電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第1頁(yè)年9月制作曾令琴主編曾令琴半導(dǎo)體基礎(chǔ)概念二極管單、雙極刑三極管電子技術(shù)中常見半導(dǎo)體器件主要講課內(nèi)容第5章電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第2頁(yè)第6章電子技術(shù)中常見半導(dǎo)體器件6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)6.3特殊二極管6.4雙極型二極管6.5單極型三極管6.2半導(dǎo)體二極管第1頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第3頁(yè)

物質(zhì)按導(dǎo)電能力不一樣可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體3類。日常生活中接觸到金、銀、銅、鋁等金屬都是良好導(dǎo)體，它們電導(dǎo)率在105S·cm-1量級(jí)；而像塑料、云母、陶瓷等幾乎不導(dǎo)電物質(zhì)稱為絕緣體，它們電導(dǎo)率在10-22~10-14S·cm-1量級(jí)；導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間物質(zhì)稱為半導(dǎo)體，它們電導(dǎo)率在10-9~102S·cm-1量級(jí)。自然界中屬于半導(dǎo)體物質(zhì)有很各種類，當(dāng)前用來(lái)制造半導(dǎo)體器件材料大多是提純后單晶型半導(dǎo)體，主要有硅(Si)、鍺(Ge)和砷化鎵（GaAs)等。

6.1

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第4頁(yè)（1）經(jīng)過(guò)摻入雜質(zhì)可顯著地改變半導(dǎo)體電導(dǎo)率。比如，室溫30°C時(shí)，在純凈鍺中摻入一億分之一雜質(zhì)（稱摻雜），其電導(dǎo)率會(huì)增加幾百倍。

（2）溫度可顯著地改變半導(dǎo)體電導(dǎo)率。利用這種熱敏效應(yīng)可制成熱敏器件，但另首先，熱敏效應(yīng)使半導(dǎo)體熱穩(wěn)定性下降。所以，在半導(dǎo)體組成電路中常采取溫度賠償及穩(wěn)定參數(shù)等辦法。（3）光照不但可改變半導(dǎo)體電導(dǎo)率，還能夠產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這就是半導(dǎo)體光電效應(yīng)。利用光電效應(yīng)可制成光敏電阻、光電晶體管、光電耦合器和光電池等。光電池已在空間技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，為人類利用太陽(yáng)能提供了遼闊前景。

半導(dǎo)體之所以得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樗幸韵绿卣鳌?/p>

1.

半導(dǎo)體獨(dú)特征能第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第5頁(yè)

由此能夠看出：半導(dǎo)體不但僅是電導(dǎo)率與導(dǎo)體有所不一樣，而且具備上述特有性能，正是利用這些特征，使今天半導(dǎo)體器件取得了舉世矚目標(biāo)發(fā)展。2.本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體（1）天然硅和鍺提純后形成單晶體，稱為本征半導(dǎo)體普通情況下，本征半導(dǎo)體中載流子濃度很小，其導(dǎo)電能力較弱，且受溫度影響很大，不穩(wěn)定，所以其用途還是很有限。硅和鍺簡(jiǎn)化原子模型。這是硅和鍺組成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖晶體結(jié)構(gòu)中共價(jià)鍵含有很強(qiáng)結(jié)協(xié)力，在熱力學(xué)零度和沒有外界能量激發(fā)時(shí)，價(jià)電子沒有能力擺脫共價(jià)鍵束縛，這時(shí)晶體中幾乎沒有自由電子，所以不能導(dǎo)電第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第6頁(yè)

當(dāng)半導(dǎo)體溫度升高或受到光照等外界原因影響時(shí)，一些共價(jià)鍵中價(jià)電子因熱激發(fā)而取得足夠能量，因而能脫離共價(jià)鍵束縛成為自由電子，同時(shí)在原來(lái)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為“空穴”?？昭ㄗ杂呻娮颖菊靼雽?dǎo)體中產(chǎn)生電子—空穴正確現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。顯然在外電場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩個(gè)別電流：一是自由電子作定向運(yùn)動(dòng)形成電子電流，一是仍被原子核束縛價(jià)電子（不是自由電子）遞補(bǔ)空穴形成空穴電流。

共價(jià)鍵中失去電子出現(xiàn)空穴時(shí)，相鄰原子價(jià)電子比較輕易離開它所在共價(jià)鍵填補(bǔ)到這個(gè)空穴中來(lái)，使該價(jià)電子原來(lái)所在共價(jià)鍵中又出現(xiàn)一個(gè)空穴，這個(gè)空穴又可被相鄰原子價(jià)電子填補(bǔ)，再出現(xiàn)空穴，如右圖所表示。在半導(dǎo)體中同時(shí)存在自由電子和空穴兩種載流子參加導(dǎo)電，這種導(dǎo)電機(jī)理和金屬導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理含有本質(zhì)上區(qū)分。第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第7頁(yè)

