《電子技術(shù)及應(yīng)用 第2版》 課件 第1章 半導體器件

主編：張靜之電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版第一章半導體器件電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版主要內(nèi)容

通過本章節(jié)的學習可以達到：

1、了解物質(zhì)導電性能的分類，了解本征半導體、雜質(zhì)半導體的結(jié)構(gòu)和性能，掌握PN結(jié)的構(gòu)成和特性；

2、了解二極管的結(jié)構(gòu)和符號，理解二極管的伏安特性；掌握二極管的參數(shù)，能夠根據(jù)實際應(yīng)用的要求分析和選擇合適的二極管；

3、初步了解穩(wěn)壓二極管、光電二極管和發(fā)光二極管基本原理和應(yīng)用；

4、理解半導體晶體管的基本結(jié)構(gòu)和符號，理解并掌握晶體管的電流放大作用和特性曲線，在理解晶體管的主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，能夠根據(jù)實際需求選擇適應(yīng)的晶體管；第一章半導體器件教學導航1.1PN結(jié)的形成1.2

二極管1.3晶體管電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版物質(zhì)的導電特性主要取決于其原子結(jié)構(gòu)，根據(jù)導電性能不同，物體分為導體、半導體和絕緣體三大類。

導電特性較好，如金、銀、銅、鋁、鐵等金屬物質(zhì)被稱為導體，這類物質(zhì)的原子最外層電子極易掙脫原子核的束縛成為自由電子；

導電性能很差，如玻璃、橡膠、塑料、陶瓷等物質(zhì)被稱為絕緣體，其最外層電子極不易擺脫原子核的束縛成為自由電子；

導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅、鍺、硒等物質(zhì)稱為半導體。1.1PN結(jié)的形成電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.1.1本征半導體

本征半導體是一種純凈的，具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體，也稱為晶體。常用的半導體材料是單晶硅（Si）和單晶鍺（Ge），其原子結(jié)構(gòu)圖如下圖a、b所示。硅和鍺的最外層都有四個價電子，是四價元素。簡化原子結(jié)構(gòu)模型如下圖所示。硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)及其簡化模型1.1PN結(jié)的形成電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.1.1本征半導體在本征半導體的晶體結(jié)構(gòu)中，每一個原子與相鄰的四個原子結(jié)合，每一個原子的一個價電子與另一原子的一個價電子組成一個電子對，形成晶體中的共價鍵結(jié)構(gòu)，如下圖所示為硅的共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖。硅共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖1.1PN結(jié)的形成在本征半導體中，電子和空穴總是成對出現(xiàn)的，稱為電子——空穴對，若電子和空穴結(jié)合則稱為復合。電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.1.1本征半導體

當共價鍵中出現(xiàn)了空穴后，鄰近共價鍵中的價電子就很容易過來填補到這個空位上，同時又會出現(xiàn)新的空位，然后其它的價電子又可能會填補新的空穴，這種過程持續(xù)進行，就相當于一個空穴在晶體中移動，如下圖所示。脫離共價鍵的自由電子帶負電，而空穴失掉一個電子則帶正電。當在外電場作用下，帶負電荷的自由電子產(chǎn)生定向移動，形成電子電流；另一方面，價電子也按一定方向依次填補空穴，相當于空穴產(chǎn)生了定向移動，形成空穴電流。硅晶體中的兩種載流子1.1PN結(jié)的形成電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.1.2雜質(zhì)半導體2、N型半導體在純凈半導體硅或鍺中摻入磷、砷等五價元素，這類五價元素與相鄰的四個硅（或鍺）原子形成共價鍵后，還多余一個電子，故而產(chǎn)生大量不受共價鍵束縛的自由電子，這種半導體主要靠自由電子導電，稱為電子半導體或N型半導體，如右圖a所示。其中自由電子為多數(shù)載流子，熱激發(fā)形成的空穴為少數(shù)載流子。（a）N型半導體和P型半導體的結(jié)構(gòu)示意圖1、N型半導體在純凈半導體硅或鍺中摻入硼、鋁等三價元素，這類三價元素與相鄰的四個硅（或鍺）原子形成共價鍵中，有一對是缺少一個電子的，故而形成大量空穴，這類摻雜后的半導體其導電作用主要靠空穴運動，稱為空穴半導體或P型半導體，如左圖b所示。其中空穴為多數(shù)載流子，熱激發(fā)形成的自由電子是少數(shù)載流子。（b）1.1PN結(jié)的形成電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.1.3PN結(jié)及其特性

