计算机电路基础（第2版）半导体器件

计算机电路基础 半导体器件 教学提示： 半导体器件是构成电子线路的基本单元， 掌握半导体器件的基本特性是分析电子线路的基础。 本章首先讨论半导体的特性，然后分别介绍 极管、三极管、场效应管 (和晶闸管 )的基本知识。 教学目的： 型半导体、 2. 掌握半导体二极管、三极管和场效应管工作原理、 伏安特性和主要参数； 3. 了解其它类型的半导体器件。 主要内容 半导体与 半导体二极管 半导体三极管 场效应管 复合管 半导体与 导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体 . 常用的半导体材料是锗（ 硅（ 本征半导体 最外层都有四个价电子 ; 每一个价电子都和邻近原子 的价电子组成一对共价键， 形成相互束缚的关系。 定状态。 这时半导体内部没有任何带电的粒子存在， 半导体材料相当于 绝缘体 。 温度或外界光照影响下， 价电子 电子得到能量，其中少数 能量较大的 价电子可以摆脱共价键的束缚而形成 自由电子 ,这种现象称为本征激发 穴对 : 价电子脱离了共价键束缚后，在原共 价键中缺少一个应有的电子而留下了 “ 空穴 ” ，形成电子空穴对 . “空穴 ” 因失去电子而形成的， 被视为带单位正电荷 . 带正电荷的空穴，会吸引相邻原子上的价电子来填补 (复合 )，而在这个价电子的原来地方留下新的空穴。 空穴 (+)和电子 (-)都是带电的粒子，称为载流子 . 空穴和电子的运动是杂乱无章的 , 在本征半导体中不构成电流。 在外界环境影响下，电子和空穴 的激发和复合是同时 进行的，并保持动态平衡，使电子空穴的浓度保持不变。 随着温度的升高，本征激发会提高电子空穴对浓度。 型半导体 本征半导体中空穴 (+)和电子 (-)是等量的而且很少 . 在本征半导体中掺入微量的其它 (杂质 )元素 ,掺杂后的半导体 质半导体。 掺杂的元素不同， 杂质 )半导体和 N(杂质 )型半导体。 在本征半导体锗或硅中掺入五价的磷 (P)或锑 (素，杂质原子代替本征半导体晶格中的某些锗或硅的原子，并提供一个多余价电子，它仅受本身原子核的吸引，只要获得少量的能量就能挣脱原子核的束缚而成为自由电子。 五价的杂质元素提供多余 的价电子，称此杂质为 施主杂质 。 掺入施主杂质后的半导体中 自由电子的浓度远大于空穴， 这样的半导体称为 自由电子称为 多数载流子 ， 空穴称为 少数载流子 . 五价的杂质原子由于给出一个 价电子后成为 带正电荷的离子 , 它是被束缚在半导体晶格中不能移动而不能参与导电。 空穴 在本征半导体锗或硅中掺入三价的元素 (B)或 ( 三价元素的原子代替本征半导体晶格中（锗或硅）的原子。 由于三价元素只有三个价电子，使第四对共价键留下 “ 空穴 ” ，邻近原子共价键上的电子只需获得少量的能量就能填补这个空穴， 三价的杂质元素的原子能接受电子，故称为 受主杂质 。 掺杂后的半导体中 空穴为多数载流子 ， 自由电子为少数载流子 ，这样的半导体称为 负离子 多子空穴 少子电子 型半导体 简化结构 纯净的半导体晶片上， 一边掺杂成 一边掺杂成 如下图 . 1): 浓度的差异引起载流子 的运动称为扩散运动 . 扩散从 区的交界处开始。 空穴扩散到 在 电子扩散到 2)空间电荷区 : 在 区的交界附近形成一个不能移动的正、负离子的空间电荷区称为 3) 由正、负离子组成的空间电荷区 ,其电场是由 区， 即 (见上页图 ) 内电场力阻碍多子的扩散，有利于双方少子向对方运动 (飘移 运动 )。飘移运动所形成的电流称为飘移电流。 4)动态平衡 少子的飘移运动 (复合对方的离子 )会使空间电荷区变窄， 消弱了内电场。使内电场力减小，又有利于扩散的进行。 扩散 空间电荷区 内电场力 飘移运动 消弱了内电场 动态平衡 间电荷区稳定 (1)如图 区接电源的正极， 外电场消弱了内电场，使 变窄，破坏了原动态平衡，多子的 扩散大于少子的飘移，外电路可测 到一个正向电流 I，此时称为 . 电阻 . 会有不同的导电特性。 (2): 如图 . 外电场增强了内电场 ， 使 破坏了原有的 动态平衡 ， 加强子的飘移运动 。 少子的数量很少 少子的 飘移运动产生的电流很小 ， 可忽略不计 ， 此时称为 电阻 。 (3) 正向导通； 反向截止 。 半导体二极管 基本结构 一个 加上外壳 封装 ,如右图 (a)。 半导体二极管用图 (b)符号表示 . 加工工艺不同 ,二极管 类型 : 点接触型二极管 : 过电流小。结电容小，多用于 高频与开关电路。点接触型二极管多是锗管。 面接触型二极管 : 通过大的电流，工作频率低， 多用于整流电路。此类管一般是硅管。 伏安特性 伏安特性曲线 : 是指流过二极管的电流和二极管两端电 压之间的关系曲线，如下图。 流过二极管的电流才随电压的 增加而呈指数式大 导通区 死区 )电压。 锗管 :硅管 : 使二极管上有明显的电流流过，锗管正向电压应取 ( ; 硅管正向电压应取 (， 这个电压称为二极管导通电压 向导通压降 )。 