在純凈硅（或鍺）中摻入微量磷或砷等五價(jià)元素，雜質(zhì)原子就替換了共價(jià)鍵中一些硅原子位置，雜質(zhì)原子四個(gè)價(jià)電子與周圍硅原子結(jié)成共價(jià)鍵，剩下一個(gè)價(jià)電子處于共價(jià)鍵之外，很輕易擺脫雜質(zhì)原子束縛被激發(fā)成自由電子。同時(shí)雜質(zhì)原子因?yàn)槭ヒ粋€(gè)電子而變成帶正電荷離子，這個(gè)正離子固定在晶體結(jié)構(gòu)中，不能移動(dòng)，所以它不參加導(dǎo)電。

雜質(zhì)離子產(chǎn)生自由電子不是共價(jià)鍵中價(jià)電子，所以與本征激發(fā)不一樣，它不會(huì)產(chǎn)生空穴。因?yàn)槎喑鲭娮邮请s質(zhì)原子提供，故將雜質(zhì)原子稱為施主原子。

摻入五價(jià)元素雜質(zhì)半導(dǎo)體，其自由電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴濃度，所以稱為電子型半導(dǎo)體，也叫做N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，自由電子為多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子），空穴為少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）；不能移動(dòng)離子帶正電。

（2）雜質(zhì)半導(dǎo)體相對(duì)金屬導(dǎo)體而言，本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少，所以導(dǎo)電能力依然很低。在假如在其中摻入微量雜質(zhì)，將使半導(dǎo)體導(dǎo)電性能發(fā)生顯著改變，咱們把這些摻入雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體能夠分為N型和P型兩大類。

N型半導(dǎo)體第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第8頁(yè)不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，即使都有一個(gè)載流子占多數(shù)，但晶體中帶電粒子正、負(fù)電荷數(shù)相等，依然呈電中性而不帶電。應(yīng)注意：P型半導(dǎo)體

在P型半導(dǎo)體中，因?yàn)殡s質(zhì)原子能夠接收一個(gè)價(jià)電子而成為不能移動(dòng)負(fù)離子，故稱為受主原子。

摻入三價(jià)元素雜質(zhì)半導(dǎo)體，其空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子濃度，所以稱為空穴型半導(dǎo)體，也叫做P型半導(dǎo)體。在硅（或鍺）晶體中摻入微量三價(jià)元素雜質(zhì)硼（或其它），硼原子在取代原晶體結(jié)構(gòu)中原子并組成共價(jià)鍵時(shí)，將因缺乏一個(gè)價(jià)電子而形成一個(gè)空穴。當(dāng)相鄰共價(jià)鍵上電子受到熱振動(dòng)或在其它激發(fā)條件下取得能量時(shí)，就有可能填補(bǔ)這個(gè)空穴，使硼原子得電子而成為不能移動(dòng)負(fù)離子；而原來(lái)硅原子共價(jià)鍵則因缺乏一個(gè)電子，出現(xiàn)一個(gè)空穴。于是半導(dǎo)體中空穴數(shù)目大量增加?？昭ǔ蔀槎鄶?shù)載流子，而自由電子則成為少數(shù)載流子。

第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第9頁(yè)正負(fù)空間電荷在交界面兩側(cè)形成一個(gè)由N區(qū)指向P區(qū)電場(chǎng)，稱為內(nèi)電場(chǎng)，它對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻擋作用，所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。同時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)對(duì)少數(shù)載流子起推進(jìn)作用，把少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下有規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。

3.PN結(jié)

P型和N型半導(dǎo)體并不能直接用來(lái)制造半導(dǎo)體器件。通常是在N型或P型半導(dǎo)體局部再摻入濃度較大三價(jià)或五價(jià)雜質(zhì)，使其變?yōu)镻型或N型半導(dǎo)體，在P型和N型半導(dǎo)體交界面就會(huì)形成PN結(jié)。PN結(jié)是組成各種半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)。

左圖所表示是一塊晶片，兩邊分別形成P型和N型半導(dǎo)體。為便于了解，圖中P區(qū)僅畫出空穴（多數(shù)載流子）和得到一個(gè)電子三價(jià)雜質(zhì)負(fù)離子，N區(qū)僅畫出自由電子（多數(shù)載流子）和失去一個(gè)電子五價(jià)雜質(zhì)正離子。依據(jù)擴(kuò)散原理，空穴要從濃度高P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散，自由電子要從濃度高N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，并在交界面發(fā)生復(fù)合(耗盡），形成載流子極少正負(fù)空間電荷區(qū)如圖中間區(qū)域，這就是PN結(jié)，又叫耗盡層。第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第10頁(yè)空間電荷區(qū)

