第一章半导体器件(6学时) 绪 论 电子技术是一门发展迅速的基础科学,他已经深入到了生产和生活的各 个方面,尤其是计算机的出现,使电子技术在通讯,自控、医疗、航天等自然 科学和人文科学的各个领域,可以说无处不在,一些领域如果离开了电子技术, 将寸步难行。 电子技术的主要部分是电子线路,它由电子元件和电子器件组成,像电容、电 阻、变压器和开关等叫电子元件,二极管、三极管等角电子器件。要搞清楚电 子线路的功能和用途我们必须从组成电子线路的元器件入手,逐步深入的学 第一节 物质的导电性 物质的导电的类型 1.导体:能够导电的物质叫导体,如铜铁等 2.绝缘体:不能导电的物质叫绝缘体,如塑料,橡胶,木头等 3.半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的一类物质,生活中见 的较少,但却用得很多,如硅,锗,砷化钾等,它不是导体,也 不是绝缘体,他有些情况下导电,有些情况下不导电 二导电的机理 为什麽会出现有些物质导电,有些不导电,而有些物质有时导电有 时不导电?这须从原子结构说起
1 1 S i G e 第一章 半导体器件（6 学时） 绪 论 电子技术是一门发展迅速的基础科学，他已经深入到了生产和生活的各 个方面，尤其是计算机的出现，使电子技术在通讯，自控、医疗、航天等自然 科学和人文科学的各个领域，可以说无处不在，一些领域如果离开了电子技术， 将寸步难行。 电子技术的主要部分是电子线路，它由电子元件和电子器件组成，像电容、电 阻、变压器和开关等叫电子元件，二极管、三极管等角电子器件。要搞清楚电 子线路的功能和用途我们必须从组成电子线路的元器件入手，逐步深入的学 习。 第一节 物质的导电性 一 物质的导电的类型： 1. 导体：能够导电的物质叫导体，如铜铁等 2. 绝缘体：不能导电的物质叫绝缘体，如塑料，橡胶，木头等 3. 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的一类物质，生活中见 的较少，但却用得很多，如硅，锗，砷化钾等，它不是导体，也 不是绝缘体，他有些情况下导电，有些情况下不导电。 二 导电的机理 为什麽会出现有些物质导电，有些不导电，而有些物质有时导电有 时不导电？这须从原子结构说起。 Ge si
2 物质是由原子构成的,而原子是由原子核和核外电子组成,原子核 对核外电子有吸引力,核外电子围绕原子核运动,如果核外电子数较多时 电子在外层按照一定的规律分层排列,除最外层电子外,原子核对内层电 子引力较强,最外层电子由于在化学反应中能形成化学键,所以我们叫他 价电子,物质的稳定性主要取决于价电子,对于导体而言,最外层的价电 子受原子核的吸引力很弱,这些价电子在电场力的作用下,就会逆着电场 力的方向运动形成电流,所以这种物质就导电,如果原子核对价电子吸引 力很强,那价电子只在原子核周围运动,即使电场力很强,价电子也不会 在电场力的作用下运动形成电流,所以不导电,就是绝缘体,对有些物质, 原子核对外层电子吸引力很强,一般情况下,这些物质的价电子不能在电 场力的作用下形成电流,这是物质呈绝缘体的性质,但当物质的价电子获 得能量以后就会摆脱原子核的束缚,这种情况下,就会在电场力的作用下 形成电流,这时,这种物质呈导体的性质,像这种有些情况下呈导体性质 有些情况下成绝缘体性质的物质就是半导体。 综上所述,我们可以看出,物质导电的原因是物质的价电子能够自 由移动,也就是说,物质要导电,物质内部必须有可自由移动的电子,没 有自由移动的电子,物质就不导电。 第二节 半导体及其特性 半导体的特性(1学时 上一节讲过,半导体的最外层电子,如果获得能量,就会 摆脱原子核的束缚成为自由电子,半导体就会导电,价电子获 得能量的方法又有两种,一种是给半导体加热,给半导体加热 后半导体的导电性能会增强,这种特性叫半导体的热敏性。另 种方法是光照,我们知道,光具有能量,当光照射到半导体 上时,价电子也可获得能量,而成为自由电子,半导体呈导体 的特性,这种特性叫半导体的光敏性 1.光敏性:光照的情况下,半导体的导电性能增强 2.热敏性:。。。 我们所讲的半导体是指半导体的晶体,非晶体的半导体原子构成的物
