1.4.2 光敏二极管
a) 光敏二极管伏安特性曲线
b) 光敏二极管图形符号
图1-17 光敏二极管伏安特性曲线及图形符号
1.4.3 发光二极管
发光二极管简写为LED，其工作原理与光电二极管相反。 由于它采用砷化镓、磷化镓等半导体材料制成，所以在通 过正向电流时，由于电子与空穴的直接复合而发出光来。
a) 发光二极管图形符号
b) 发光二极管工作电路
图1-18 发光二极管的图形符号及其工作电路
1.5 双极型晶体管
• 双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor， BJT），简称晶体管，它是通过一定的工艺 将两个PN结结合在一起的器件。由于PN结 之间相互影响，BJT表现出不同于单个PN 结的特性，具有电流放大作用，使PN结的 应用发生了质的飞跃。
1．输入特性曲线 UCE=0V的输入特性曲线类似二极管正向于特性曲线。UCE≥1V时，集电极 已反向偏置，而基区又很薄，可以把从发射极扩散到基区的电子中的绝大 部分拉入集电区。此后，UCE对IB就不再有明显的影响，其特性曲线会向 右稍微移动，但UCE再增加时，曲线右移很不明显，就是说UCE≥1V后的 输入特性曲线基本是重合的。所以，通常只画出UCE≥1V的一条输入特性 曲线。
PN结的两端外加不同极性的电压时，PN结呈现截然 不同的导电性能。
1．PN结外加正向电压
当外加电压V，正极接P区，负极接N区时，称PN结外加正 向电压或PN结正向偏置(简称正偏)。外加正向电压后，外 电场与内电场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。 外电场促使N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正 空间电荷，P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间 电荷，整个空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子 的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（正向电流）。在 一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大，PN结呈现出一 个阻值很小的电阻，称为PN结正向导通。
图1-22 晶体管输入特性曲线
1.5.3 晶体管的特性曲线
2．输出特性曲线 输出特性曲线是指基极电流IB一定时，输出回路中集电极 电流IC与输出电压UCE的关系曲线，即
I性曲线是以IB为参变 量的一族特性曲线。对于其中某 一条曲线，当UCE=0 V时，IC=0； 当UCE微微增大时，IC主要由 UCE决定；当UCE增加到使集电 结反偏电压较大时，特性曲线进 入与UCE轴基本平行的区域。晶 体管输出特性曲线如图1-23所示。 输出特性曲线为分为3个工作区域 分别为饱和区、截止区和放大区。
1.5.1 双极型晶体管的基本结构
a) PNP型晶体管结构示意及图形符号
b) NPN型晶体管结构示意及图形符号
为使晶体管具有放大作用，在制造晶体管时考虑以下的工 艺要求：
（1）发射区的掺杂浓度很高，便于多子的发射； （2）基区做得很薄，而且掺杂浓度比发射区和集电区的 要低得多； （3）集电区面积较大，便于收集由基区越过的载流子， 也有利于散热。
1.5.2 双极型晶体管的电流分配与放大原理
1．晶体管内部载流子的运动情况
（1）发射区向基区注入电子，形成发射极电流IE
（2）电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流IB （3）集电区收集扩散过来的电子，形成集电极电流IC
2．电流分配关系
综上所述，晶体管的3个电极电流分配关系有：
IE＝IB＋IC IC=ICN + ICBO ≈ICN
图1-23 晶体管输出特性曲线
2．输出特性曲线
1.2.2 PN结的单向导电性
1．PN结外加正向电压
图 PN结正向偏置电路
1.2.2 PN结的单向导电性
1．PN结外加反向电压
当外加电压，正端接N区，负端接P区时，称PN结外加 反向电压或PN结反向偏置(简称反偏) 。此时，外加电 场与内电场的方向一致。外电场与内电场一起阻止多 子的扩散运动而促进少子的漂移运动，使空间电荷区 变宽。由于漂移运动占主导，而少子数量极少，由少 子形成的反向电流很小（µA级），近似分析时可忽略 不计。此时，PN结呈现出一个阻值（一般为几千欧 姆～几百千欧姆）很大的电阻，称为PN结反向截止。
+4表示 除去价电 子后的原
子
+4 +4
+4
+4
共价键共 用电子对
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电 子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导 体的导电能力很弱。
半导体的导电机理
当温度升高或受到光的照射时，使一些价电子获得足够的能 量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个 空位，称为空穴。——这一现象称为本征激发，也称热激发。
