第一章半导体器件与其应用

1、第一章半导体器件与其应用1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识 导体 物质按导电性能可分 半导体 绝缘体 半导体材料有:硅（Si）和锗（Ge）等。1.1.1 本征半导体本征半导体 本征半导体纯净的半导体。 共价键形式存在。 1、本征半导体的两种载流子、本征半导体的两种载流子-电子和空穴电子和空穴2、本征半导体的特性、本征半导体的特性 光敏特性光照增强时，导电性能加强。 热敏特性温度升高时，导电性能加强。 可掺杂特性掺入微量的其他元素，导电能力大大加强。3 3、杂质半导体杂质半导体杂质半导体的分类：N型半导体和P型半导体。N型半导体电子型半导体在本征半导体中掺入五价元素，由于杂质原子的最外层有

2、5个价电子，因此它与周围 4个硅（锗）原子组成共价键时，多余出1个价电子，它不受共价键的束缚而为自由电子，并留下带正电的杂质离子，它不能参与导电。N型半导体的多子多子N型半导体的少子少子+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子P型半导体空穴型半导体在本征半导体中掺入三价元素，由于杂质原子的最外层有3个价电子，因此它与周围 4个硅（锗）原子组成共价键时，多余出1个“空位子”即空穴。P型半导体的多子多子P型半导体的少子少子 注意注意：1.不论N型半导体还是P型半导体都是电中性，对外不显电性。2.杂质半导体多子和少子移动都形成电流。主要是多子起导电作用。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子 1.

3、1.2 PN结结 1PN结的形成结的形成 在半导体基片上分别制造N型和P型两种半导体。经过载流子的扩散运动和漂移运动,两运动最终达到平衡，由离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 1.1.2 PN结结 1PN结的形成结的形成 2. PN结的单向导电性结的单向导电性PN 结加正向电压正偏的意思是： P 区加正、N 区加负电压。 PN 结加反向电压反偏的意思是： P 区加负、N 区加正电压。PN 结正向偏置结正向偏置PNPN结处于导通状态结处于导通状态。 PN反向偏置反向偏置 PN结处于截止状态。结处于截止状态。 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.1 1.2.1 二极管的结构和符号二极管的结构

4、和符号二极管的结构按PN结形成的制造工艺方式分： 点接触型 面接触型 点接触型点接触型面接触型面接触型适合用作高频检波器件。适用于作整流器件二极管按用途分为 ： 整流管、 检波二极管、 稳压二极管、 光电二极管 开关二极管等。二极管的伏安特性二极管的伏安特性 1 1 二极管伏安特性二极管伏安特性通过二极管的电流I与端电压U之间的关系曲线。正向特性：正向特性：1.1.死区电压死区电压硅管的死区电压约为0.5 V锗管的死区电压约为2.2.正向导通压降正向导通压降U UF F硅管的UF为锗管的UF为0.20.40.60.8O5101530 U(BR)CCDDIRAABB硅锗iV / mAuV / V

5、(A)5反向特性反向特性 反向饱和电流反向饱和电流硅管的反向饱和电流为1微安以下锗管的反向饱和电流为几十到几百微安反向击穿电压反向击穿电压。 发生反向击穿后，造成二极管的永久性损坏，失去单向导电性。1.2.3 1.2.3 温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响0.20.40.60.8O5101530 U(BR)CCDDIRAABB硅锗iV / mAuV / V(A)5温度升高 二极管的正向压降将减小； 反向饱和电流随将增加； 反向击穿电压将降低 1.2.4 半导体器件型号命名法半导体器件型号命名法 根据国家标准,半导体器件的型号由五部分组成: 一、一、用阿拉伯数字表示器件的电极数目，规定

6、：2代表二极管， 3代表三极管。二、二、用汉语拼音字母表示器件的材料，规定：A、B是锗材料， C、D是硅材料。三、用汉语拼音字母表示器件的用途，如：P普通管；Z整流管；K开关管；W稳压管。四、用阿拉伯数字表示序号，反映了管子在极限参数、直流参数和交流参数等方面的差异。五、用汉语拼音字母表示规格号，反映了管子承受反向击穿电压的程度。如A、B、D.其中A承受反向击穿电压最低,B次之.1.2.5 二极管的主要参数二极管的主要参数参数的作用： (1)定量描述二极管在某一方面的性能。 (2)根据二极管的参数来合理选用二极管。二极管的主要参数有：(1)最大整流电流IF:二极管长期工作时允许通过的最大正向平

