〖本章主要內容〗
本章重點講述半導體器件的結構原理、外特性、主要引數及其物理意義，工作狀態或工作區的分析。
首先介紹構成pn結的半導體材料、pn結的形成及其特點。其後介紹二極體、穩壓管的伏安特性、電路模型和主要引數以及應用舉例。然後介紹兩種三極體（bjt和fet）的結構原理、伏安特性、主要引數以及工作區的判斷分析方法。
〖本章學時分配〗
本章分為4講，每講2學時。
第一講常用半導體器件
一、主要內容
1、半導體及其導電性能
根據物體的導電能力的不同，電工材料可分為三類：導體、半導體和絕緣體。半導體可以定義為導電性能介於導體和絕緣體之間的電工材料，半導體的電阻率為10-3～10-9 cm。
典型的半導體有矽si和鍺ge以及砷化鎵gaas等。
半導體的導電能力在不同的條件下有很大的差別：當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化；往純淨的半導體中摻入某些特定的雜質元素時，會使它的導電能力具有可控性；這些特殊的性質決定了半導體可以製成各種器件。
2、本徵半導體的結構及其導電性能
本徵半導體是純淨的、沒有結構缺陷的半導體單晶。製造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為「九個9」，它在物理結構上為共價鍵、呈單晶體形態。
在熱力學溫度零度和沒有外界激發時,本徵半導體不導電。
3、半導體的本徵激發與復合現象
當導體處於熱力學溫度0 k時，導體中沒有自由電子。當溫度公升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛而參與導電，成為自由電子。這一現象稱為本徵激發（也稱熱激發）。
因熱激發而出現的自由電子和空穴是同時成對出現的，稱為電子空穴對。
游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合。
在一定溫度下本徵激發和復合會達到動態平衡，此時，載流子濃度一定，且自由電子數和空穴數相等。
4、半導體的導電機理
自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，因此，在半導體中有自由電子和空穴兩種承載電流的粒子（即載流子），這是半導體的特殊性質。空穴導電的實質是:相鄰原子中的價電子（共價鍵中的束縛電子）依次填補空穴而形成電流。
由於電子帶負電，而電子的運動與空穴的運動方向相反，因此認為空穴帶正電。
5、雜質半導體
摻入雜質的本徵半導體稱為雜質半導體。雜質半導體是半導體器件的基本材料。在本徵半導體中摻入五價元素（如磷），就形成n型（電子型）半導體；摻入三價元素（如硼、鎵、銦等）就形成p型（空穴型）半導體。
雜質半導體的導電性能與其摻雜濃度和溫度有關，摻雜濃度越大、溫度越高，其導電能力越強。
在n型半導體中，電子是多數載流子，空穴是少數載流子。
多子（自由電子）的數量＝正離子數＋少子（空穴）的數量
在p型半導體中，空穴是多數載流子，電子是少數載流子。
多子（空穴）的數量＝負離子數＋少子（自由電子）的數量
6、pn結的形成及其單向導電性
半導體中的載流子有兩種有序運動：載流子在濃度差作用下的擴散運動和電場作用下的漂移運動。同一塊半導體單晶上形成p型和n型半導體區域，在這兩個區域的交界處，當多子擴散與少子漂移達到動態平衡時，空間電荷區（亦稱為耗盡層或勢壘區）的寬度基本上穩定下來，pn結就形成了。
當p區的電位高於n區的電位時，稱為加正向電壓（或稱為正向偏置），此時，pn結導通，呈現低電阻，流過ma級電流，相當於開關閉合；
當n區的電位高於p區的電位時，稱為加反向電壓（或稱為反向偏置），此時，pn結截止，呈現高電阻，流過μa級電流，相當於開關斷開。
pn結是半導體的基本結構單元，其基本特性是單向導電性：即當外加電壓極性不同時，pn結表現出截然不同的導電性能。
pn結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；pn結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。這正是pn結具有單向導電性的具體表現。
7、pn結伏安特性
pn結伏安特性方程：
式中：is為反向飽和電流；ut為溫度電壓當量，當t＝300k時，≈26mv
當u＞0且u >>時，，伏安特性呈非線性指數規律 ；
當u＜0且︱u︱>>時，，電流基本與u無關；由此亦可說明pn結具有單向導電性能。
pn結的反向擊穿特性：當pn結的反向電壓增大到一定值時，反向電流隨電壓數值的增加而急劇增大。pn結的反向擊穿有兩類：
齊納擊穿和雪崩擊穿。無論發生哪種擊穿，若對其電流不加以限制，都可能造成pn結的永久性損壞。
8、pn結溫度特性
當溫度公升高時，pn結的反向電流增大，正嚮導通電壓減小。這也是半導體器件熱穩定性差的主要原因。
9、pn結電容效應
pn結具有一定的電容效應，它由兩方面的因素決定:一是勢壘電容cb ，二是擴散電容cd，它們均為非線性電容。
勢壘電容是耗盡層變化所等效的電容。勢壘電容與pn結的面積、空間電荷區的寬度和外加電壓等因素有關。
擴散電容是擴散區內電荷的積累和釋放所等效的電容。擴散電容與pn結正向電流和溫度等因素有關。
pn結電容由勢壘電容和擴散電容組成。pn結正向偏置時，以擴散電容為主；反向偏置時以勢壘電容為主。只有在訊號頻率較高時，才考慮結電容的作用。
二、本講重點
1、pn結的單向導電性；
2、pn結的伏安特性；
三、本講難點
1、 半導體的導電機理:兩種載流子參與導電；