1.1.1 本征半导体及其导电特性
• 本征半导体是完全纯净、晶体结构完整的半导体。 在本征半导体的晶体结构中，每个原子与相邻的 4个原子结合，每一个原子的价电子与另一个原 子的价电子组成一个电子对，这对价电子是两个 相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起形 成共价键结构。
硅和锗的 晶体结构：
半导体的共价键结构
1.4 特殊二极管
• 1.4.1 稳压二极管
1．稳压管的稳压作用
稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管，通过反向击穿特性实现稳压作用。 稳压管的伏安特性与普通二极管类似，其正向特性为指数曲线；当外加反向电 压的数值增大到一定程度时则发生击穿，击穿曲线很陡，几乎平行于纵轴，电 流在一定范围内时，稳压管表现出很好的稳压特性。
第1章 半导体器件的基本知识
• 1.1 半导体基本知识 • 1.2 PN结 • 1.3 二极管 • 1.4 特殊二极管 • 1.5 双极型晶体管 • 1.6 场效应晶体管
1.1 半导体基本知识
• 自然界的物质根据导电能力(电阻率)的不同分为导体、绝 缘体和半导体三大类。半导体除了在导电能力方面与导体、 绝缘体不同，还具有独特的性能。
本征半导体中 存在数量相等的两 种载流子，即自由 电子和空穴。
1.1.2 杂质半导体
1．N型半导体 本征半导体（如硅）中掺入五价元素(如磷)，由于掺入磷 原子比硅原子数量少的多，因此整个晶体结构基本上不变， 只是某些位置上的硅原子被磷原子取代。磷原子与周围的 硅原子形成共价键结构只需四个价电子，多出来的第五个 价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子，于是 半导体中自由电子的数目大量增加。半导体掺入磷原子结 构示意图如图1-3所示。在这样的半导体中，自由电子数远 超过空穴数，电子为多数载流子（简称多子），空穴为少 数载流子（简称少子），它的导电以自由电子为主，故这 种掺杂半导体称为电子型（N型）半导体。N型半导体示意 图如图1-4所示。
+4
+4
自由电子
空穴
+4
+4
束缚电子
复合：自由电子填补空穴中的运动，称为复合。
半导体的导电机理
空穴导电
自由电子
+4
+4
+4 空穴
+4
+4 ＋ +4
+4
+4
+4
在其它力的作用 下，空穴吸引附近 的电子来填补，这 样的结果相当于空 穴的迁移，而空穴 的迁移相当于正电 荷的移动，因此可 以认为空穴是载流 子。
a) 稳压二极管伏安特性曲线
b) 稳压二极管图形符号
图1-16 稳压二极管伏安特性曲线及图形符号
• 1.4.1 稳压二极管
2．稳压管的主要参数
（1）稳定电压UZ （2）稳定电流IZ （3）动态电阻 （4）最大允许耗散功率PZM
1.4.2 光敏二极管
• 光敏二极管也是一种特殊二极管。在电路 中它一般处于反向工作状态，当没有光照 射时，其反向电阻很大，PN结流过的反向 电流很小，当光线照射在PN结上时在PN结 及其附近产生电子空穴对，电子和空穴在 PN结的内电场作用下作定向运动，形成光 电流。如果光的照度发生改变，电子空穴 对的浓度也相应改变，光电流强度也随之 改变。可见光敏二极管能将光信号转变为 电信号输出。
a) 二极管结构示意图
b) 二极管图形符号
图1-10 二极管结构示意图及图形符号
1.3 二极管
1.3.2 伏安特性 二极管的伏安特性是表示加到二极管两端电压与流
过二极管电流关系的曲线。半导体二极管的伏安特性曲 线如图1-11所示。
图l-11 半导体二极管的伏安特性曲线
1.3.2 伏安特性
1．正向特性
2．反向特性
1.3.2 伏安特性
二极管加上反向电压时，主
要是少数载流子的漂移运动形成 电流，由于少数载流子数量极少， 电流很小，二极管呈现很大的电 阻。
反向电流有两个特性：（1） 随温度的上升增长很快；（2）当 反向电压不超过某一数值，反向 电流不随反向电压改变而改变， 这时的电流称为反向饱和电流IS。 图l-11 半导体二极管的伏安特性曲线
1.2.2 PN结的单向导电性
1．PN结外加反向电压
图 PN结反向偏置电路
1.3 二极管
1.3.1 基本结构
• PN结外加上引线和封装就成为一个二极管，二极 管结构示意图及图形符号如图1-10所示，P区的 一端称为阳极，N区的一端称为阴极。图1-10b所 示图形符号中箭头指向为正向导通时的电流方向。
由图l-11可知，当外加正向电压很 低时，外电场还不能克服PN结内 电场对多数载流子扩散运动所形 成的阻力，正向电流很小，二极 管呈现很大的电阻。当正向电压 超过一定数值后（这个数值的正 向电压称为死区电压或阈值电 压），内电场被大大削弱，电流 增加得很快，二极管呈现很小的 电阻。硅管的阈值电压约为0.5V， 锗管约为0.1V。二极管正向导通 图l-11 半导体二极管的伏安特性曲线 时，硅管的压降一般为0.6～0.8 V，锗管则为0.2～0.3V。
IB=IBN－ICBO ≈IBN