---

第1章 常用半导体器件

本文仅为模拟电路学习笔记流，仅供参考，详见《模拟电子技术基础(第五版)》

---

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、什么是半导体？

首先，需要知道物质的导电性能是由其原子结构决定的。正如：经济基础决定上层建筑。

类比其他物质，我们熟知的有：导体、绝缘体材料。
导体：通常是由低价元素组成，外层价电子容易摆脱原子核的束缚，导电性能最好；
绝缘体：通常是由高价元素组成，外层价电子极易受到原子核的束缚，导电性能最差。
因此，半导体：通常是四价元素组成，导电性能介于导体和绝缘体之间。

本征半导体是半导体的一种，接下来介绍本征半导体。

二、什么是本征半导体？

1.定义

纯净半导体经过一定的工艺过程制造成的单晶体，即为本征半导体。
以上定义基本是从书上照搬来的，但是需要注意一点：本征半导体并不完全等同于纯净半导体，而是经过工艺加工得到的晶体结构。

2.结构

要理解本征半导体的结构，首先要理解其晶体结构，根据个人理解，总结如下：
(外层)价电子+(内层)原子核–>1个原子–>多个原子–>单个晶体

例如：4价原子和3价原子的符号示意图如下所示

3.性能及特点

由于本征半导体本身的晶体结构特点，引申出值得人们研究的特点。比如：
共价键：晶体中的相邻原子之间离的很近，因此外层价电子落入相邻的原子轨道形成共用电子，这样的结构称为共价键结构。

由于本征半导体本身容易受到温度的影响，引申出的特点，如：
自由电子：本征半导体受到热激发，外层价电子得到能量后摆脱共价键的束缚，成为自由电子；
空穴 ：自由电子离开共价键后留下的空位置称为空穴。
自由电子-空穴对：本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现的，两者浓度总是相等。

载流子：运载电荷的粒子都称为载流子（例如：自由电子带负电荷，空穴带正电荷，它们都属于载流子）

载流子的运动：
本征激发：半导体受到热激发形成自由电子-空穴对的现象；
复合：自由电子运动过程中填补空穴的位置，使得两者消失的现象。

载流子浓度与温度的关系：
本征半导体中，载流子的浓度是环境温度的函数。
a、温度一定时，载流子浓度一定，自由电子和空穴浓度相等，达到动态平衡；
b、温度升高时，载流子浓度增大，导电性能增强。

三、什么是杂质半导体？

1.定义

在纯净硅晶体中掺杂少量杂质元素，使其替换原晶体中的原子所形成的半导体。

2.分类

2.1 N型半导体

(N-Negative，多数载流子是自由电子带负电)
定义：在纯净硅晶体中掺杂五价元素(如：磷P)，使其替换原硅原子，形成N型半导体。
以上定义基本是从书上照搬来的，但是需要注意一点书本都是以磷这个五价元素作为参考，实际N型半导体除了磷元素也有掺杂其他元素类型。

结构：由于五价元素外层有五个价电子，除了与相邻硅原子形成共价键外，还有一个电子。如下图所示：

Ps：为什么N型半导体的多数载流子是自由电子？
常温下，由于热激发，杂质原子多出的一个电子得到少量能量很容易就成为自由电子。
多数载流子:自由电子(浓度高)，少数载流子:空穴(浓度低)
特点：N型半导体的掺杂浓度越高，多数载流子的浓度也越高，导电性能也越好。

2.2 P型半导体

(P-Positive，多数载流子是空穴带正电)
定义：在纯净硅晶体中掺杂三价元素(如：硼B)，使其替换原硅原子，形成P型半导体。
以上定义基本是从书上照搬来的，但是需要注意一点书本都是以硼这个三价元素作为参考，实际N型半导体除了硼元素也有掺杂其他元素类型。

结构：由于三价元素外层有三个价电子，除了与相邻硅原子形成共价键外，还有一个空位。如下图所示：

Ps：为什么P型半导体的多数载流子是空穴？
当硅原子的外层电子填补该空位后，就会在其原来的共价键留下一个空穴。
多子:空穴(浓度高)，少子:自由电子(浓度低)