PN結(jié)中擴(kuò)散和漂移是相互聯(lián)絡(luò)，又是相互矛盾。在一定條件（比如溫度一定）下，多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐步減弱，而少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)則逐步增強(qiáng)，最終二者到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)寬度基礎(chǔ)穩(wěn)定下來(lái)，PN結(jié)就處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++PN結(jié)形成演示依據(jù)擴(kuò)散原理，空穴要從濃度高P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散，自由電子要從濃度高N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，并在交界面發(fā)生復(fù)合(耗盡），形成載流子極少正負(fù)空間電荷區(qū)（如上圖所表示），也就是PN結(jié)，又叫耗盡層。

P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第11頁(yè)少子漂移

擴(kuò)散與漂移到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡形成一定寬度PN結(jié)多子擴(kuò)散

形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)

促使阻止第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第12頁(yè)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)相互聯(lián)絡(luò)又相互矛盾，擴(kuò)散使空間電荷區(qū)加寬，促使內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，同時(shí)對(duì)多數(shù)載流子繼續(xù)擴(kuò)散阻力增大，但使少數(shù)載流子漂移增強(qiáng)；漂移使空間電荷區(qū)變窄，電場(chǎng)減弱，又促使多子擴(kuò)散輕易進(jìn)行。繼續(xù)討論當(dāng)漂移運(yùn)動(dòng)到達(dá)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相等時(shí)，PN結(jié)便處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。能夠想象，在平衡狀態(tài)下，電子從N區(qū)到P區(qū)擴(kuò)散電流必定等于從P區(qū)到N區(qū)漂移電流，一樣，空穴擴(kuò)散電流和漂移電流也必定相等。即總多子擴(kuò)散電流等于總少子漂移電流，且二者方向相反。

在無(wú)外電場(chǎng)或其它原因激發(fā)時(shí)，PN結(jié)處于平衡狀態(tài)，沒有電流經(jīng)過(guò)，空間電荷區(qū)寬度一定。

因?yàn)榭臻g電荷區(qū)內(nèi)，多數(shù)載流子或已擴(kuò)散到對(duì)方，或被對(duì)方擴(kuò)散過(guò)來(lái)多數(shù)載流子復(fù)合掉了，即多數(shù)載流子被耗盡了，所以空間電荷區(qū)又稱為耗盡層，其電阻率很高，為高阻區(qū)。擴(kuò)散作用越強(qiáng)，耗盡層越寬。

PN結(jié)含有電容效應(yīng)。結(jié)電容是由耗盡層引發(fā)。耗盡層中有不能移動(dòng)正、負(fù)離子，各含有一定電量，當(dāng)外加電壓使耗盡層變寬時(shí)，電荷量增加，反之，外加電壓使耗盡層變窄時(shí)，電荷量減小。這么耗盡層中電荷量隨外加電壓改變而改變時(shí)，就形成了電容效應(yīng)。

第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第13頁(yè)3.PN結(jié)單向?qū)щ娦訮N結(jié)含有單向?qū)щ娞卣?，也是由PN結(jié)組成半導(dǎo)體器件主要工作機(jī)理。PN結(jié)外加正向電壓（也叫正向偏置）時(shí)，如左下列圖所表示：正向偏置時(shí)外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，內(nèi)電場(chǎng)被減弱，多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大大超出少子漂移運(yùn)動(dòng)，N區(qū)電子不停擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)空穴也不停擴(kuò)散到N區(qū)，形成較大正向電流，這時(shí)稱PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第14頁(yè)P(yáng)端引出極接電源負(fù)極，N端引出極電源正極接法稱為反向偏置；反向偏置時(shí)內(nèi)、外電場(chǎng)方向相同，所以內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，致使多子擴(kuò)散難以進(jìn)行，即PN結(jié)對(duì)反向電壓呈高阻特征；反偏時(shí)少子漂移運(yùn)動(dòng)即使被加強(qiáng)，但因?yàn)閿?shù)量極小，反向電流

IR普通情況下可忽略不計(jì)，此時(shí)稱PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。PN結(jié)“正偏導(dǎo)通，反偏阻斷”稱為其單向?qū)щ娦再|(zhì)，這正是PN結(jié)組成半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)。

第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第15頁(yè)討論題

半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理與金屬導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理有本質(zhì)區(qū)分：金屬導(dǎo)體中只有一個(gè)載流子—自由電子參加導(dǎo)電，半導(dǎo)體中有兩種載流子—自由電子和空穴參加導(dǎo)電，而且這兩種載流子濃度能夠經(jīng)過(guò)在純凈半導(dǎo)體中加入少許有用雜質(zhì)加以控制。半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理和導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理有什么區(qū)分？

雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子和少子性質(zhì)取決于雜質(zhì)外層價(jià)電子。若摻雜是五價(jià)元素，則因?yàn)槎嚯娮有纬蒒型半導(dǎo)體：多子是電子，少子是空穴；假如摻入是三價(jià)元素，就會(huì)因?yàn)樯匐娮佣M成P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中空穴多于電子，且這些空穴很輕易讓附近價(jià)電子跳過(guò)來(lái)填補(bǔ)，所以價(jià)電子填補(bǔ)空穴空穴運(yùn)動(dòng)是主要形式，所以多子是空穴，少子是電子。雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子和少數(shù)載流子是怎樣產(chǎn)生？為何P型半導(dǎo)體中空穴多于電子？

