半導體的特性1本征半導體2雜質半導體3第14章半導體器件14.1半導體的導電特性能力目標情感目標知識目標1.了解半導體的概念

2.掌握半導體的導電特性3.掌握本征半導體和雜質半導體的區別1.培養學生善于觀察的能力。2.培養學生的分析能力、歸納總結能力。1.培養學生的協作意識和創新意識。2.增強學生學習專業知識的信心。教學目標本征激發與雜質半導體重點難點兩種載流子重點/難點

自然界中的物質，按其導電能力可分為三大類：

導體、半導體和絕緣體。半導體材料：硅，鍺獨特的導電特性1.熱敏性：T2.光敏性：光照

3.摻雜性：摻入微量元素導電能力導電能力導電能力+14

硅原子結構

+4簡化模型完全純凈的具有晶體結構的半導體。本征半導體4價元素

4

4

4

4

4

4晶體結構——純凈半導體原子排列整齊共價鍵結構——兩個相鄰原子共有一對價電子,價電子受相鄰原子核的束縛,處于相對穩定狀態。共價鍵共價鍵結構

4

4

4

4

4

4受熱或光照后，某些價電子掙脫束縛成為自由電子。本征激發共價鍵結構

4

4

4

4

4

4本征激發顯然，自由電子帶負電，可以參與導電，稱為載流子共價鍵結構

4

4

4

4

4

4自由電子共價鍵結構

4

4

4

4

4

4自由電子空穴本征激發兩種載流子：

自由電子空穴

成對出現共價鍵結構

4

4

4

4

4

4電子電流——電場作用下，自由電子的定向移動。自由電子電場電子電流共價鍵結構

4

4

4

4

4

4實質上是電子遞補空穴電流空穴電流——電場作用下，電子依次遞補空穴的運動。電場共價鍵結構

4

4

4

4

4

4電場空穴電流電子電流兩種載流子導電，是半導體導電的重要特征，也是其與金屬導體在導電機理上的本質區別。

一定溫度下，激發和復合運動達到了動態平衡，于是，載流子維持一定數目。具有了一定的導電能力。可是室溫下，半導體由于本征激發產生的載流子很少，所以導電能力很弱，半導體沒有實際應用價值，實際應用的為雜質半導體。課外思考題空穴帶電嗎？本征激發產生的自由電子和空穴的數目應該是______？本征半導體帶電嗎？在本征半導體中，電子濃度和空穴濃度相等嗎？

1、本征半導體中電子空穴成對出現，且數量少。

2、半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電。

3、本征半導體導電能力弱，并與溫度有關。

4、半導體是不帶電的。

5、在本征半導體中，電子濃度和空穴濃度是相等的。總結雜質半導體N型半導體——摻入5價元素

P型半導體——摻入3價元素雜質半導體——在本征半導體中摻入適量的雜質元素(非半導體元素)。5價元素——磷、砷等。3價元素——硼、鎵、銦等。N型半導體

4

4

4

4

4

5+5

多一個價電子摻雜N型半導體

4

4

4

4

4

5多子-------電子少子-------空穴+5

摻雜本征激發

4N型半導體示意圖電子正離子P型半導體

4

4

4

4

4

3多一個空穴+3

摻雜多子-------空穴少子-------電子P型半導體

4

4

4

4

4

3+3

P型半導體示意圖負離子空穴摻雜本征激發

1.在雜質半導體中多子的數量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

2.在雜質半導體中少子的數量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

3.當溫度升高時，少子的數量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba課堂練習

1.在N型半導體中，自由電子為多數載流子，空穴為少數載流子。在P型半導體中，空穴為多數載流子，自由電子為少數載流子。

2.雜質離子雖然帶電荷，但不能移動。

3.雜質半導體中雖然有一種載流子占多數，但整個半導體仍呈電中性。

4.雜質半導體的導電性能主要取決于多子濃度，多子濃度主要取決于摻雜濃度。少子濃度主要與本征激發有關。

5.少子主要有本征激發產生，因此少子對溫度敏感，其大小隨溫度的升高而增大。總結1.PN結的形成

在一塊完整的本征硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導體，另一邊形成P型半導體，在這兩種雜質半導體的交界面附近就會形成一個具有特殊性質的薄層（正離子或負離子的區域），這個特殊的薄層就是PN結14.2PN結及其單向導電性PN結的形成

N區P區負離子空穴正離子電子正負電荷中和，不帶電空間電荷區（耗盡層）內電場P區N區擴散運動——濃度差造成運動。復合——自由電子填補空穴，兩者同時消失的現象。漂移運動——載流子在電場力作用下的運動。多子擴散運動少子漂移運動暴露了失去電子的正離子暴露了失去空穴的負離子

第二節PN結空間電荷區（耗盡層）內電場P區N區濃度差→多子擴散運動→復合→產生內電場→阻礙多子擴散→有利少子漂移運動→擴散運動和漂移運動達到動態平衡→形成一定寬度PN結多子擴散運動少子漂移運動PN結