將P型半導體和N型半導體用特殊的工藝結(jié)合在一起時，就會在兩種半導體的交界面處形成一個特殊的薄層，稱為PN結(jié)，如下圖所示。PN結(jié)的形成過程中，半導體中載流子的運動方式包含了擴散運動和漂移運動兩種。PN結(jié)的形成1PN結(jié)的形成1.1PN結(jié)的形成電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.1.3PN結(jié)及其特性

由于兩種摻雜半導體材料中載流子的濃度相差很大，使P型半導體中的空穴向N型半導體擴散，同時N型半導體中的電子向P型半導體擴散，稱為擴散運動，如下圖所示。擴散運動

擴散運動的結(jié)果是在交界面的P區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了一個負電荷區(qū)，而在N區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了一個正電荷區(qū)，從而形成了一個由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場。內(nèi)電場形成后，阻擋了多數(shù)載流子的擴散運動，同時使P區(qū)的少數(shù)載流子——電子和N區(qū)的少數(shù)載流子——空穴越過空間電荷區(qū)進入對方區(qū)域，這種少數(shù)載流子在電場作用下的定向運動稱為漂移運動，如下圖所示。漂移運動結(jié)論：當擴散與漂移達到動態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)。1.1PN結(jié)的形成電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.1.3PN結(jié)及其特性

PN結(jié)正向偏置如右圖所示，此時，P區(qū)接電到電源E的正極，是高電位，N區(qū)經(jīng)過限流電阻R接電源E的負極，是低電位。在正向偏置狀態(tài)下，外電場方向與PN結(jié)中內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場，使空間電荷區(qū)變窄，增強擴散動運，減弱漂移運動，使多數(shù)載流子能夠在外加電場的作用下順利地穿過PN結(jié)，形成了一個較大的正向電流I，PN結(jié)處于導通狀態(tài)。PN結(jié)正向偏置2PN結(jié)的特性（1）外加正向電壓（亦稱正向偏置，簡稱正偏）1.1PN結(jié)的形成電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.1.3PN結(jié)及其特性

PN結(jié)反向偏置如右圖所示，此時，P區(qū)接電到電源E的負極，是低電位，N區(qū)經(jīng)過限流電阻R接電源E的正極，是高電位。在反向偏置狀態(tài)下，外電場方向與PN結(jié)中內(nèi)電場方向一致，增強了內(nèi)電場的作用，使空間電荷區(qū)變寬，減弱擴散運動，增強漂移運動，多數(shù)載流子受PN結(jié)的阻擋無法通過，只有少數(shù)載流子在外加電場的作用能夠通過PN結(jié)，形成一個很小的反向電流，PN結(jié)處于截止狀態(tài)。PN結(jié)反向偏置（2）外加反向電壓（亦稱反向偏置，簡稱反偏）

由以上分析可知，在PN結(jié)兩端外加不同方向的電壓，會呈現(xiàn)出“正向?qū)ǎ聪蚪刂埂钡膯蜗驅(qū)щ娞匦浴?/p>

在一定的溫度條件下，反向電流達到一定數(shù)值后就不會再隨著反向電壓的增加而增大，稱為反向飽和電流。反向飽和電流對溫度十分敏感，隨溫度升高反向飽和電流急劇增大。1.1PN結(jié)的形成電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.2.1二極管的類型、結(jié)構(gòu)及符號