N型半導(dǎo)體中含有多數(shù)載流子電子，同時(shí)還有與電子數(shù)量相同正離子及由本征激發(fā)電子—空穴對(duì)，所以整塊半導(dǎo)體中正負(fù)電荷數(shù)量相等，呈電中性而不帶電。N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是電子，能否定為這種半導(dǎo)體就是帶負(fù)電？為何？

空間電荷區(qū)電阻率為何很高？何謂PN結(jié)單向?qū)щ娦?？?頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第16頁(yè)

2.半導(dǎo)體在熱（或光照等）作用下產(chǎn)生電子、空穴對(duì)，這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)；電子、空穴對(duì)不停激發(fā)產(chǎn)生同時(shí)，運(yùn)動(dòng)中電子又會(huì)“跳進(jìn)”另一個(gè)空穴，重新被共價(jià)鍵束縛起來(lái)，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合，即復(fù)合中電子空穴對(duì)被“吃掉”。在一定溫度下，電子、空穴正確產(chǎn)生和復(fù)合都在不停地進(jìn)行，最終處于一個(gè)平衡狀態(tài)，平衡狀態(tài)下半導(dǎo)體中載流子濃度一定。

1.半導(dǎo)體中少子即使?jié)舛群艿?，但少子?duì)溫度非常敏感，即溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。而多子因濃度基礎(chǔ)上等于雜質(zhì)原子濃度，所以基礎(chǔ)上不受溫度影響。

4.PN結(jié)單向?qū)щ娦允侵福篜N結(jié)正向電阻很小，所以正向偏置時(shí)電流極易經(jīng)過(guò)；同時(shí)PN結(jié)反向電阻很大，反向偏置時(shí)電流基礎(chǔ)為零。問(wèn)題探討

3.空間電荷區(qū)電阻率很高，是指它內(nèi)電場(chǎng)總是妨礙多數(shù)載流子（電流）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)作用，因?yàn)檫@種妨礙作用，使得擴(kuò)散電流難以經(jīng)過(guò)，也就是說(shuō)，空間電荷區(qū)對(duì)擴(kuò)散電流展現(xiàn)高阻。第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第17頁(yè)6.2

半導(dǎo)體二極管1.二極管結(jié)構(gòu)和類型一個(gè)PN結(jié)加上對(duì)應(yīng)電極引線并用管殼封裝起來(lái)，就組成了半導(dǎo)體二極管，簡(jiǎn)稱二極管，接在P型半導(dǎo)體一側(cè)引出線稱為陽(yáng)極；接在N型半導(dǎo)體一側(cè)引出線稱為陰極。半導(dǎo)體二極管按其結(jié)構(gòu)不一樣可分為點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類。點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積很小，因而結(jié)電容小，適合用于高頻幾百兆赫茲下工作，但不能經(jīng)過(guò)很大電流。主要應(yīng)用于小電流整流和高頻時(shí)檢波、混頻及脈沖數(shù)字電路中開關(guān)元件等。

面接觸型二極管PN結(jié)面積大，因而能經(jīng)過(guò)較大電流，但其結(jié)電容也小，只適合用于較低頻率下整流電路中。參看二極管實(shí)物圖第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第18頁(yè)2.二極管伏安特征

二極管電路圖符號(hào)如右圖所表示：（1）正向特征二極管外加正向電壓較小時(shí)，外電場(chǎng)不足以克服內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散阻力，PN結(jié)仍處于截止?fàn)顟B(tài)。

反向電壓大于擊穿電壓時(shí)，反向電流急劇增加。正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流

伴隨正向電壓增大快速上升。通常死區(qū)電壓硅管約為0.5V，鍺管約為0.2V。（2）反向特征外加反向電壓時(shí)，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，反向電流很小；

顯然二極管伏安特征不是直線，所以屬于非線性電阻元件。導(dǎo)通后二極管正向壓降改變不大，硅管約為0.6～0.8V，鍺管約為0.2～0.3V。溫度上升，死區(qū)電壓和正向壓降均對(duì)應(yīng)降低。

第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第19頁(yè)

普通二極管被擊穿后，因?yàn)榉聪螂娏骱艽?，普通都?huì)造成“熱擊穿”，熱擊穿不一樣于齊納擊穿和雪崩擊穿，這兩種擊穿不會(huì)從根本上損壞二極管，而熱擊穿將使二極管永久性損壞。熱擊穿問(wèn)題3.二極管主要參數(shù)1）最大整流電流IDM：指管子長(zhǎng)久運(yùn)行時(shí)，允許經(jīng)過(guò)最大正向平均電流。2）最高反向工作電壓URM：二極管運(yùn)行時(shí)允許承受最高反向電壓。3）反向電流IR：指管子未擊穿時(shí)反向電流，其值越小，則管子單向?qū)щ娦栽胶谩?.二極管應(yīng)用舉例二極管應(yīng)用范圍很廣，主要是利用它單向?qū)щ娦裕Ｒ娪谡?、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中用作開關(guān)元件等。DTru1RLu2＋UL－