特点：P型半导体的掺杂浓度越高，多数载流子的浓度也越高，导电性能也越好。

***(1)杂质半导体的掺杂浓度越高，多子浓度越高，复合得越多，少子的浓度越低，导电性能越好。
***(2)杂质半导体中的多数载流子浓度取决于掺杂浓度，因此不太受温度的影响；而少数载流子是由本征激发产生的，因此容易受到环境温度的影响，影响半导体的性能。

四、什么是PN结？以及PN结的微视角？

1.定义

使P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，在交界面处形成PN结。
上文中提到本征半导体中载流子存在两种运动：本征激发、复合，接下来讨论两种杂质半导体制作在一起时载流子的两种运动。

2.载流子的两种运动

2.1 扩散运动

PN结两边的半导体中多子由浓度高往浓度低的方向运动。(主动)

2.2 漂移运动

少子在空间电荷区的电场力作用下的运动。(被动)

由这两种运动引申出以下几个特殊定义。

3.空间电荷区（又称耗尽层、阻挡区）

扩散到P区的自由电子与空穴复合，在P区交界面附近的空穴浓度下降，形成负离子区；扩散到N区的空穴与自由电子复合，在N区交界面附近的自由电子浓度下降，形成正离子区；它们是不能移动的空间电荷区。电场方向由N指向P。

4.对称结、不对称结

对称结：P区的掺杂浓度与N区的掺杂浓度相等，使得PN结两边的空间电荷区宽度相等，称为对称结。
不对称结：P区的掺杂浓度与N区的掺杂浓度不等，掺杂浓度高的空间电荷区比掺杂浓度低的窄。因此形成不对称结。

5.几个问题

Q1：自由电子、空穴可以自主分别进行扩散运动吗？运动过程是否存在复合和本征激发的动作？
根据个人理解，扩散运动是载流子由浓度高往浓度低的方向运动。以N区的自由电子扩散运动为例：自由电子在运动过程中可能会填补空穴，但是因为自由电子的浓度远大于空穴的浓度，最后剩下的自由电子仍旧会随着浓度梯度扩散到P区。

Q2：P区在交界面附近怎么形成负离子区？N区在交界面附近怎么形成正离子区？
空穴扩散到P区的交界面遇到N区扩散过来的自由电子，两者在交界面附近复合，从而P区在交界面附近形成负离子区，N区在交界面附近形成正离子区。

Q3：为什么在无外电场激发的作用下，参与扩散的多子等于参与漂移的少子，达到动态平衡？
扩散过程中，扩散到P区的自由电子(N区的多子)与(P区的多子)空穴复合，扩散到N区的空穴(P区的多子)与(N区的多子)自由电子复合，使得交界面附近的多子浓度(P区的空穴、N区的自由电子)下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动的空间电荷区，当扩散运动进行到一定程度时，空间电荷区的宽度加宽，内电场增强，由N指向P，正好阻止扩散运动的进行。这时，在内电场的作用下，少子开始进行漂移运动，P区的自由电子漂移到N区，N区的空穴漂移到P区，又使得内电场慢慢削弱，空间电荷区宽度变窄，当漂移运动进行到一定程度时，又开始扩散运动。周而复始。最终达到动态平衡。
总之一句话就是，由于扩散运动复合了多少多子，就需要漂移运动填补多少少子，才能维持动态平衡。

五、PN结的特性

1.PN结的单向导电性

1.1 PN结外加正向电压–导通

电源正极接P端，电源负极接N端。

由上图所示，不难理解，此时外电场的方向与内电场的方向相反，外电场将多子推到空间电荷区，使得空间电荷区变窄，破坏了动态平衡，扩散运动加剧，漂移运动减弱。
由于电源的作用，扩散运动一直继续，从而形成正向电流，PN结导通。
记得限流电阻，防止导通电流蹭蹭蹭往上涨，导致PN结烧坏。