2 2 物质是由原子构成的，而原子是由原子核和核外电子组成，原子核 对核外电子有吸引力，核外电子围绕原子核运动，如果核外电子数较多时 电子在外层按照一定的规律分层排列，除最外层电子外，原子核对内层电 子引力较强，最外层电子由于在化学反应中能形成化学键，所以我们叫他 价电子，物质的稳定性主要取决于价电子，对于导体而言，最外层的价电 子受原子核的吸引力很弱，这些价电子在电场力的作用下，就会逆着电场 力的方向运动形成电流，所以这种物质就导电，如果原子核对价电子吸引 力很强，那价电子只在原子核周围运动，即使电场力很强，价电子也不会 在电场力的作用下运动形成电流，所以不导电，就是绝缘体，对有些物质， 原子核对外层电子吸引力很强，一般情况下，这些物质的价电子不能在电 场力的作用下形成电流，这是物质呈绝缘体的性质，但当物质的价电子获 得能量以后就会摆脱原子核的束缚，这种情况下，就会在电场力的作用下 形成电流，这时，这种物质呈导体的性质，像这种有些情况下呈导体性质 有些情况下成绝缘体性质的物质就是半导体。 综上所述，我们可以看出，物质导电的原因是物质的价电子能够自 由移动，也就是说，物质要导电，物质内部必须有可自由移动的电子，没 有自由移动的电子，物质就不导电。 第二节 半导体及其特性 一 半导体的特性 （1 学时） 上一节讲过，半导体的最外层电子，如果获得能量，就会 摆脱原子核的束缚成为自由电子，半导体就会导电，价电子获 得能量的方法又有两种，一种是给半导体加热，给半导体加热 后半导体的导电性能会增强，这种特性叫半导体的热敏性。另 一种方法是光照，我们知道，光具有能量，当光照射到半导体 上时，价电子也可获得能量，而成为自由电子，半导体呈导体 的特性，这种特性叫半导体的光敏性。 1. 光敏性：光照的情况下，半导体的导电性能增强 2. 热敏性：。。。。。。 我们所讲的半导体是指半导体的晶体，非晶体的半导体原子构成的物
质较多晶体,他不具有上述性质。 MACC 个入< 本征半导体 由于我们所说的半导体是半导体晶体,那什麽是晶体,晶体就构成物质 的原子,有规律的排列,每一个硅原子周围有四个硅原子,这四个硅原子处在 正四面体的四个顶点,这一个硅原子处在正四面体的中心,中心位置的硅原子 提供一个电子,其他四个硅原子各提供一个电子,这样,处在中心位置的这个 硅原子与周围的四个硅原子形成共价键,如上图所示。如果杂乱无章的排列 就不是晶体,对一个半导体晶体来说,如果里面没有杂质,而且原子排列整齐, 没有缺陷,这样的一块半导体就叫本征半导体。 这是一种理想状态的半导体,对于这样的一种半导体即使存在,也没有 使用价值,在我们的电子产品中,要用半导体按照人们的愿望和要求来导电, 需要对半导体的导电性能进行改变。通常的方法是掺杂质
3 3 质较多晶体，他不具有上述性质。 二 本征半导体 由于我们所说的半导体是半导体晶体，那什麽是晶体，晶体就构成物质 的原子，有规律的排列，每一个硅原子周围有四个硅原子，这四个硅原子处在 正四面体的四个顶点，这一个硅原子处在正四面体的中心，中心位置的硅原子 提供一个电子，其他四个硅原子各提供一个电子，这样，处在中心位置的这个 硅原子与周围的四个硅原子形成共价键，如上图所示。如果杂乱无章的排列， 就不是晶体，对一个半导体晶体来说，如果里面没有杂质，而且原子排列整齐， 没有缺陷，这样的一块半导体就叫本征半导体。 这是一种理想状态的半导体，对于这样的一种半导体即使存在，也没有 使用价值，在我们的电子产品中，要用半导体按照人们的愿望和要求来导电， 需要对半导体的导电性能进行改变。通常的方法是掺杂质。 +4 +4 +4 +4