二極管半波整流電路＋u－uDAU＋F二極管鉗位電路RuOuiD1D2二極管限幅電路第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第20頁(yè)討論P(yáng)N結(jié)擊穿現(xiàn)象包含哪些？擊穿是否意味著二極管永久損壞？反向電壓增加到一定大小時(shí)，經(jīng)過(guò)二極管反向電流劇增，這種現(xiàn)象稱為二極管反向擊穿。

反向擊穿電壓普通在幾十伏以上（高反壓管可達(dá)幾千伏）。反向擊穿現(xiàn)象分有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種類型。

雪崩擊穿：PN結(jié)反向電壓增加時(shí)，空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)空間電荷區(qū)電子和空穴，在內(nèi)電場(chǎng)作用下取得較大能量，它們運(yùn)動(dòng)時(shí)不停地與晶體中其它原子發(fā)生碰撞，經(jīng)過(guò)碰撞使其它共價(jià)鍵產(chǎn)生本征激發(fā)又出現(xiàn)電子–空穴對(duì)，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。新產(chǎn)生電子—空穴對(duì)與原有電子和空穴一樣，在電場(chǎng)作用下，也向相反方向運(yùn)動(dòng)，重新取得能量，再經(jīng)過(guò)碰撞其它原子，又產(chǎn)生電子–空穴對(duì)，從而形成載流子倍增效應(yīng)。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值，載流子倍增情況就像在陡峻山坡上積雪發(fā)生雪崩一樣，突然使反向電流急劇增大，發(fā)生二極管雪崩擊穿。

齊納擊穿：在加有較高反向電壓下，PN結(jié)空間電荷區(qū)中存一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)，它能夠破壞共價(jià)鍵將束縛電子分離出來(lái)造成電子–空穴對(duì)，形成較大反向電流。發(fā)生齊納擊穿需要電場(chǎng)強(qiáng)度約為2×10V/cm，這只有在雜質(zhì)濃度尤其大PN結(jié)中才能到達(dá)，因?yàn)殡s質(zhì)濃度大，空間電荷區(qū)內(nèi)電荷密度也大，因而空間電荷區(qū)很窄，電場(chǎng)強(qiáng)度可能很高，致使PN結(jié)產(chǎn)生雪崩擊穿。

齊納擊穿和雪崩擊穿都不會(huì)造成二極管永久性損壞。第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第21頁(yè)穩(wěn)壓二極管是一個(gè)特殊面接觸型二極管，其實(shí)物圖、圖符號(hào)及伏安特征如圖所表示：

當(dāng)反向電壓加到某一數(shù)值時(shí)，反向電流劇增，管子進(jìn)入反向擊穿區(qū)。圖中UZ穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓值。6.3

特殊二極管1.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管實(shí)物圖

由圖可見，穩(wěn)壓管特征和普通二極管類似，但其反向擊穿是可逆，不會(huì)發(fā)生“熱擊穿”，而且其反向擊穿后特征曲線比較陡直，即反向電壓基礎(chǔ)不隨反向電流改變而改變，這就是穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓特征。

穩(wěn)壓管圖符號(hào)

穩(wěn)壓管穩(wěn)壓作用：電流增量ΔI

很大，只會(huì)引發(fā)很小電壓改變?chǔ)。曲線愈陡，動(dòng)態(tài)電阻rz=ΔU/ΔI愈小，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能愈好。普通地說(shuō)，UZ為8V左右穩(wěn)壓管動(dòng)態(tài)電阻較小，低于這個(gè)電壓時(shí)，rz隨齊納電壓下降快速增加，使低壓穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能變差。

穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓UZ，低為3V，高可達(dá)300V，穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)正向壓降約為0.6V。

I/mA40302010-5-10-15-20（μA）正向00.40.8－12－8－4反向ΔUZΔIZU/V第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第22頁(yè)注意：

穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中普通都要加限流電阻R，使穩(wěn)壓管電流工作在Izmax和Izmix范圍內(nèi)。穩(wěn)壓管在應(yīng)用中要采取適當(dāng)辦法限制經(jīng)過(guò)管子電流值，以確保管子不會(huì)造成熱擊穿。