1.2 PN结外加反向电压–截止

电源正极接N端，电源负极接P端。

由上图所示，不难理解，此时外电场的方向与内电场的方向一致，少子的漂移运动加剧，使得空间电荷区变宽，扩散运动减弱。
由于电源的作用，漂移运动一直继续，从而形成反向电流。但是由于少子的浓度很少，常常忽略不计，因此PN结截止。
当反向电压增大到零点几伏时，反向电流不再随着反向电压的增大而增大，即达到了饱和，这个电流称为反向饱和电流Is ，通常是uA级别的漏电流，来自于PN结中少子的漂移运动。对温度比较敏感。

1.3 PN结电流方程

i=Is(e^(u/UT)–1)
流过PN结的电流与PN结两端的电压呈指数关系
Is：反向饱和电流
U：二极管两端电压，至少100mV
UT：温度的电压当量，室温下26mV

2.PN结的伏安特性

伏安特性方程：i=Is(e^(u/UT)–1)
伏安特性曲线：

正向特性：当PN结外加正向电压，且u>>UT时，i ≈ Is e^(u/UT)，此时i与u呈指数关系。
反向特性：当PN结外加反向电压，且|u|>>UT时，i ≈ -Is，此时反向电流达到饱和。
反向击穿特性：当反向电压超过UBR时，反向电流急剧增大，当电流增大到一定数值时，PN结发生热击穿，因此称为反向击穿。
反向击穿类型：齐纳击穿、雪崩击穿
齐纳击穿：
当PN结掺杂浓度高时，其耗尽层窄，只需要较小的外加反向电压，电场力的作用就能直接破坏共价键，使得反向电流急剧增大。
雪崩击穿：
当PN结掺杂浓度低时，其耗尽层宽，需要外加反向电压增大到一定数值时，少子的漂移速度加快，碰撞价电子脱离共价键的束缚产生电子-空穴对，而这些电子-空穴对又会碰撞更多价电子形成载流子，载流子的浓度急剧增大。

***(1)反向饱和电流与反向击穿电流的区别？
反向饱和电流：PN结本身的少子浓度在一定温度下是一定的，因此当反向电压达到一定数值时，反向电流不再随着电压的增大而增大，达到饱和状态。
反向击穿电流：当PN结的反向电压超过UBR，破坏共价键，产生更多的少子，使得反向电流急剧增大。

***(2)如何利用PN结的反向击穿特性制作稳压管？
反向特性可以用于做稳压二极管，通过控制掺杂浓度的大小：掺杂浓度低时为雪崩击穿类型，击穿电压高(稳定电压高)；掺杂浓度高时为齐纳击穿类型，击穿电压低(稳定电压低)。

3.PN结的电容效应

(要想知道什么是电容效应，需要知道电容的定义–电容: △U/△Q=C，电压与电荷量的比例关系)

3.1 PN结的势垒电容Cd

当PN结外加反向电压变化时，空间电荷区宽度随着反向电压增大或减小，即耗尽层的电荷量随反向电压变化而变化。这与电容的充放电过程相似，故称这种PN结等效的电容为势垒电容Cd。

3.2 PN结的扩散电容Cb

当PN结外加正向电压时，扩散到PN结交界面的非平衡少子浓度由靠近耗尽层到远离耗尽层呈梯度减小，从而形成扩散电流。当正向电压变化时，非平衡少子浓度和浓度梯度随着正向电压增大或减小。这与电容的充放电过程相似，故称这种PN结等效的电容为扩散电容Cb。

3.3 PN结的结电容Cj

Cj=Cd+Cb（Cb和Cd一般很小，结面积小的为1pF，结面积大的为几十或者几百pF，对于低频信号呈较大的阻抗，可忽略不计；只有在高频信号电路中才考虑PN结电容效应的影响。）