空穴 4 < 4 4 1自由电子 束缚电子 三杂质半导体 参杂是有要求的,即参入五价的元素如磷元素,或者三价的元素入硼元 素,不是随意参入杂质。 当参入五价的磷元素以后,半导体中就有了可自由移动的电子,这种半 导体叫N型半导体,可见N型半导体中有可导电电子。 下面是示意图 入X入 多余电子 y 弹原子
4 4 三 杂质半导体 参杂是有要求的，即参入五价的元素如磷元素，或者三价的元素入硼元 素，不是随意参入杂质。 当参入五价的磷元素以后，半导体中就有了可自由移动的电子，这种半 导体叫 N 型半导体，可见 N 型半导体中有可导电电子。 下面是示意图 自由电子 空穴 束缚电子 多余电子 磷原子 + 4 + 4 + 5 + 4 +4 +4 +4 +4
当参入三价的硼元素以后,半导体中就有了可自由移动的空穴,这种半 导体叫P型半导体,可见P型半导体中有可导电空穴 四PN结(1学时) ○ 908880099990 899Olo9Q 99999ooq9??9 8999O099QQQ 1.PN结的形成 当P型半导体和N型半导体接触以后,由于P区的空穴多,空 穴就会向N区扩散,而N区的电子也会向P区扩散,与P区的 空穴中和,这样,在接触面的两侧,因N区一侧失去电子而带 正电,P区一测得到电子而带负电,这样,在接触面的两侧 就会形成一个N区一侧带正电P区一侧带负电的特殊的区域, 这个区域叫PN结,在N结所在的区域内,自由电子和空穴都 中和了,就没有了可自由移动的电子和空穴,所以,这个区域 不导电,又由于整体正负电荷相等,所以不显电性 2.N结特性 N结一侧带正电,另一侧带负电,在这个区域内,就会形成 个电场,这个电场在半导体内部,我们叫他内电场。当我们给
5 5 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 当参入三价的硼元素以后，半导体中就有了可自由移动的空穴，这种半 导体叫 P 型半导体，可见 P 型半导体中有可导电空穴。 四 PN 结（1 学时） 1. PN 结的形成 当 P 型半导体和 N 型半导体接触以后，由于 P 区的空穴多，空 穴就会向 N 区扩散，而 N 区的电子也会向 P 区扩散，与 P 区的 空穴中和，这样，在接触面的两侧，因 N 区一侧失去电子而带 正电，P 区一测得到电子而带负电，这样，在接触面的两侧， 就会形成一个 N 区一侧带正电 P 区一侧带负电的特殊的区域， 这个区域叫 PN 结，在 PN 结所在的区域内，自由电子和空穴都 中和了，就没有了可自由移动的电子和空穴，所以，这个区域 不导电，又由于整体正负电荷相等，所以不显电性。 2. PN 结特性 PN 结一侧带正电，另一侧带负电，在这个区域内，就会形成一 个电场，这个电场在半导体内部，我们叫他内电场。当我们给 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
PN结加一个与内电场一致的电场时,这个区域会扩大,也就是 说不导电的区域会扩大,这种情况下,他不导电;当加一个与 内电场方向相反的电场时,就会使这个区域变薄,甚至消失, 这样由于半导体内又可自由移动电子和空穴,这是他就导电。 他有两个方向,一个方向可以导电,另一个方向不能导电,这 就叫PN结的单向导电性 注意,和内电场方向一致的外电场电压叫反向由压,和内电场方向板反 的外电场的电压叫反向电压 第三节 二极管 结构 二极管有一个PN结,两个区,P区和N区 两个电极,所以叫二极管,他在电路中的符号 及结构图如右图所示 +=“ 二特性曲线 死区电压硅 将加在二极管两个电极之间的 管0.5V,锗管 得电压与流过的电流分别作为坐标 导通压降:硅管 0.V。 轴绘制出电流与电压的关系曲线叫 06-0.7V,锗管 特性曲线 右图中可以看出 反向击 当电压达到一定值以后,电流变化很大 穿电压