在PN的兩端各引出一個電極引線，并用管殼封裝起來，就構(gòu)成了半導體二極管，簡稱二極管。二極管圖形符號如下圖所示，其中的箭頭，表示正向電流的方向，與P區(qū)相連的正極也叫做陽極，與N區(qū)相連的負極也叫做陰極。二極管的電路圖形符號1.2二極管

按結(jié)構(gòu)的不同，二極管可分為點接觸型、面接觸型和平面型三種類型。點接觸型二極管PN結(jié)面積很小，結(jié)電容很小，多用于高頻檢波及脈沖數(shù)字電路中的開關(guān)元件，如下圖所示。面接觸型二極管PN結(jié)面積大，結(jié)電容也大，多用在低頻整流電路中，如下圖所示。平面型二極管，結(jié)面積較大時，可作大功率整流；結(jié)面積較小時，結(jié)電容也小，適合在數(shù)字電路中作開關(guān)二極管用。如下圖c所示。

（a）（b）（c）二極管的分類電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.2.2二極管的伏安特性曲線1.2二極管

二極管的性能可用其伏安特性來描述，如下圖a圖所示為硅二極管伏安特性，b圖所示為鍺二極管伏安特性。圖中橫坐標為電壓，縱坐標表示電流，二極管的伏安特性就是加在二極管兩端的電壓與流過二極管電流之間的關(guān)系。

（a）（b）二極管的伏安特性電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.2.2二極管的伏安特性曲線1.2二極管

1、正向特性當二極管兩端的外加正向電壓較小時，正向電流很小，幾乎為零，稱為死區(qū)。當正向電壓超過某一數(shù)值時，如圖1-12所示的A點，正向電流明顯增大，A點所對應(yīng)的電壓稱為死區(qū)電壓（或稱導通電壓）?！绤^(qū)電壓

硅管的死區(qū)電壓約0.5V,鍺管約0.1V。當正向電壓超過死區(qū)電壓后，隨著電壓升高，正向電流迅速增大，即二極管處于導通狀態(tài)。當二極管正向?qū)ê螅湔驂航祷緸橐怀?shù)，硅二極管為0.6～0.7V，鍺二極管為0.2～0.3V。二極管的伏安特性電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.2.2二極管的伏安特性曲線1.2二極管

2、反向特性

如上圖所示，當二極管外加反向電壓時，只有很小的反向漏電流，稱為反向飽和電流。此時，二極管處于反向截止狀態(tài)。當反向電壓加到一定值時，反向電流急劇增加，產(chǎn)生擊穿。普通二極管的反向擊穿電壓一般在幾十伏以上。二極管的伏安特性電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.2.3二極管的主要參數(shù)1.2二極管電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.2.4二極管的應(yīng)用1.2二極管

（a）

(b)

例1-1二極管的限幅電路電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.2.4二極管的應(yīng)用1.2二極管

（a）

(b)

例1-1二極管的限幅電路電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.2.5穩(wěn)壓二極管和其他特殊二極管簡介1.2二極管

穩(wěn)壓管是一種采用特殊工藝制造的，可以工作在反向擊穿區(qū)的半導體二極管，其圖形符號如下圖所示。穩(wěn)壓管就是利用二極管在反向擊穿時，流過二極管的電流變化很大，而二極管兩端電壓基本不變的特性來實現(xiàn)穩(wěn)壓的，其穩(wěn)定電壓就是反向擊穿電壓。1、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管圖形符號電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.2.5穩(wěn)壓二極管和其他特殊二極管簡介1.2二極管2、發(fā)光二極管

發(fā)光二極管(LightEmittingDiode,LED)，是一種半導體組件。初時多用作為指示燈、顯示發(fā)光二極管板等；隨著白光LED的出現(xiàn)，也被用作照明。當發(fā)光二極管的PN結(jié)加上正向電壓時，電子與空穴復合過程以光的形式放出能量。不同材料制成的發(fā)光二極管會發(fā)出不同顏色的光，如：砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光，氮化鎵二極管發(fā)藍光。發(fā)光二極管外形如右圖a所示，其圖形符號如右圖b所示。（a）（b）發(fā)光二極管的外形和圖形符號電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.3.1晶體管的基本結(jié)構(gòu)1.3晶體管3、光電二極管