7、均电流。 (2)最大反向工作电压URM ：二极管在工作时所能承受的最大反向电压值。 URM通常为反向击穿电压UBR 的一半。 (3)最高工作频率fM：保持二极管单向导通性能，外电压允许最高频率。(4)其他参数：结电容、正向压降等。1.2.6 1.2.6 特殊二极管介绍特殊二极管介绍1.1.稳压二极管稳压二极管工作区域这种“反向击穿”是可恢复的 只要外电路保障电流在限定范围内，就不致引起热击穿而损坏稳压管。(1)(1)稳压管的主要参数稳压管的主要参数稳定电压UZ：当稳压管中的电流为规定值时，稳压管两端的电压值。稳定电流IZ ：有最大稳定电流IZmax和最小稳定电流IZmin 和工作电流之 分。一

8、般来说，稳压管的工作电流要大于IZmin ，而小于Izmax动态电阻RZ：动态电阻RZ越小越好(2) (2) 稳压管的稳压管的应用应用UI是不稳定的可变直流电压UO是希望得到的稳定的电压R是限流电阻VDZ是稳压管RL是负载电阻。（3 3）使用稳压管的注意事项）使用稳压管的注意事项 外加电源正极接N区,负极接P区； 稳压管应与负载电阻R并联； 应采取限流措施，以防热击穿。 VRLUI-+IRIZIOUO+-例 在图中，已知稳压二极管的UVDZ=6.3V, 当UI=20V，R=1k时，求UO。已知稳压二极管的正向导通压降UF=0.7 V。 解当UI=+20V, VDZ1反向击穿稳压，UVDZ1，V

9、DZ2正向导通，UF2，则UO=+7V；同理，UI= -20V, UO= -7V。 2.2.发光二极管发光二极管(LED)(LED) 发光二极管是一种将电能直接转换成光能的固体器件，在PN结上加正向电压时就会发光的二极管，用于信号指示等电路中 。发光二极管电路符号如图 V3.3.光电二极管光电二极管使用时其PN结工作在反向偏置状态下，它是将光信号转变为电信号的半导体器件。光电二极管电路符号如图VIU照度增加照度增加4.4.变容二极管变容二极管利用PN结的电容效应工作的，它工作于反向偏置状态. 5.5.激光二极管激光二极管 激光二极管工作时，接正向电压，当PN结中通过一定的正向电流时，PN结发射

10、出激光。1.3 半导体二极管的应用半导体二极管的应用二极管可用来整流、检波、 钳位、 限幅、 开关以及元件保护。 1 整流整流所谓整流, 就是将交流电变为单方向脉动的直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相、三相等各种形式的整流电路。 2 钳位钳位利用二极管正向导通时压降很小的特性， 可组成钳位电路。图中，F点的电位被钳制在A点电位左右， 即UF0。 3 限幅限幅 利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性， 可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值以内。图1.1.6(a)为一双向限幅电路，设输入电压ui=10sint(V), Us1=Us2=5V。 当-Us2uiUs1时

11、，VD1处于正向偏置而导通，使输出电压保持在Us1。 当ui-Us2时， VD2处于正向偏置而导通，输出电压保持在-Us2。由于输出电压uo被限制在+Us1与-Us2之间，即|uo|5V, 好像将输入信号的高峰和低谷部分削掉一样, 因此这种电路又称为削波电路。 输入、 输出波形如图1.1.6(b)所示。 4 元器件保护元器件保护 在电子线路中，常用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害，如图所示电路，L和R是线圈的电感和电阻。 在开关在开关S接通时：接通时：电源E给线圈供电，L中有电流流过， 储存了磁场能量。在开关在开关S突然断开时：突然断开时：L中将产生一个高于电源电压很多倍的自感电动势e

12、L，eL与E叠加作用在开关S的端子上，在S的端子上产生电火花放电， 这将影响设备的正常工作，使开关S寿命缩短。接入二极管接入二极管VD后后，eL通过二极管VD放电, 使L中储存的能量不经过开关S放掉， 从而保护了开关S。 1.4 单相整流滤波电路单相整流滤波电路 单相整流电路可以把交流电利用二极管的单向导通原理整变成直流电。单相整流电路分为半波整流、全波整流、桥式整流和倍压整流电路。单相半波整流电路单相半波整流电路1.单相半波整流电路的结构工作原理单相半波整流电路的结构工作原理单相半波整流如图所示。其中u1、u2分别表示变压器的原边和副边交流电压，为负载电阻。RL图1.1.9设u2= U2 s