六、半导体二极管

定义：将PN结用外壳封装，在两端引出电极引线就构成半导体二极管。

1.常见结构类型

1.1 点接触型二极管

一根金属丝与半导体表面接触形成PN结
特点：结面积小(等效结电容只有1pF以下)，允许通过的电流小，适用于高频小功率整流电路；

1.2 面接触型二极管

采用合金法工艺制作而成。
特点：结面积大，允许通过的电流大，适用于低频大功率整流电路；

1.3 平面扩散二极管

采用扩散工艺制作而成。
特点：结面积大的用于大功率整流管，结面积小的用于小功率整流管。

2.伏安特性

2.1 二极管和PN结的伏安特性区别

正向特性：由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，因此：
1， 当外加正向电压一定时，二极管的正向电流比PN结的小；
2， 当外加正向电压且电流相同时，二极管的端电压比PN结的导通压降大；
反向特性：由于二极管外壳的存在，表面存在泄露电流，因此当外加反向电压时，其反向电流比PN结的大。
电流方程：基本一致。

2.2 温度对二极管伏安特性的影响

1、环境温度升高，正向特性曲线左移(少子浓度增大，耗尽层变窄，导通电压变小)，反向曲线下移(少子浓度增大，反向饱和电流增大)；
2、室温，每升高1°，正向压降减小2-2.5mV；
每升高10°，反向饱和电流Is增大一倍。

3 主要参数

IF :允许通过的最大正向平均电流；
UR :可正常工作的最大反向电压（UR=1/2 UBR）；
fM: 最高工作频率(取决于结电容)；
IR :未击穿的反向电流；

4 二极管的等效电路

由于二极管的伏安特性是非线性的，不便于分析，因此常在一定条件下，使用线性元件构成的电路来近似等效二极管的特性，并用之取代电路中的二极管。
二极管的两种等效方法

4.1 伏安特性曲线的折线化

由伏安特性折线化得到的等效电路

(a) 理想二极管(又称 理想开关)
特点：正向导通时的正向压降为0；反向截止时的反向电流为0

(b) 正向导通时端电压为常量
特点：正向导通时的正向压降为常量Uon；反向截止时的反向电流为0.
因此，其相当于理想二极管串联电压源Uon

© 正向导通时端电压与电流成线性关系
特点：正向导通时的开启电压为Uon，导通时的电压与电流成线性关系；反向截止时的反向电流为0.
因此，其相当于理想二极管串联电压源Uon和电阻rD(1/rD=△U/△I)。

总结：在近似分析中，应根据不同的应用场景选择不同的近似等效模型，减小计算误差，以图(a)的计算误差最大，图©的计算误差最小，图(b)的应用最广泛。

4.2 二极管的微变等效电路

静态工作点(Q点)：当二极管外加正向直流电源时，有正向直流电流流过，则伏安特性曲线上反映该电压和电流的点称为Q点(静态工作点)。
微变等效电路： 以Q点为切点的直线段来近似表示微小变化的曲线，即 将二极管等效成一个动态电阻rd，且rd=△u/△i ，称之为二极管的微变等效电路。如下图所示：

利用二极管的电流方程，可以求得rd的表达式：

因此，rd≈UT/ID (ID是Q点的直流电流)。

总结：对于含有二极管的交流低频小信号电路，如何求解交流输出电压？
① 先根据直流电压源求出静态工作点；
② 由静态工作点求出动态电阻rd；
③ 画出对应的二极管微变等效电路图；
④ 根据微变等效电路图，计算交流输出电压。

5 稳压二极管

稳压二极管是一种硅材制成的面接触型二极管，简称稳压管。

5.1 稳压二极管的伏安特性(与普通二极管类似)

正向特性：指数关系曲线；
反向特性：当外加反向电压达到一定数值时，反向击穿，击穿区的曲线几乎平行于纵轴；

PS：在等效电路中，普通二极管D1表示稳压管加正向电压与虽加反向电压但未击穿的情况；理想二极管D2、电压源Uz、电阻rd串联电路表示稳压管加反向电压击穿时的情况。