穩(wěn)壓管主要參數(shù)：（1）穩(wěn)定電壓UZ：反向擊穿后穩(wěn)定工作電壓。（2）穩(wěn)定電流IZ：工作電壓等于穩(wěn)定電壓時(shí)電流。（3）動(dòng)態(tài)電阻rZ：穩(wěn)定工作范圍內(nèi)，管子兩端電壓改變量與對(duì)應(yīng)電流改變量之比。即：rZ=ΔUZ/ΔIZ（4）耗散功率PZM和最大穩(wěn)定電流IZM。額定耗散功率PZM是在穩(wěn)壓管允許結(jié)溫下最大功率損耗。IZM是指穩(wěn)壓管允許經(jīng)過(guò)最大電流。二者關(guān)系可寫為：PZM=UZIZM討論回顧二極管反向擊穿時(shí)特征：當(dāng)反向電壓超出擊穿電壓時(shí)，流過(guò)管子電流會(huì)急劇增加。

擊穿并不意味著管子一定要損壞，假如咱們采取適當(dāng)辦法限制經(jīng)過(guò)管子電流，就能確保管子不因過(guò)熱而燒壞。在反向擊穿狀態(tài)下，讓流過(guò)管子電流在一定范圍內(nèi)改變，這時(shí)管子兩端電壓改變很小，利用這一點(diǎn)能夠到達(dá)“穩(wěn)壓”效果。穩(wěn)壓管是怎么實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用？第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第23頁(yè)2.發(fā)光二極管單個(gè)發(fā)光二極管實(shí)物發(fā)光二極管圖符號(hào)發(fā)光二極管是一個(gè)能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能固體發(fā)光元件。發(fā)光二極管和普通二極管一樣，管芯由PN結(jié)組成，含有單向?qū)щ娦?。左圖所表示為發(fā)光二極管實(shí)物圖和圖符號(hào)。發(fā)光二極管是一個(gè)功率控制器件，常見來(lái)作為數(shù)字電路數(shù)碼及圖形顯示七段式或陣列式器件；單個(gè)發(fā)光二極管常作為電子設(shè)備通斷指示燈或快速光源以及光電耦合器中發(fā)光元件等。

3.光電二極管光電二極管也和普通二極管一樣，管芯由PN結(jié)組成，含有單向?qū)щ娦?。光電二極管管殼上有一個(gè)能射入光線“窗口”，這個(gè)窗口用有機(jī)玻璃透鏡進(jìn)行封閉，入射光經(jīng)過(guò)透鏡恰好射在管芯上。問(wèn)題討論利用穩(wěn)壓管正向壓降，是否也能夠穩(wěn)壓？

利用穩(wěn)壓管正向壓降是不能進(jìn)行穩(wěn)壓。因?yàn)榉€(wěn)壓管正向特征與普通二極管相同，正向電阻非常小，工作在正向?qū)▍^(qū)時(shí)，正向電壓普通為0.6V左右，此電壓數(shù)值普通改變不大。第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第24頁(yè)6.4

雙極型三極管6.4.1雙極型晶體管基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和類型雙極型晶體管是由兩個(gè)背靠背、互有影響PN結(jié)組成。在工作過(guò)程中兩種載流子都參加導(dǎo)電，所以全名稱為雙極結(jié)型晶體管。雙極結(jié)型晶體管有三個(gè)引出電極，大家習(xí)慣上又稱它為晶體三極管或簡(jiǎn)稱晶體管。

晶體管種類很多,按照頻率分，有高頻管、低頻管；按照功率分，有小、中、大功率管；按照半導(dǎo)體材料分，有硅管、鍺管等等。不過(guò)從它外形來(lái)看，晶體管都有三個(gè)電極，常見晶體管外形如圖所表示：

從晶體管外形可看出，其共同特征就是含有三個(gè)電極，這就是“三極管”簡(jiǎn)稱來(lái)歷。

第3頁(yè)電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第25頁(yè)

由兩塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體管子稱為NPN管。還有一個(gè)與它成對(duì)偶形式，即兩塊P型半導(dǎo)體中間夾著一塊N型半導(dǎo)體管子，稱為PNP管。晶體管制造工藝上特點(diǎn)是：發(fā)射區(qū)是高濃度摻雜區(qū)，基區(qū)很薄且雜質(zhì)濃度底，集電結(jié)面積大。這么結(jié)構(gòu)才能確保晶體管含有電流放大作用?；鶚O發(fā)射極集電極晶體管有兩個(gè)結(jié)晶體管有三個(gè)區(qū)晶體管有三個(gè)電極第6章電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第26頁(yè)結(jié)論：三極管是一個(gè)含有電流放大作用模擬器件。6.4.2晶體管電流分配與放大作用μAmAmAICIBIEUBBUCCRB3DG6NPN型晶體管電流放大試驗(yàn)電路RCCEB左圖所表示為驗(yàn)證三極管電流放大作用試驗(yàn)電路，這種電路接法稱為共射電路。其中，直流電壓源UCC應(yīng)大于UBB，從而使電路滿足放大外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電極反向偏置。改變可調(diào)電阻RB，基極電流IB，集電極電流IC和發(fā)射極電流IE都會(huì)發(fā)生改變，由測(cè)量結(jié)果可得出以下結(jié)論：晶體管電流放大條件：

晶體管內(nèi)部：

a）發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度>>基區(qū)>>集電區(qū)；

b）基區(qū)很薄。晶體管外部：

發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。1.IE

＝IB

＋I(xiàn)C

（符合KCL定律）2.