13、intV，在在u2的正半周内的正半周内，二极管VD正偏导通，此时有电流经过二极管流过负载，忽略二极管上压降，负载上输出电压uO=u2，输出波形与u2相同。在在u2负半周内，负半周内，二极管V承受反向电压，此时二极管截止， 负载上无电流流过，输出电压uO=0，此时u2电压全部加在二极管V上。其电路波形如图所示。22、负载上直流电压和电流的估算、负载上直流电压和电流的估算半波整流的情况下，负载两端的直流电压为：UO2 负载中的电流：IO2/RL3、二极管的选择、二极管的选择在半波整流电路中选用二极管时：二极管的最大正向电流应大于负载电流二极管的最大反向电压就是变压器二次侧电压的最大值。4、半波整流

14、的优缺点、半波整流的优缺点优点：优点：单相半波整流电路简单，使用元器件少；不足不足: 是输出纹波大，电源变压器利用率和整流效率低，所以单相半波整流仅用在小电流且对电源要求不高的场合。 单相桥式整流电路单相桥式整流电路单相桥式整流电路，如图（a）所示。四个二极管组成一个桥， 所以称为桥式整流电路，这个桥也可以简化成如图（b）的形式。 图1.1.11 1. 1. 电路组成和工作原理电路组成和工作原理它属全波整流电路。 2.2.负载上直流电压和电流的估算负载上直流电压和电流的估算半波整流的情况下，负载两端的直流电压为：O.9U2 负载中的电流：IOLRU23、二极管的选择、二极管的选择在桥式整流电路

15、中，每只二极管中的平均电流等于输出电流平均值的一半，二极管的最大反向峰值电压：URM= U24、桥式整流的优缺点、桥式整流的优缺点单相桥式整流电路的优点：输出电压高、变压器利用率高、脉动小。单相桥式整流电路的缺点：二极管的数量多，二极管的正向电阻不为零，整流电路内阻大，损耗也较大。2例有一单相桥式整流电路要求输出电压O ，L=80 ，交流电压为380V， （1） 如何选用二极管? （ 2） 求整流变压器变比和(视在)功率容量？ 由此可选2CZ12C二极管，其最大整流电流1A，最高反向电压为300 V。 ARUILOO4 . 180110AIIOVD7 . 021VUUO1229 . 02VVU

16、URM172122222滤波电路滤波电路 单相半波和桥式整流的输出电压在方向上没有变化， 但 输出电压起伏较大，为了得到平滑的直流电压波形，必须采用滤波电路，以改善输出电压的脉动性，常用的滤波电路有电容滤波、 电感滤波、 LC滤波和型滤波。 1. 电容滤波电路电容滤波电路（1）、工作原理）、工作原理最简单的电容滤波是在负载RL两端并联一只较大容量的电容器，如图（a）所示。 设电容C上初始输出电压为零，接通电源时u2开始增大，电容器开始充电。一般充电速度很快，uO=uC=22U 此后，由于u2 ICM时，可导致三极管损坏。 反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时， 集电极、 发射极之间最大允许

17、电压为反向击穿电压U（BR）CEO，当UCEU（BR）CEO时，三极管的IC、IE剧增，使三极管击穿。为可靠工作，使用中取 CEOBRCEUU)()3221( 根据给定的PCM值可以作出一条PCM曲线如图所示， 由PCM、ICM和U（BR）CEO包围的区域为三极管安全工作区。 1.6 场效应晶体管场效应晶体管场效应管（FET）：是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称为单极型晶体管。场效应管特点：体积小，重量轻、寿命长、输入电阻高，噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、省电。场效应管分类：结型和绝缘栅型两种。结型场效应管分类：N沟道和P沟道两

18、种。1.6 场效应晶体管场效应晶体管结型场效应管的特点和类型结型场效应管的特点和类型 1.结型场效应管的结构及符号结型场效应管的结构及符号 结型场效应管也是具有PN结的半导体器件，图（a）绘出了N沟道结型场效应管的结构（平面）示意图。它是一块N型半导体材料作衬底，在其两侧作出两个杂质浓度很高的P+型区，形成两个PN结。从两边的P型区引出两个电极并联在一起，成为栅极(G)；在N型衬底材料的两端各引出一个电极， 分别称为漏极（D）和源极（S）。两个PN结中间的N型区域称为导电沟道，它是漏、源极之间电子流通的途径。这种结构的管子被称为N型沟道结型场效应管，它的代表符号如图（b）所示。 图1.6.1