PNPN結:

P區和N區交界面處形成的區域空間電荷區:

區內只剩離子,帶電耗盡層:

區內載流子少名稱內電場電位差約為零點幾伏寬度為幾微米~到幾十微米外加正向電壓——導通外加反向電壓——截止P接“+”N接“-”P接“-”N接“+”2.PN結的單向導電性內電場RE外電場P區N區ID外加正向電壓外電場抵削內電場,有利于多子的擴散很大限流,防止電流太大PN結多子中和部分離子,使空間電荷區變窄REP區N區I反外加反向電壓外電場增強內電場,有利于少子的漂移很小PN結內電場外電場少子背離PN結移動，,空間電荷區變寬理想狀態下，我們忽略反向電流，認為PN結正向偏置導通，反向偏置截止——PN結的單向導電性。3.PN結的擊穿特性

反向擊穿——當加于PN結兩端的反向電壓增大到一定值時，PN結的反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大，這種現象稱為反向擊穿。電擊穿——若反向電壓下降到擊穿電壓以下后，其性能可恢復到原有情況，即這種擊穿是可逆的，稱為電擊穿。熱擊穿——若反向擊穿電流過大，則會導致PN結結溫過高而燒壞，這種擊穿是不可逆的，稱為熱擊穿。討論題

反向擊穿后，PN結就損壞了嗎？陽極陰極+-符號3.分類：按材料硅二極管鍺二極管按結構分點接觸型面接觸型平面型1.構成：2.符號：PN二極管的實質是PN結，所以它一定具有單向導電性14.3

半導體二極管14.3.1基本結構點接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負極引線負極引線

面接觸型N型鍺PN結

正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極

引線負極

引線集成電路中平面型pNP型支持襯底14.3.2伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區電壓二極管才能導通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內保持常數。14.3.3主要參數1.

最大整流電流

IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.

反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。3.

反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。二極管電路分析舉例

定性分析：判斷二極管的工作狀態導通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向導通時正向管壓降為零，反向截止時二極管相當于斷開。ui>8V，二極管導通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例1：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關、元件保護、溫度補償等。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例2：

取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例3:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–14.4

穩壓二極管1.符號

UZIZIZMUZ

IZ2.伏安特性穩壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻穩壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩壓管在電路中可起穩壓作用。_+UIO3.主要參數(1)穩定電壓UZ

穩壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)電壓溫度系數ｕ環境溫度每變化1C引起穩壓值變化的百分數。(3)動態電阻(4)穩定電流IZ、最大穩定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩壓性能愈好。光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加符號發光二極管有正向電流流過時，發出一定波長范圍的光，目前的發光管可以發出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾~幾十mA光電二極管發光二極管14.5

半導體三極管14.5.1基本結構NNP基極發射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管基區：最薄，摻雜濃度最低發射區：摻雜濃度最高發射結集電結BECNNP基極發射極集電極結構特點：集電區：面積最大以NPN型三極管為例討論圖三極管中的兩個PN結cNNPebbec表面看三極管若實現放大，必須從三極管內部結構和外部所加電源的極性來保證。不具備放大作用14.5.2電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發射結正偏、集電結反偏

PNP發射結正偏VB<VE集電結反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發射結正偏VB>VE集電結反偏VC>VB

2.各電極電流關系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結論:1）三電極電流關系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實質:用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化.3.三極管內部載流子的運動規律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區空穴向發射區的擴散可忽略。發射結正偏，發射區電子不斷向基區擴散，形成發射極電流IE。

進入P區的電子少部分與基區的空穴復合，形成電流IBE，多數擴散到集電結。從基區擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。3.三極管內部載流子的運動規律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBE

ICE與IBE之比稱為共發射極電流放大倍數集－射極穿透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則

ICICE014.5.3特性曲線即管子各電極電壓與電流的關系曲線，是管子內部載流子運動的外部表現，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據。為什么要研究特性曲線：

1）直觀地分析管子的工作狀態

2）合理地選擇偏置電路的參數，設計性能良好的電路重點討論應用最廣泛的共發射極接法的特性曲線發射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發射極電路輸入回路輸出回路測量晶體管特性的實驗線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.輸入特性特點:非線性死區電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。正常工作時發射結電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區輸出特性曲線通常分三個工作區：(1)放大區在放大區有IC=IB

，也稱為線性區，具有恒流特性。在放大區，發射結處于正向偏置、集電結處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區IB<0以下區域為截止區，有IC0

。在截止區發射結處于反向偏置，集電結處于反向偏置，晶體管工作于截止狀態。飽和區截止區（3）飽和區

當UCEUBE時，晶體管工作于飽和狀態。在飽和區，IBIC，發射結處于正向偏置，集電結也處于正偏。

深度飽和時，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。14.5.4主要參數1.電流放大系數，直流電流放大系數交流電流放大系數當晶體管接成發射極電路時，表示晶體管特性的數據稱為晶體管的參數，晶體管的參數也是設計電路、選用晶體管的依據。注意：和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下，兩者數值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。在以