5.2 稳压二极管的主要参数

稳定电压Uz：稳压管工作在规定反向电流范围内的反向击穿电压。
注：同一型号的稳压管其稳压值在datasheet中可能是一个范围，但实际每个稳压管都有其确定的稳压值。
稳定电流Iz：稳压管工作在稳压区的最小反向击穿电流。
注：当反向电流小于稳定电流时，稳压效果变坏，因此Iz=Izmin。
额定功率Pzm：稳压管的稳定电压Uz与最大稳定电流IZM(IZMAX)的乘积。
注：稳压管的功耗超过此值，就会因结温升高而损坏。
只要不超过额定功率，稳定电流越大，稳压效果越好。
温度系数α：温度每变化1℃稳压值的变化量，即α=△u/△T。
注： 稳压值<4V时，为齐纳击穿，温度升高则稳压值减小（负温度系数）；
稳压值>7V时，为雪崩击穿，温度升高则稳压值增大（正温度系数）；
4V<稳压值<7V时，既有齐纳击穿又有雪崩击穿，温度升高则稳压值变化不大。
（没太理解？）

6 其他类型二极管

6.1 发光二极管

颜色：红、黄、绿等颜色；形状：长方形、圆形等；符号：
特点：
a、单向导电性—当外加正向电压时，只有正向电流足够大才能发光；
b、开启电压大于普通二极管—红灯：1.6-1.8V；绿灯：2V
c、在正常工作范围内，正向电流越大，发光越强。

6.2 光电二极管

常见外形：长方形、斜方形、圆形；符号：
特点：
a、无光照时，与普通二极管相似具有单向导电性，此时反向电流只有不到0.2uA，称为暗电流；
b、有光照时，相对无光照曲线下移至第三、第四象限，因此不具有单向导电性。当照度越大时，曲线越往下移。且第三象限的曲线与横轴几乎平行；
光电二极管在反向电压下受到光照而产生的电流称为光电流，光电流受到光照的控制：
① 当照度一定时，光电流几乎不变，光电二极管可等效成恒流源；
② 照度越大，光电流越大(超过几十uA)，与照度成线性关系。

6.3 变容二极管

利用PN结的势垒电容制成

6.4 隧道二极管

利用高掺杂材料形成PN结的隧道效应制成

6.5 肖特基二极管

利用金属与半导体材料接触势垒制成（正向导通压降小，结电容小）

---

总结

以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了半导体的基本概念和本征半导体、杂质半导体的基本概念和基本特点、PN结的定义及微观视角、PN结的特性、半导体二极管的简介。

模拟电子技术基础_常用半导体器件相关推荐

1. 21.深入浅出：直流电源的组成_单相整流滤波电路——参考《模拟电子技术基础》清华大学华成英主讲

   本节课的教学目的: 1.理解直流电源的组成及各部分的作用: 2.理解单相半波整流电路和桥式整流电路的工作原理.波形分析.输出电压和电流平均值的估算.整流二极管的选择: 3.学会整流电路的分析方法: 4 ...

2. 恒流源差分放大电路静态分析_模拟电子技术基础第15讲恒流源和差分放大电路.ppt...

   <模拟电子技术基础第15讲恒流源和差分放大电路.ppt>由会员分享,可在线阅读,更多相关<模拟电子技术基础第15讲恒流源和差分放大电路.ppt(36页珍藏版)>请在人人文库网上 ...

3. [渝粤教育] 西北工业大学 模拟电子技术基础 参考 资料

   教育 -模拟电子技术基础-章节资料考试资料-西北工业大学[] 常用半导体器件原理 1.[单选题]N型半导体是在纯净半导体中掺入____: A.带正电的离子 B.三价元素,如硼等 C.五价元素,如磷等 ...

4. 第二篇 模拟电子技术基础

   第二篇 模拟电子技术基础 第六章 半导体二极管及其整流电路 半导体二极管和三极管是最常用的半导体器件.它们的基本结构.工作原理.特性和参数是学习电子技术和分析电子电路必不可少的基础,而PN结又是构成各 ...

5. 【模拟电子技术基础】本章讨论问题答案2

   第一章 常用半导体器件 为什么采用半导体材料制作电子器件? 答:在形成晶体结构的半导体中,认为的掺入特定的杂质元素时,导电性能具有可控性,并且,在光照和热辐射条件下,其导电性还有明显的变化,这些特殊的 ...