19、如果用P型半导体材料作衬底，则可构成P沟道结型场效应管，其代表符号如图1.6.1(c)所示。N沟道和P沟道结型场效应管符号上的区别，在于栅极的箭头方向不同，但都要由P区指向N区。 2. 基本工作原理。基本工作原理。 上述两种结构的结型场效应管工作原理完全相同，下面我们以N型沟道结型场效应管为例进行分析。研究场效应管的工作原理，主要是讲输入电压对输出电流的控制作用。在图中，绘出了当漏源电压UDS=0时，栅源电压UGS大小对导电沟道影响的示意图。 图1.6.2 （1）当UGS=0时，PN结的耗尽层如图1.6.2(a)中阴影部分所示。耗尽层只占N型半导体体积的很小一部分，导电沟道比较宽，沟道电阻较小

20、。 （2）当在栅极和源极之间加上一个可变直流负电源UGG时，此时栅源电压UGS为负值，两个PN结都处于反向偏置， 耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻加大，如图1.6.2(b)所示。而且栅源电压UGS愈负，导电沟道愈窄，沟道电阻愈大。 （3）当栅源电压UGS负到某一值时，两边的耗尽层近于碰上，仿佛沟道被夹断，沟道电阻趋于无穷大，如图（c）所示。此时的栅源电压称为栅源截止电压（或夹断电压）， 并以UGS（off）表示。 GS(off)时由以上的分析可知，改变栅源电压UGS的大小， 就能改变导电沟道的宽窄，也就能改变沟道电阻的大小。如果在漏极和源极之间接入一个适当大小的正电源UDD，则N型导电沟道中

21、的多数载流子（电子）便从源极通过导电沟道向漏极作漂移运动，从而形成漏极电流ID。 显然，在漏源电压UDS一定时，ID的大小是由导电沟道的宽窄（即电阻的大小）决定的，当UGS=UGS（off）时，ID0。 于是我们得出结论：栅源电压UGS对漏极电流ID有控制作用。这种利用电压所产生的电场控制半导体中电流的效应， 称为“场效应”。 场效应管因此得名。 ID=f(UGS)|UDS=常数 图给出了某N沟道结型场效应管的转移特性。从图中可以看出UGS对ID的控制作用。UGS=0时的ID，称为栅源短路时漏极电流，记为IDSS。使ID0时的栅源电压就是栅源截止电压UGS（off）。 从图中还可看出，对应不同

22、的UDS，转移特性不同。但是， 当UDS大于一定数值后，不同的UDS, 转移特性是很靠近的， 这时可以认为转移特性重合为一条曲线，使分析得到简化。 此外，图中的转移特性，可以用一个近似公式来表示： 图1.6.3 IDIDSS(1- 0UGSU GS(off) 这样，只要给出IDSS和U GS（off）就可以把转移特性中其它点估算出来。 2) 输出特性曲线 输出特性曲线（也叫漏极特性）是指在栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS之间关系。函数表示为 ID=f(UDS)|UGS=常数 图给出了某N沟道结型场效应管的的输出特性。从图中可以看出，管子的工作状态可分为可变电阻区、恒流区和击穿

23、区这三个区域。 )GSGSUU图1.6.4 (1) 可变电阻区： 特性曲线上升的部分称为可变电阻区。在此区内，UDS较小，ID随UDS的增加而近于直线上升，管子的工作状态相当于一个电阻， 而且这个电阻的大小又随栅源电压UGS的大小变化而变（不同UGS的输出特性的切斜率不同）， 所以把这个区域称为可变电阻区。 (2) 恒流区： 曲线近于水平的部分称为恒流区（又称饱和区）。在此区内，UDS增加， ID基本不变（对应同一UGS），管子的工作状态相当于一个“恒流源”，所以把这部分区域称为恒流区。 在恒流区内， ID随UGS的大小而改变，曲线的间隔反映出UGS对ID的控制能力。从这种意义来讲，恒流区又可