6 6 PN 结加一个与内电场一致的电场时，这个区域会扩大，也就是 说不导电的区域会扩大，这种情况下，他不导电；当加一个与 内电场方向相反的电场时，就会使这个区域变薄，甚至消失， 这样由于半导体内又可自由移动电子和空穴，这是他就导电。 他有两个方向，一个方向可以导电，另一个方向不能导电，这 就叫 PN 结的单向导电性。 注意：和内电场方向一致的外电场电压叫反向电压，和内电场方向相反 的外电场的电压叫反向电压。 第三节 二极管 一 结构 二极管有一个 PN 结，两个区，P 区和 N 区， 两个电极，所以叫二极管，他在电路中的符号 及结构图如右图所示 N …… PN 。。。 P .…. 结 。。。 。。。 P 二 特性曲线 将加在二极管两个电极之间的 I 得电压与流过的电流分别作为坐标 轴绘制出电流与电压的关系曲线叫 特性曲线。 右图中可以看出 U 当电压达到一定值以后，电流变化很大 U I 导 通压降 : 硅 管 0.6~0.7V, 锗 管 0.2~0.3 死区电压 硅 管 0.5V,锗管 0.1V。 反向击 穿电压 UBR
而电压却变化较小。眼见头方向是正向电压 另一个反向示范向电压 对于硅管,开启电压为0.7V,对锗管为0.3V 也就是说,对硅管,正向有0.V得电压就有电流流过,有电流流过PN结两端 的电压就是0.V,锗管是0.3V。这也是判断管子材料的重要依据。记住!! 反向是不是一直不通呢?不是!由于二极管反向不道通,但当反向电 压达到一定值以后,二极管反向会突然道通,这种现象叫击穿。是二极管反向 击穿的电压叫反向击穿电压 三击穿的类型 雪崩击穿:当二极管加的反向电压很强时,虽然没有可自由移 动的电子,但仍有少量的电子存在,这种电子,会在反响电场 中获得很大的能量,从而去碰撞其他的原子,使这些原子释 放出电子,释放出的电子又会在反向电场中获得能量,去碰撞 其他原子,这样,在ⅣN结内,一个自由电子,可碰撞产生两 个自由电子,两个自由电子,可碰撞产生四个自由电子,这种 倍增效应现象就像雪崩一样,是本不导通的PN结突然导通, 这种击穿叫雪崩击穿。 齐纳击穿:是强电场的电场力将价电子从原子中拖出,成为自 由电子,使N结突然导通,这种击穿叫齐纳击穿。如果二极 管反向击穿,可能是两种击穿共同作用的结果。这两种击穿是 电击穿,电击穿后管子会发热,如果热不能及时散发后会烧坏 管子,使管子不能恢复原有状态,这种击穿叫热击穿,电击穿 是允许的,但热击穿应尽量得避免 四二极管的主要参数 1.直流参数 最大整流电流Is:流过又不烧坏管子的最大电流。 反向击穿电压 直流电阻:一般+向为几十欧到几千欧,反响几十千欧到几百千欧 反向电流:反向漏过的电流
7 7 而电压却变化较小。眼见头方向是正向电压 另一个反向示范向电压。 对于硅管，开启电压为 0.7V,对锗管为 0.3V 也就是说，对硅管，正向有 0.7V 得电压就有电流流过，有电流流过 PN 结两端 的电压就是 0.7V，锗管是 0.3V。这也是判断管子材料的重要依据。记住！！！ 反向是不是一直不通呢？不是！由于二极管反向不道通，但当反向电 压达到一定值以后，二极管反向会突然道通，这种现象叫击穿。是二极管反向 击穿的电压叫反向击穿电压。 三 击穿的类型： 1. 雪崩击穿：当二极管加的反向电压很强时，虽然没有可自由移 动的电子，但仍有少量的电子存在，这种电子，会在反响电场 中获得很大的能量，从而去碰撞其他的原子，，使这些原子释 放出电子，释放出的电子又会在反向电场中获得能量，去碰撞 其他原子，这样，在 PN 结内，一个自由电子，可碰撞产生两 个自由电子，两个自由电子，可碰撞产生四个自由电子，这种 倍增效应现象就像雪崩一样，是本不导通的 PN 结突然导通， 这种击穿叫雪崩击穿。 