光電二極管的又稱為光敏二極管。當光線照射到光電二極管的PN結(jié)時，能激發(fā)更多的電子，使之產(chǎn)生更多的電子空穴對，從而提高了少數(shù)載流子的濃度。在PN結(jié)兩端加反向電壓時反向電流會增加，所產(chǎn)生反向電流的大小與光的照度成正比，所以光電二極管正常工作時所加的電壓為反向電壓。為使光線能照射到PN結(jié)上，在光電二極管的管殼上設(shè)有一個小的通光窗口。光電二極管的外形如右圖（a）所示，其圖形符號如右圖（b）所示。（a）b）光電二極管電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.3.1晶體管的基本結(jié)構(gòu)1.3晶體管

半導體晶體管又稱為晶體管。由于在晶體管中參與導電的有電子和空穴兩種載流子，因此稱為“雙極型”晶體管（BipolarJunctionTransistor）。按照晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，晶體管分為NPN型和PNP型兩種類型。

（a）（b）NPN型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路圖形及文字符號

如左圖a所示為NPN型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。三層半導體分成基區(qū)、發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，三個區(qū)引出引腳分別是基極B、發(fā)射極E和集電極C；它具有兩個PN結(jié)：基區(qū)和發(fā)射區(qū)之間的PN結(jié)，稱為發(fā)射結(jié)；基區(qū)和集電區(qū)之間的PN結(jié)，稱為集電結(jié)。NPN型晶體管的電路圖形及文字符號如左圖b所示，圖形符號中的箭頭方向表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時的電流方向。電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.3.1晶體管的基本結(jié)構(gòu)1.3晶體管如右圖a所示為PNP型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。三層半導體同樣分成基區(qū)、發(fā)射區(qū)和集電區(qū)。分別引出基極B、發(fā)射極E和集電極C。具有發(fā)射結(jié)和集電結(jié)兩個PN結(jié)。PNP型晶體管的電路圖形及文字符號如右圖b所示，圖形符號中的箭頭方向表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時的電流方向。（a）（b）PNP型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路圖形及文字符號電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.3.2晶體管的電流放大作用1.3晶體管

晶體管具有放大電流的作用，為使晶體管實現(xiàn)放大，晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部條件都必須滿足一定的條件。（a）（b）圖1-20晶體管的電流方向和發(fā)射結(jié)、集電結(jié)的極性

內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

第一、發(fā)射區(qū)進行高摻雜，遠大于集電區(qū)，其中的多數(shù)載流子濃度很高；

第二、基區(qū)做得很薄，而且摻雜較小，多數(shù)載流子濃度最低；

第三、集電區(qū)與基區(qū)接觸面積大，可保證盡可能多的收集到發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子。電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.3.2晶體管的電流放大作用1.3晶體管

晶體管的電流放大原理（a）（b）NPN型晶體管中載流子運動和電流分配

如上圖a所示為晶體管中的載流子運動；電流分配如圖1-21b所示?！癜l(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射自由電子●載流子在基區(qū)擴散和復合●集電極收集自由電子

根據(jù)基爾霍夫電流定律，晶體管的三個電極的電流關(guān)系為：通常將集電極電流與基極電流變化量之比定義為晶體管的交流電流放大系數(shù)。電子技術(shù)及應(yīng)用

第2版1.3.2晶體管的電流放大作用1.3晶體管例1-2有兩個晶體管分別接在放大電路中都正常工作，起電流放大作用，今測得它們?nèi)齻€管腳對參考點的電位，如表所示。試判斷：（1）是硅管還是鍺管；（2）是NPN型還是PNP型；（3）管子的三個電極（B、C、E）。晶體管VT1VT2引腳號1