IC≈

β

IB，β為管子流放大系數(shù)，用來(lái)表征三極管電流放大能力：3.△IC≈β△IB

第6章電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第27頁(yè)晶體管電流放大原理：1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子過(guò)程：因?yàn)榘l(fā)射結(jié)處于正向偏置，發(fā)射區(qū)多數(shù)載流子自由電子將不停擴(kuò)散到基區(qū)，并不停從電源補(bǔ)充進(jìn)電子，形成發(fā)射極電流IE。2、電子在基區(qū)擴(kuò)散和復(fù)合過(guò)程：因?yàn)榛鶇^(qū)很薄，其多數(shù)載流子空穴濃度很低，所以從發(fā)射極擴(kuò)散過(guò)來(lái)電子只有極少一個(gè)別和基區(qū)空穴復(fù)合，剩下絕大個(gè)別都能擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣。試驗(yàn)表明：

IC比IB大數(shù)十至數(shù)百倍，因而IB即使很小，但對(duì)IC有控制作用，IC隨IB改變而改變，即基極電流較小改變能夠引發(fā)集電極電流較大改變，表明基極電流對(duì)集電極電流含有小量控制大量作用，這就是三極管電流放大作用。3、集電區(qū)搜集從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過(guò)來(lái)電子過(guò)程：因?yàn)榧娊Y(jié)反向偏置，可將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并抵達(dá)集電區(qū)邊緣電子拉入集電區(qū)，從而形成較大集電極電流IC。第6章電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第28頁(yè)6.4.3晶體管特征曲線1．輸入特征曲線晶體管輸入特征與二極管類似死區(qū)電壓

UCE

≥1V，原因是b、e間加正向電壓。這時(shí)集電極電位比基極高，集電結(jié)為反向偏置，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)電子絕大個(gè)別擴(kuò)散到集電結(jié)，只有一小個(gè)別與基區(qū)中空穴復(fù)合，形成IB。與UCE=0V時(shí)相比，在UBE相同條件下，IB要小多。從圖中能夠看出，導(dǎo)通電壓約為0.5V。嚴(yán)格地說(shuō)，當(dāng)UCE逐步增加時(shí)，IB逐步減小，曲線逐步向右移。這是因?yàn)閁CE增加時(shí)，集電結(jié)耗盡層變寬，減小了基區(qū)有效寬度，不利于空穴復(fù)合，所以IB減小。不過(guò)UCE超出1V以后再增加，IC增加極少，因?yàn)镮B改變量也很小，通常能夠忽略UCE改變對(duì)IB影響，認(rèn)為UCE1V時(shí)曲線都重合在一起。第6章電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第29頁(yè)（1）放大區(qū)：發(fā)射極正向偏置，集電結(jié)反向偏置（2）截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置

（3）飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置2．輸出特征曲線iB>0，uBE>0，uCE≤uBE第6章電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第30頁(yè)6.4.4晶體管主要參數(shù)1、電流放大倍數(shù)β：iC=βiB2、極間反向電流iCBO、iCEO：iCEO=（1+β）iCBO3、極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM：下降到額定值2/3時(shí)所允許最大集電極電流。（2）反向擊穿電壓U（BR）CEO：基極開路時(shí)，集電極、發(fā)射極間最大允許電壓：基極開路時(shí)、集電極與發(fā)射極之間最大允許電壓。為確保晶體管安全工作，普通應(yīng)取：（3）集電極最大允許功耗PCM

：晶體管參數(shù)不超出允許值時(shí)，集電極所消耗最大功率。第6章電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第31頁(yè)學(xué)習(xí)與探討晶體管發(fā)射極和集電極是不能交換使用。因?yàn)榘l(fā)射區(qū)摻雜質(zhì)濃度很高，集電區(qū)摻雜質(zhì)濃度較低，這么才使得發(fā)射極電流等于基極電流和集電極電流之和，假如交換作用顯然不行。晶體管發(fā)射極和集電極能否互換使用？為何?