死区 导通区 1): 二极管加反偏置电压时 ， 只有少数载流子的飘移运动产生微 小的反向电流 ，称为反向饱和电流 极管反向截止 。 2) 当反向电压加大到某一数值时 ， 反向电流将会急剧增加 ， 称为反向击穿 ， 该反向电压称为反向击穿电压 这时 ， 二极管失去单向导电的特性 。 主要参数 大正向平均电流 . 的极限参数 。 向导电性能好坏的指标 . 稳压二极管 (左图 ) 当二极管两端的反向电压加大到一定程时 , 反向电流急剧增加大 极管反向击穿特性 . 在这区间里，反向电流在很大范围内变化， 而二极管两端电压基本不变。 采用特殊的工艺可制作成稳压二极管， 它在电路中能起到稳压的作用。工作在反向穿 状态下，它的反向击穿是可逆的。 (1)稳定电压 是稳压二极管正常工作时的稳压 值 (2)稳定电流 常稳压时的最小工作电流 。 (3)动态电阻 稳压性能越好 . 正向特性 反向特性 V I 半导体三极管 三极管的基本结构 一块半导体基片上掺杂形成三个区。由 区的排列不同， 三极管分成两类： 图 (a)和 (b)所示。 三个区 两个结 三个极 三极管的电流放大作用 。 发射结有明显的电流流过， 锗管正向电压应 ( ; 硅管正向电压应 (， (正向导通压降 )。 。 三极管 (要实现放大的 条件 :如图 (a)所示 。 E (1)电子向基区扩散形成电流 (2)空穴，向发射区扩散形成电流 (3)两者的电流方向相同，形成发射极电流 E = (1)电流 绝大多数都能穿越基区到达集电结附近。 (2)区和集电区的少子互向对方飘移，形 成飘移电流 为反向电流。 (3) 上已知 :基区中多子 空穴，向发射区扩散形成电流 4) 组成基极电流 (5 C (1) 集结在集电结附近发射区发射过来的大量电子 , 被 流向 形成 (2)上已知 :基区和集电区中少子飘移 ， 产生飘移电流 3) 集电极电流 : - + (5 C 已知 :式 (5 (5 (5下 : (5 (5 - + (5而 (5(5得 即 : 析可看出： 发射极电流 把三极管看成一个结点 ， 根据基尔霍夫电流定律 ， 则可写成 : 将 由于 , 称为直流 放大 倍数 同样可写成电流变化量比 : 称为交流放大倍数 在实际中 ， 两个放大倍数在数值上很接近 ， 常相互替换 . 可看出 :当 很小的变化时，就会控制 很大变化 . B I I 在上述分析的图 (a)电路中 : 发射极是基极回路 (输入回路 )和集电极回路 (输出回路 )共有 ， 此电路的接法称为共发射极电路 。 所以这里的电流放大系数的全称应为共发射极电流放大系数 ， 简称为电流放大系数 。 对于具体的某个三极管 ， 它一旦制作完成 ，其电流放大系数就确定了而不会改变 。 三极管伏安特性曲线 伏安特性曲线包括输入特性曲线和输出特性曲线 见图 )或用晶体管图示仪获得 。 输入回路 输出回路 输入回路的函数关系式： f (发射极之间的电压 基极回路中基极电流 发射极间电压 右图所示 。 集电结加有反向偏置电压 : 输入特性曲线和二极管的伏安特性曲线相同 (1)死区 : 死区 导通区 基极电流 集电极回路中 发射极间电压 函数关系式为 : f ( 常数 完整的输出特性曲线如右图 . 输出特性曲线分成三个工作区域 : 截止区： 饱和区： 放大区： 代表三极管的三个不同的工作状态 。 放大区 输出特性曲线 (1)截止区： 位于输出特性曲线的最下端 ， 三极管的两个结都处于反向偏置状态 ， 即 正向偏置 ， 集电结 ( 可看出： 的关系 。 和工作状态 ， 一般认为：当 极 型的衬底相连接 . 在靠 近绝缘层表面 应负电荷随着 生 N+型 层 两个 N+型区之间形 成了一条 形成 称为开启电压 (2)区中的电子就会沿 着导电沟道到达漏极，形成漏极电流 加大 电沟道加宽，导电能力增 强， 曲线 ,反映了 GS(，沟道形成，加上 生且会随着 (3)随着 电沟道加宽，导电能力增强， 输出特性曲线可分成三个区 : 在 区中 :当 GS(， 为可变线性电阻区 在 区中 : 而是维持在某一个数值上， 称为恒流区。 呈现出很大的输出电阻 在不同的栅源电压下，漏极的电流是呈线性增大的 跨导 效应管是电压控制器件 。 跨导 - 栅源电压对漏极电流控制能力的强弱 。 在 数时 ， 单位为西 门子 ， 符号为 S， 一般为毫西 ( 常数结型场效应管 如右图 5所示 : (1)在一低掺杂的 掺 杂成两个高浓度的 P+区 ， 形成两 个 P+N 结耗尽层 。 (2)将两个 P+区连接在一起 ， 作为控 制栅极(G). (3) 即 源极 (S)和漏极 (D). 形成一个 如果采用 控制栅极为 N+区 ， 则成为 它们的符号如下图所示 。 (右图 ) (1)， ， 则 的电子 ， 在电场力的作用下 ， 就会 沿着两个 P+区所形成的中间通道 (称为 ， 从源极 (S)向漏极 (D)移动 ， 在外电路形成漏极电流 (2)在 之间加上反向偏置 (1， 所以 21极管 2复合的结果 : 复合的结果是放大系数增大了 ， 但它的穿透电流也是同数量级地增