流流 IB复复合运动合运动形形成的电成的电流流 IC漂漂移运动移运动形形成的电成的电流流 C C IBICEO (1 )ICBOiB i I穿透电流穿透电流集电结反向电流集电结反向电流直流电流直流电流 放大系数放大系数交流电流放大系数交流电流放大系数为什么基极开路集电极回为什么基极开路集电极回 路会有穿透电流？路会有穿透电流？三、晶体管的共射输入特性和输出特性CEiB f(uBE)U为什么为什么UCE增大曲线
19、右移？增大曲线右移？对于小功率晶体管，对于小功率晶体管，UCE大于大于1V的一条输入特性曲线的一条输入特性曲线 可以取代可以取代UCE大于大于1V的所有输入特性曲线。的所有输入特性曲线。为什么像为什么像PN结的伏安特性？结的伏安特性？为什为什么么UCE增大到一定值曲线增大到一定值曲线右移就不明显了？右移就不明显了？1.输入特性2.输出特性BiC f(uCE)I是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下?对应于一个对应于一个IB就有一条就有一条iC随随uCE变化的曲线。变化的曲线。为什么为什么uCE较小时较小时iC随随uCE变变 化很大？为什么进入放大状态化很大
20、？为什么进入放大状态 曲线几乎是横轴的平行线？曲线几乎是横轴的平行线？饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区iBiCBUCE 常量i iC晶体管的三个工作区域晶体管工作在放大状态时，输出回路的电晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流流 iC几乎仅仅几乎仅仅 决定于输入回路的电决定于输入回路的电流流 iB，即可将输出回路等效为电，即可将输出回路等效为电流流 iB 控制的电流源控制的电流源iC。状态状态uBEiCuCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE饱和饱和 UoniB uBE四、温度对晶体管特性的影响T()ICEO uBE不变时iB ，即iB不变时uBE 五、主要参数直流参
21、数直流参数：、ICBO、ICEOc-e间击穿电压间击穿电压最大集电最大集电 极电流极电流最大集电极耗散功最大集电极耗散功 率率，PCMiCuCE安全工作区安全工作区 交流参数：交流参数：、fT（使1的信号频率）极限参数极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO ICIEiE1 iC 讨论一由图示特性求出由图示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO、。PCM iCuCEBUCEi iC2.7 uCE=1V时的时的iC就是就是ICMU（BR）CEO讨论二：利用利用Multisim测试晶体管的输出特性测试晶体管的输出特性讨论三 利用利用Multisim分析图示分析图示 电路在电路在V2小于何值时晶小于何值时晶 体管截止、大于何值时体管截止、大于何值时 晶体管饱和。晶体管饱和。以以V2作为输入、以节作为输入、以节 点点1作为输出，采用直流作为输出，采用直流 扫描的方法可得！扫描的方法可得！约小约小于于0.5V时时截止截止约大于约大于1V时时 饱和饱和描述输出电压与输出电描述输出电压与输出电 压之间函数关系的曲线，压之间函数关系的曲线，称为电压传输特性。称为电压传输特性。