6. 《模拟电子技术基础》课程笔记(二)——课程概要

   1.课程内容: 利用半导体器件和外围器件构成的对模拟信号实施处理的电路. 包括信号的滤波.放大.产生.变换. 2.课程特点 (1)工程性强 ①在分析模拟电路时常常需要从工程角度分析问题和解决问题. ② ...

7. [渝粤教育] 华中科技大学 模拟电子技术基础 参考 资料

   教育 -模拟电子技术基础-章节资料考试资料-华中科技大学[] 绪论测验题 1.[单选题]当输入信号频率为fL或fH时,放大电路电压增益的幅值约下降为通带内水平增益的 . A.0.5倍 B.0.7倍 C ...

8. 【模拟电子技术基础】本章讨论问题答案1

   第0章 绪论 ●什么是信号?为什么常将非电的物理量通过传感器转换为电信号? 答:信号是反映消息的物理量,例如工业控制中的温度.压力.流量.自然界的声音信号等,因而信号是消息的表现形式.人们所说的信息, ...

9. 7.深入浅出：互补输出级——参考《模拟电子技术基础》清华大学华成英主讲

   在集成放大电路里面,电路分为输入级.中间级和输出级,其中信号怎么输出呢?直接输出可以吗? 信号有时候为正,有时候为负,怎么保证三极管都能放大且有比较好的性能呢? 最常用的就是互补输出级,意思是指利用两 ...

10. 2.深入浅出：晶体管共射极、共集电极、共基极接法的特点——参考《模拟电子技术基础》清华大学华成英主讲

    对于刚刚学习三极管的同学们来说,共射极.共集电极和共基极的接法会让我们头晕目眩.今天笔者就来深入浅出地来对比理解一下三者的区别,主要是从放大倍数和输入输出电阻等来进行对比,最后总结出这三种电路的常用用 ...

最新文章

1. 怎样打开win7和vista系统的telnet服务
2. iOS 如何写出更加严谨的应用
3. Spring高级程序设计(Spring框架创始人倾情推荐的权威开发指南)
4. H3C S5560交换机风扇反转告警
5. （软件工程复习核心重点）第十二章软件项目管理-第一节：软件项目管理综述、估算软件规模和工作量估算
6. C++ unsigned long 转化为 unsigned char*
7. php伪静态规则生成,SEO工具箱：PHP自动生成PHPCMS伪静态规则.htaccess
8. Discuz!NT 系统架构分析(以前的)
9. php寻仙记,寻仙记文字游戏完整实测源码 - 下载 - 搜珍网
10. Sbo之于中国的使用现状分析
11. 计算机自主招生证书,高校自主招生必备常识：五大学科竞赛证书含金量
12. github搜索语法-信息搜集指南----总结
13. 为什么我要选择使用 Yarn 来做 Docker 的调度引擎
14. 从零开始的神棍之路 ----模拟（细节）
15. POND：高效的 Python 通用对象池库
16. 沃利斯圆周率用c语言,沃利斯圆周率计算公式！
17. LoadRunner破解
18. linux windows 运维比较,linux与windows的比较_系统运维_linux操作_linux系统_课课家
19. 给简书找BUG赢好礼17.06.02——简书Android 2.4.0 公测【私密文章支持预览/手机支持直接提现】...
20. 自学python编程笔记本推荐-适合编程的笔记本

热门文章

1. 使用Statistic统计代码行数
2. linux下查看opencv版本
3. ZEMAX | 使用点扩散函数的衍射极限成像系统的分辨率
4. java中常量池存的是什么_Java中常量池是什么？Java常量池的介绍
5. 抖音一个老人和一个机器人歌曲_抖音M哥很火的歌曲有哪些
6. 洛谷试炼场---提高历练地2
7. python爬取图虫网图库
8. 404页圈小猫游戏源码
9. 微信公众号开发之分享功能
10. origin与matlab拟合的不同,Origin自定义模拟与matlab中cftool工具箱拟合结果比较 - 计算模拟 - 小木虫 - 学术 科研 互动社区...