2. 齐纳击穿：是强电场的电场力将价电子从原子中拖出，成为自 由电子，使 PN 结突然导通，这种击穿叫齐纳击穿。如果二极 管反向击穿，可能是两种击穿共同作用的结果。这两种击穿是 电击穿，电击穿后管子会发热，如果热不能及时散发后会烧坏 管子，使管子不能恢复原有状态，这种击穿叫热击穿，电击穿 是允许的，但热击穿应尽量得避免。 四 二极管的主要参数 1. 直流参数 最大整流电流 IF：流过又不烧坏管子的最大电流。 反向击穿电压 直流电阻： 一般+向为几十欧到几千欧，反响几十千欧到几百千欧。 反向电流：反向漏过的电流
2.交流参数:二极管的电容 五二极管的种类 1.稳压管 利用反向击穿特性,制成的二极管,在电路中起到稳定电压的作用,这 种管子教稳压管。看反向特性曲线说明。注意散热。 2.整流二极管 将交流两个方向便成一个方向的二极管叫整流二极管,用得很广。 3.发光二极管 用特殊的工艺制成,当有电流流过时,自由电子要回到价电子状态 时将所携带的能量以广的形式释放出来,这样二极管就会发出光来, 这种二极管叫发光二极管。用作指示灯 4.检波二极管 5.光电二极管,将光信号变为电信号的二极管。 第四节 极管 、双极型三极管(2学时) 1.三极管的结构 三层三个区,两个pn结,三个电极组成 根据导电类型的不同有NPN型PNP型 三个区分别叫发射区,基区和集电区,和三个区分别相连 的电极叫叫发射极,基极和集电极,发射区和基区的PN 结叫发射结,基区和集电区之间的N结叫集电结。 2.在电路中的图形符号 NPN
8 8 2.交流参数：二极管的电容 五 二极管的种类 1．稳压管 利用反向击穿特性，制成的二极管，在电路中起到稳定电压的作用，这 种管子教稳压管。看反向特性曲线说明。注意散热。 2. 整流二极管 将交流两个方向便成一个方向的二极管叫整流二极管，用得很广。 3. 发光二极管 用特殊的工艺制成，当有电流流过时，自由电子要回到价电子状态 时将所携带的能量以广的形式释放出来，这样二极管就会发出光来， 这种二极管叫发光二极管。用作指示灯。 4. 检波二极管 5. 光电二极管，将光信号变为电信号的二极管。 第四节 三极管 一、双极型三极管 （2 学时） 1. 三极管的结构 三层三个区，两个 pn 结，三个电极组成 根据导电类型的不同有 NPN 型 PNP 型 三个区分别叫发射区，基区和集电区，和三个区分别相连 的电极叫叫发射极，基极和集电极，发射区和基区的 PN 结叫发射结，基区和集电区之间的 PN 结叫集电结。 2.在电路中的图形符号 NPN PNP
3.三极管的放大作用 三极管在电路中具有放大作用,条件是:发射结加正向电 压集电结加反向电压 以NPN型三极管为例加以说明 由于三极管的发射结记得是正向电压,发射结的PN结会消 失,这时,发射区的电子会在电场里的作用下向基区扩散, 形成发射极电流,进入基区的电子,会分成两部分,已稍部 分和基极流入的正电荷中和,形成基极电流;三极管虽然是 三层结构,但是在制造是,将基区做得很薄,一般是几微米, 这样进入基区的电子,在电场里的作用下,会很快到达集电 结基区一侧(如果基区太厚的话,电子在到达集电结是会损 失很大,就失去了放大作用)由于集电结上加的是反向电压, PN结的区域变厚,电场增强,那样,电子就会在电场里的作 用下从基区漂移进入集电区形成集电极电流。$贰电亨 一个痕小的变化时,黎也實电守一个假大啪变化。能是 黑椒齣大兆。我们可以看出,三极管放大的是电流的 变化量,并不是电流本身被放大。 如果基极电流用I来表示集电极电流用Ic.变化量分别是 AI和I.那三极管的电流放大倍数 B=4I/∠Ib 只要控制了基极电流,那集电极电流就能得到控制,所以三极 管是电流控制器件。在作近似计算时也有 B≈I/I I=βIb 对npn型三个电极之间的电流关系是 IE =Ic+IB=B IB+IB=(1+B)IB 4.管的共射特性曲线