24、称为线性放大区。场效应管作放大运用时，一般就工作在这个区域。 恒流区产生的物理原因，是由于漏源电压UDS在N沟道的纵向产生电位梯度，使得从漏极至源极沟道的不同位置上， 沟道-栅极间的电压不相等，靠近漏端最大，耗尽层也最宽， 而靠近源端的耗尽层最窄。 这样，在UGS和UDS的共同作用下，导电沟道呈楔型，如图所示。 图1.6.5 由于耗尽层的电阻比沟道的电阻大得多，所以UDS增加的部分几乎全部降落在夹断处的耗尽层上，在导电沟道上的电位梯度几乎不变， 因而ID就几乎不变，出现恒流现象。 从上面的分析， 可以得到N沟道结型场效应管产生夹断（即出现恒流）的条件为 UGDUGS(off)UGS(off)0

25、或 UGS-UDSUGS（off）即 UDSUGSUGS（off） (3) 击穿区: 特性曲线快速上翘部分称为击穿区。在此区内，UDS较大， ID剧增，出现了击穿现象。场效应管工作时，不允许进入这个区域。绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管1.N 沟道增强型绝缘栅场效应管的结构沟道增强型绝缘栅场效应管的结构 N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构如图1.6.6(a)所示。它的制作过程是：以一块杂质浓度较低的P型硅半导体薄片作衬底， 利用扩散方法在上面形成两个高掺杂的N+区，并在N+区上安置两个电极，分别称为源极（S）和漏极（D）；然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在二氧化硅表面再安置一个金属电

26、极， 称为栅极（G）；栅极同源极、漏极均无电接触，故称“绝缘栅极”。 图1.6.6 由于这种管子是由金属、氧化物和半导体所组成，所以又称为金属氧化物半导体场效应管，简称MOS场效应管。它是目前应用最广的一种。 根据栅极（金属）和半导体之间绝缘材料的不同，绝缘栅场效应管有各种类型， 例如以氮化硅作绝缘层的MNS管，以氧化铅作绝缘层的MAIS管，等等。 如果以N型硅作衬底，可制成P沟道增强型绝缘栅场效应管。 N沟道和P沟道增强型绝缘栅场效应管的符号分别如图1.6.6(b)和(c)所示，它们的区别是衬底的箭头方向不同。 2. N沟道增强型绝缘栅场效应管的工作原理沟道增强型绝缘栅场效应管的工作原理 在

27、图（a）中，如果将栅、源极短路，那末不论漏、 源极间加的电压极性如何，总会有一个PN结呈反向偏置，漏、 源极间将无电流。 如果在栅、源极间加上一个正电源UGG，并将衬底与源极相连，如图所示。此时，栅极（金属）和衬底（P型硅片）相当于以二氧化硅为介质的平板电容器， 在正栅源电压UGS（即栅-衬底电压UGU）的作用下，介质中便产生一个垂直于P型衬底表面的由栅极指向衬底的电场，从而将衬底里的电子感应到表面上来。 当UGS较小时，感应到衬底表面上的电子数很少，并被衬底表层的大量空穴复合掉；直至UGS增加超过某一临界电压时，介质中的强电场才在衬底表面层感应出“过剩”的电子。 图1.6.7 于是，便在P型

28、衬底的表面形成一个N型层称为反型层。 这个反型层与漏、源的N+区之间没有PN结阻挡层，而具有良好的接触，相当于将漏、源极连在一起（见图）。若此时加上漏源电压UDS，就会产生ID。形成反型层的临界电压，称为栅源阈电压（或称为开启电压）， 用U GS(th)表示。这个反型层就构成源极和漏极的N型导电沟道，由于它是在电场的感应下产生的，故也称为感生沟道。 显然，N型导电沟道的厚薄是由栅源电压UGS的大小决定的。改变UGS，可以改变沟道的厚薄，也就是能够改变沟道的电阻，从而可以改变漏极电流iD的大小。于是，我们得出结论： 栅源电压UGS能够控制漏极电流ID。 上述这种在UGS=0时没有导电沟道，而必须依靠栅源正电压的作用，才能形成导电沟道的场效应管，称为增强型场效应管。 N沟道增强型绝缘栅场效应管的特性曲线（示意图）如图所示。图（a）的转移特性是在 UDS为某一固定值的条件下测出的， 当UGS0的情况下工作， 此时在N型沟道中感应出更多的负电荷，使ID更大。不