晶體管在輸出特征曲線飽和區(qū)工作時(shí)，UCE<UBE，集電結(jié)也處于正偏，這時(shí)內(nèi)電場(chǎng)大大減弱，這種情況下極不利于集電區(qū)搜集從發(fā)射區(qū)抵達(dá)基區(qū)電子，所以在相同基極電流IB時(shí)，集電極電流IC比放大狀態(tài)下要小很多，可見飽和區(qū)下電流放大倍數(shù)不再等于β。晶體管在輸出特征曲線飽和區(qū)工作時(shí)，其電流放大系數(shù)是否也等于β？

N型半導(dǎo)體中含有多數(shù)載流子電子，同時(shí)還有與電子數(shù)量相同正離子及由本征激發(fā)電子—空穴對(duì)，所以整塊半導(dǎo)體中正負(fù)電荷數(shù)量相等，呈電中性而不帶電。為何晶體管基區(qū)摻雜質(zhì)濃度??？而且還要做得很??？第6章電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第32頁(yè)6.5

單極型三極管

單極型三極管只有一個(gè)載流子（多數(shù)載流子）參加導(dǎo)電而命名之。單極型三極管又是利用電場(chǎng)控制半導(dǎo)體中載流子運(yùn)動(dòng)一個(gè)有源器件，所以又稱之為場(chǎng)效應(yīng)管。當(dāng)前場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用得最多是以二氧化硅作為絕緣介質(zhì)金屬—氧化物—半導(dǎo)體絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，這種場(chǎng)效應(yīng)管簡(jiǎn)稱為CMOS管。與雙極型晶體管相比，單極型三極管除了含有雙極型晶體管體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)外，還含有輸入阻抗高、動(dòng)態(tài)范圍大、熱穩(wěn)定性能好、抗輻射能力強(qiáng)、制造工藝簡(jiǎn)單、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。多年來(lái)場(chǎng)效應(yīng)管發(fā)展得非?？焖?，很多場(chǎng)所取代了雙極型晶體管，尤其時(shí)大規(guī)模集成電路，大都由場(chǎng)效應(yīng)管組成。場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)物圖第6章電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第33頁(yè)1.MOS管基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

依據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)和工作原理不一樣，普通可分為兩大類：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)N溝道管結(jié)構(gòu)圖及電路圖符號(hào)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)P溝道管結(jié)構(gòu)圖及電路圖符號(hào)第6章電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第34頁(yè)

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管中，當(dāng)前常見是以二氧化硅SiO2作為金屬鋁柵極和半導(dǎo)體之間絕緣層，簡(jiǎn)稱MOS管。它有N溝道和P溝道兩類，而每一類又分增強(qiáng)型和耗盡型兩種。所謂增強(qiáng)型就是UGS＝0時(shí)，漏源之間沒有導(dǎo)電溝道，即使在漏源之間加上一定范圍內(nèi)電壓，也沒有漏極電流；反之，在UGS=0時(shí)，漏源之間存在有導(dǎo)電溝道稱為耗盡型。

左圖是N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)圖：一塊雜質(zhì)濃度較低P型硅片作為襯底B，在其中擴(kuò)散兩個(gè)N+區(qū)作為電極，分別稱為源極S和漏極D。半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄二氧化硅（SiO2）絕緣層，在漏源極間絕緣層上再制造一層金屬鋁，稱為柵極G。這就組成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管。顯然它柵極與其它電極間是絕緣。柵極漏極源極二氧化硅絕緣層P型硅襯底鋁第6章電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第35頁(yè)

N溝道增強(qiáng)型MOS管圖符號(hào)

P溝道增強(qiáng)型MOS管圖符號(hào)2.MOS管工作原理MOS管源極和襯底通常是接在一起(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)，且N溝道增強(qiáng)型MOS管不存在原始溝道。所以，當(dāng)UGS=0時(shí)，增強(qiáng)型MOS管漏源之間相當(dāng)于有兩個(gè)背靠背PN結(jié)，所以即使在D、S間加上電壓，不論UDD極性怎樣，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，所以場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通，ID=0。PＮ＋結(jié)

UDD

－＋P型硅襯底PDSGN＋N＋PＮ＋結(jié)UGS怎樣才能產(chǎn)生導(dǎo)電溝道呢？++++++++耗盡層導(dǎo)電溝道在G、S間加正電壓，即柵極、襯底間加UGS（與源極連在一起），因?yàn)槎趸杞^緣層存在，故沒有電流。不過(guò)金屬柵極被充電而聚集正電荷。P型襯底中多子空穴被正電荷組成電場(chǎng)排斥向下運(yùn)動(dòng)，在表面留下帶負(fù)電受主離子，形成耗盡層。伴隨G、S間正電壓增加，耗盡層加寬。當(dāng)UGS增大到一定值時(shí)，襯底中少子電子被正電荷吸引到表面，在耗盡層和絕緣層之間形成了一個(gè)N型薄層，這個(gè)反型層組成了漏源之間導(dǎo)電溝道，這時(shí)UGS稱為開啟電壓UT。UGS繼續(xù)增加，襯底表面感應(yīng)電子增多，導(dǎo)電溝道加寬，但耗盡層寬度卻不再改變。即用UGS大小能夠控制導(dǎo)電溝道寬度。第6章電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件第36頁(yè)

由上述分析可知，N溝道增強(qiáng)型MOS管在UGS＜UT時(shí)，導(dǎo)電溝道不能形成，ID=0，這時(shí)管子處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)UGS=UT時(shí)，導(dǎo)電溝道開始形成，此時(shí)若在漏源極間加正向電壓UDD，就會(huì)有漏