9 9 3.三极管的放大作用： 三极管在电路中具有放大作用，条件是：发射结加正向电 压集电结加反向电压。 以 NPN 型三极管为例加以说明： 由于三极管的发射结记得是正向电压，发射结的 PN 结会消 失，这时，发射区的电子会在电场里的作用下向基区扩散， 形成发射极电流，进入基区的电子，会分成两部分，已稍部 分和基极流入的正电荷中和，形成基极电流；三极管虽然是 三层结构，但是在制造是，将基区做得很薄，一般是几微米， 这样进入基区的电子，在电场里的作用下，会很快到达集电 结基区一侧（如果基区太厚的话，电子在到达集电结是会损 失很大，就失去了放大作用）由于集电结上加的是反向电压， PN 结的区域变厚，电场增强，那样，电子就会在电场里的作 用下从基区漂移进入集电区形成集电极电流。当基极电流有 一个很小的变化时，集电极电流有一个很大的变化。这就是 三极管的放大机理。我们可以看出，三极管放大的是电流的 变化量，并不是电流本身被放大。 如果基极电流用 Ib 来表示集电极电流用 IC，变化量分别是： ⊿Ib和⊿IC，那三极管的电流放大倍数 β＝⊿IC/⊿Ib 只要控制了基极电流，那集电极电流就能得到控制，所以三极 管是电流控制器件。在作近似计算时也有 β≈IC/Ib IC=βIb 对 npn 型三个电极之间的电流关系是 IE =IC+IB=βIB+IB=(1+β)IB ４． 管的共射特性曲线
不同的基极电流决定不同的曲线 如图所示 当IB为0时,发射极与集 电极之间有两个背靠背得P N结,发射极与集电极之间 几乎没有电流,所以不通, 这种状态叫截至状态。从图 中还可以看出,当基极电流 定是,随着集电极与发射 极之间的电压增加,开始时, 集电极电流变化很大,当电 压增加到一定的值以后,随着 电压的增加,电流变化不大,把途中拐弯的点连起来的 曲线将电流变化分成两个区,随电压的增加,电流变化 加大的区域叫饱和区,电流变化比较平直的区域叫放大 区。所以,特性曲线图总共有三个区分别是,饱和区, 放大区和截止区。在放大电路中,三极管就工作在放大 区。模拟电路中,三极管都工作在放大区,数字电路中, 三极管工作在饱和区或者截止区,这点以后在讲 5.三极管的主要参数 (1)电流放大倍数:B=∠Ic/∠Ib B≈Ic/I (2)极间反向电流: Iε=0集电极与基极之间的反向电流IcBo IB=0集电极与发射极之间的反向饱和电流IcEo 又叫穿透电流 (3)极限参数 最大集电极电流IcM 集电极最大允许功耗PcM
10 10 不同的基极电流决定不同的曲线 如图所示 当 IB为０时，发射极与集 电极之间有两个背靠背得Ｐ Ｎ结，发射极与集电极之间 几乎没有电流，所以不通， 这种状态叫截至状态。从图 中还可以看出，当基极电流 一定是，随着集电极与发射 极之间的电压增加，开始时， 集电极电流变化很大，当电 压增加到一定的值以后，随着 电压的增加，电流变化不大，把途中拐弯的点连起来的 曲线将电流变化分成两个区，随电压的增加，电流变化 加大的区域叫饱和区，电流变化比较平直的区域叫放大 区。所以，特性曲线图总共有三个区分别是，饱和区， 放大区和截止区。在放大电路中，三极管就工作在放大 区。模拟电路中，三极管都工作在放大区，数字电路中， 三极管工作在饱和区或者截止区，这点以后在讲。 ５． 三极管的主要参数 （１）电流放大倍数： β＝⊿IC/⊿Ib β≈IC/Ib （２）极间反向电流： IE＝０集电极与基极之间的反向电流 ICＢＯ IＢ＝０集电极与发射极之间的反向饱和电流 ICＥＯ 又叫穿透电流 （３）极限参数 最大集电极电流 ICＭ 集电极最大允许功耗ＰＣＭ 1 2 3 4 U CE ( V ) 3 6 9 1 2