第1章 半导体分立器件

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1、电工学电工学2电电 子子 技技 术术1.1 1.1 半导体的基本知识与半导体的基本知识与PNPN结结1.2 1.2 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路1.3 1.3 放大电路的基本概念及其性能指标放大电路的基本概念及其性能指标1.4 1.4 三极管及其放大电路三极管及其放大电路1.6 1.6 多级放大电路多级放大电路第一章第一章 半导体器件及基本电路半导体器件及基本电路一、半导体一、半导体 在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。绝缘体和半导体。 自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称

2、为导体导体，金属一般，金属一般都是导体。都是导体。 有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮、陶，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。瓷、塑料和石英。 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。化物等。1.1 1.1 半导体的基本知识与半导体的基本知识与PNPN结结 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。比如：同于其它物质的特点。比如：当受外界热和光的作用时当受外界热

3、和光的作用时,它的导电能力明显变化。它的导电能力明显变化。纯净的半导体中掺入某些杂质纯净的半导体中掺入某些杂质,会使其导电能力会使其导电能力 明显改变。明显改变。如光敏电阻如光敏电阻, ,热敏电阻。热敏电阻。 可增加几十万至几百万倍。例如在纯硅中掺入百万分之一可增加几十万至几百万倍。例如在纯硅中掺入百万分之一的硼后，硅的电阻率就从大约的硼后，硅的电阻率就从大约 2x102x103 3 m m减小到减小到 4x104x10-3-3 m m左右左右利用这种特性就做成了各种不同用途的半导体器件。利用这种特性就做成了各种不同用途的半导体器件。 如二极管、三极管如二极管、三极管 、场效应管及晶闸管。、场

4、效应管及晶闸管。 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi1、本征半导体本征半导体二、本征二、本征半导体半导体通过一定的提纯工艺过程，可以将半导体制成通过一定的提纯工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为 本征半导体本征半导体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵， 每个原子都处在正四面体的中心，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的

5、顶点，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成每个原子与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电子。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%99.9999999%，常称为常称为“九个九个9”9”。2 2、本征半导体的晶体结构、本征半导体的晶体结构束缚电子束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键共用电子对共价键共用电子对+4+4表示除去价表示除去价电子后的原子电子后的原子 共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。3 3、本征半

6、导体的导电机理、本征半导体的导电机理 当温度升高或受到当温度升高或受到光的照射时，束缚光的照射时，束缚电子能量增高，有电子能量增高，有的电子可以挣脱原的电子可以挣脱原子核的束缚，而参子核的束缚，而参与导电，成为与导电，成为自由自由电子电子。 自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来的共同时，在其原来的共价键中就出现了一个价键中就出现了一个空位，称为空位，称为空穴空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。空穴运动相当于空穴运动相当于正电荷的运动。正电荷的运动。复合复合 当半导体两端加上外电压时当半导体两端

7、加上外电压时, ,半导体中将出现两部分半导体中将出现两部分电流电流: :一是自由电子作定向运动所形成的一是自由电子作定向运动所形成的电子电流电子电流, ,一是应一是应被原子核束缚的价电子被原子核束缚的价电子( (注意注意, ,不是自由电子）递补空穴所不是自由电子）递补空穴所形成的形成的空穴电流空穴电流。 在半导体中，同时存在着在半导体中，同时存在着电子导电电子导电和和空穴导电空穴导电，这是半导体导，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴都称为载流子。 本征半导体中

8、的自由电子和空穴总是成对出现的，同时又不断本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现的，同时又不断地复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，于是地复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，于是半导体中的载流子（自由电子和空穴）维持一定数目。温度越高，半导体中的载流子（自由电子和空穴）维持一定数目。温度越高，载流子数目越多，导电性能也就越好。所以，载流子数目越多，导电性能也就越好。所以，温度对半导体器温度对半导体器件性能的影响很大。件性能的影响很大。 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。半导体的导电性能

9、发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。 使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型型半导体半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为半导体称为P型半导体型半导体（空穴半导体）。（空穴半导体）。三、杂质半导体三、杂质半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数载流子自由电子自由电子 少数载流子少数载流子 空穴空穴自由电子自由电子+N型半导体1.1. N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价

10、杂质元素，例如磷，砷等，在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等， 称为称为N型半导体型半导体。 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4 多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子2.2. P型半导体型半导体P P型半导体型半导体1、N型半导体中自由电子是多子，其中大部分是掺型半导体中自由电子是多子，其中大部分是掺杂提供的自由电子，本征半导体中本征激发产生杂提供的自由电子，本征半导体中本征激发产生的自由电子只占少数。的自由电子只占少数。 N型半导体中

11、空穴是少子，型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质近似认为多子与杂质浓度相等。浓度相等。2、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。总总 结结内电场E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。 PN PN结合处结合处+P型半导体+N型半导体+空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层 1 . P