2、 摻雜半導體中的多子和少子
3、 pn結的形成；
四、教學組織過程
本講宜教師講授。用多**演示半導體的結構、導電機理、pn結的形成過程及其伏安特性等，便於學生理解和掌握。
五、課後習題
見相應章節的「習題指導」。
第二講半導體二極體
一、主要內容
1、半導體二極體的幾種常見結構及其應用場合
在pn結上加上引線和封裝，就成為乙個二極體。二極體按結構分為點接觸型、面接觸型和平面型三大類。
點接觸型二極體pn結面積小，結電容小，常用於檢波和變頻等高頻電路。面接觸型二極體pn結面積大，結電容大，用於工頻大電流整流電路。平面型二極體pn結面積可大可小，pn結面積大的，主要用於功率整流；結面積小的可作為數字脈衝電路中的開關管。
2、二極體的伏安特性以及與pn結伏安特性的區別
半導體二極體的伏安特性曲線如p7圖1.9所示，處於第一象限的是正向伏安特性曲線，處於第三象限的是反向伏安特性曲線。
1）正向特性：當v＞0，即處於正向特性區域。正向區又分為兩段：
（1）當0＜v＜uon時，正向電流為零，uon稱為死區電壓或開啟電壓。
（2）當v＞uon時，開始出現正向電流，並按指數規律增長。
2）反向特性：當v＜0時，即處於反向特性區域。反向區也分兩個區域：
（1）當vbr＜v＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流is。
（2）當v≤vbr時，反向電流急劇增加，vbr稱為反向擊穿電壓。
從擊穿的機理上看，矽二極體若|vbr|≥7 v時，主要是雪崩擊穿；若vbr≤4 v則主要是齊納擊穿，當在4 v～7 v之間兩種擊穿都有，有可能獲得零溫度係數點。
3）二極體的伏安特性與pn結伏安特性的區別：二極體的基本特性就是pn結的特性。與理想pn結不同的是，正向特性上二極體存在乙個開啟電壓uon。
一般，矽二極體的uon=0.5 v左右，鍺二極體的uon=0.1 v左右；二極體的反向飽和電流比pn結大。
3、溫度對二極體伏安特性的影響
溫度對二極體的效能有較大的影響，溫度公升高時，反向電流將呈指數規律增加，矽二極體溫度每增加8℃，反向電流將約增加一倍；鍺二極體溫度每增加12℃，反向電流大約增加一倍。
另外，溫度公升高時，二極體的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降ud大約減小2mv，即具有負的溫度係數。
4、二極體的等效電路（或稱為等效模型）
1）理想模型：即正向偏置時管壓降為0，導通電阻為0；反向偏置時，電流為0，電阻為∞。適用於訊號電壓遠大於二極體壓降時的近似分析。
2）簡化電路模型：是根據二極體伏安特性曲線近似建立的模型，它用兩段直線逼近伏安特性，即正嚮導通時壓降為乙個常量uon；截止時反向電流為0。
3）小訊號電路模型：即在微小變化範圍內，將二極體近似看成線性器件而將它等效為乙個動態電阻rd 。這種模型僅限於用來計算疊加在直流工作點q上的微小電壓或電流變化時的響應。
5、二極體的主要引數
1）最大整流電流iｆ：二極體長期工作允許通過的最大正向電流。在規定的散熱條件下，二極體正向平均電流若超過此值，則會因結溫過高而燒壞。
2）最高反向工作電壓ubr：二極體工作時允許外加的最大反向電壓。若超過此值，則二極體可能因反向擊穿而損壞。一般取ubr值的一半。
3）電流ir：二極體未擊穿時的反向電流。對溫度敏感。ir越小，則二極體的單向導電性越好。
4）最高工作頻率fm：二極體正常工作的上限頻率。若超過此值，會因結電容的作用而影響其單向導電性。
6、穩壓二極體（穩壓管）及其伏安特性
穩壓管是一種特殊的面接觸型半導體二極體，通過反向擊穿特性實現穩壓作用。
穩壓管的伏安特性與普通二極體類似，其正向特性為指數曲線；當外加反壓的數值增大到一定程度時則發生擊穿，擊穿曲線很陡，幾乎平行於縱軸，當電流在一定範圍內時，穩壓管表現出很好的穩壓特性。
7、穩壓管等效電路
穩壓管等效電路由兩條併聯支路構成：①加正向電壓以及加反向電壓而未擊穿時，與普通矽管的特性相同；②加反向電壓且擊穿後，相當於理想二極體、電壓源uz和動態電阻rz的串聯。如p16圖1.
18所示。
8、穩壓管的主要引數
1）穩定電壓uz：規定電流下穩壓管的反向擊穿電壓。
2）最大穩定工作電流izmax 和最小穩定工作電流izmin：穩壓管的最大穩定工作電流取決於最大耗散功率，即pzmax =uzizmax 。而izmin對應uzmin。
若iz＜izmin，則不能穩壓。
3）額定功耗pzm：pzm ＝uz izmax ，超過此值，管子會因結溫公升太高而燒壞。
4）動態電阻rz：rz =vz /iz，其概念與一般二極體的動態電阻相同，只不過穩壓二極體的動態電阻是從它的反向特性上求取的。rz愈小，反映穩壓管的擊穿特性愈陡，穩壓效果愈好。
5）溫度係數α：溫度的變化將使uz改變，在穩壓管中，當uz＞7 v時，uz具有正溫度係數，反向擊穿是雪崩擊穿；當uz＜4 v時，uz具有負溫度係數，反向擊穿是齊納擊穿；當4 v＜vz＜7 v時，穩壓管可以獲得接近零的溫度係數。這樣的穩壓二極體可以作為標準穩壓管使用。
9、穩壓管穩壓電路
穩壓二極體在工作時應反接，並串入乙隻電阻。電阻有兩個作用：一是起限流作用，以保護穩壓管；二是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差訊號以調節穩壓管的工作電流，從而起到穩壓作用。
如p17圖1.19所示。
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