第二章半导体器件基础

1、1 第二章 半导体器件基础2第二章第二章 半导体器件半导体器件 2.1 半导体的半导体的基基本知识本知识 2.2 晶体二极管晶体二极管 2.3 晶体三极管晶体三极管 2.4 场效应管场效应管3导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓，如锗、硅、砷化镓

2、和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识4半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化（热敏性和光敏性）。力明显变化（热敏性和光敏性）。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。5一、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半

3、导体制成晶体晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。的最外层电子（价电子）都是四个。2.1.1 本征半导体本征半导体6本征半导体：本征半导体：完全纯净的（纯度达完全纯净的（纯度达99.9999999%）、）、结构完整的半导体晶体。结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成与其相临

4、的原子之间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价电子。电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：7硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子8共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，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。本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是形成共价键

5、后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。+4+4+4+49二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时, ,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电），它的导电能力为能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共

6、价键的束缚，成为得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由自由电子电子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴10+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子112.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相

7、等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。12温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。13这是因为这是因为

8、游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。随着激发过程的进行，不断有电子获得能量变为复合。随着激发过程的进行，不断有电子获得能量变成自由电子，从而形成更多的空穴电子对，但是随着电成自由电子，从而形成更多的空穴电子对，但是随着电子空穴对的增多，自由电子复合的机会（撞上空穴的机子空穴对的增多，自由电子复合的机会（撞上空穴的机会）也增加了，最终单位时间内激发的自由电子数和会）也增加了，最终单位时间内激发的自由电子数和复复合的自由电子数会达到平衡。只有当温度改变的时候才合的自由电子数会达到平衡。只有当温度改变的时候才能打破这一平衡，进入到下一个平衡状态。从

9、这里我们能打破这一平衡，进入到下一个平衡状态。从这里我们可以得出一个结论。即本征半导体中的电子浓度和空穴可以得出一个结论。即本征半导体中的电子浓度和空穴浓度只和温度有关系，是温度的函数。浓度只和温度有关系，是温度的函数。本征载流子浓度的计算我们给出一个公式：本征载流子浓度的计算我们给出一个公式： 322( )( )gEktiin Tp TATe142.1.2 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂半导体的某种载流子浓度

10、大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。15一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键

11、，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。16+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度

12、，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。17二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引

13、束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。18三、杂质半导体的示意表示法三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子

14、与杂质浓度相等。19从理论上讲对于掺杂半导体，空穴浓度与电子浓度的乘积在从理论上讲对于掺杂半导体，空穴浓度与电子浓度的乘积在一定温度下仍然是一个常数，与掺杂程度无关。一定温度下仍然是一个常数，与掺杂程度无关。所以可以所以可以通过本征半导体中载流子的浓度来计算掺杂半导体中少子通过本征半导体中载流子的浓度来计算掺杂半导体中少子的浓度。对于的浓度。对于N N型半导体来说，型半导体来说， 对于对于P P型半导体来说，型半导体来说，掺杂以后多数载流子浓度会大大增加，比本征载流子浓度大掺杂以后多数载流子浓度会大大增加，比本征载流子浓度大很多倍；而少数载流子浓度会大大降低，比本征载流子浓度很多倍；而少数载流

15、子浓度会大大降低，比本征载流子浓度小好多倍。小好多倍。 22iiDnnpnN22iiAnnnpN202.1.3 PN 结及其单向导电性结及其单向导电性在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导型半导体和体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了交界面处就形成了PN 结。结。一、一、PN结的形成结的形成21P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。内电场越强，就使漂移内电场越

16、强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。22漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。度固定不变。23+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位VV0241.1.空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。2.2.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P P中的空

17、穴、中的空穴、N区区 中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散扩散运动运动）。）。3.3.P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少子子），数量有限，因此由它们形成的电流），数量有限，因此由它们形成的电流很小。很小。注意注意: :25二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性 PN 结加上结加上正向电压（正向偏置）正向电压（正向偏置）： P 区加正电压，区加正电压，N 区加负电压。区加负电压。 PN 结加上结加上反向电压（反向偏置）反向电压（反向偏置）： P区加负电压，区加负电压，N 区加正电压。区加正电压。26+REPN 结正向偏置结正向偏

18、置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。27PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。RE282.2 晶体二极管晶体二极管2.2.1 晶体二极管的结构、符号、类型晶体二极管的结构、符号、类型PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳外壳金属

19、触丝金属触丝基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型PN二极管的电路符号：二极管的电路符号：292.2.2 二极管的伏安特性与等效电路二极管的伏安特性与等效电路UI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR302.2.3 晶体二极管的主要参数晶体二极管的主要参数1. 最大整流电流最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。正向平均电流。2. 反向击穿电压反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电

20、二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电最高反向工作电压压UWRM一般是一般是UBR的一半。的一半。313. 反向电流反向电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比管的反向

21、电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。保护等等。下面介绍两个交流参数。322.2.4 晶体二极管的温度特性晶体二极管的温度特性 温度对二极管的性能有较大温度对二极管的性能有较大影响，温度升高时反向电流影响，温度升高时反向电流呈指数增长。另外，温度升呈指数增长。另外，温度升高使二极管正向压降减小高使二极管正向压降减小33二极管：二极管：死区电压死区电压=0 .5V

22、，正向压降，正向压降 0.7V(硅二极管硅二极管) 理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=0 ，正向压降，正向压降=0 RLuiuouiuott二极管的应用举例二极管的应用举例1：二极管半波整流二极管半波整流2.2.5 晶体二极管的应用晶体二极管的应用34。设设二二极极管管导导通通压压降降为为的的波波形形压压时时，绘绘出出相相应应的的输输出出电电当当的的值值；时时，求求相相应应的的输输出出电电压压、。，示示，例例：一一限限幅幅电电路路如如图图所所)V7 . 0( sin6)2( 60)1( 31OIOIREFvtVvvVVvVVkR :0 时时当当VvI 二极管截止二极管截止VvvIO0

23、:6 时时当当VvI 二极管导通二极管导通VVvvREFDO7 . 3 37 . 0 二极管的应用举例二极管的应用举例2：限幅：限幅35:7 . 37 . 0时时即即，当当VvVVvIREFI 时的分析方法当V sin6tvIIOvv 二极管截止二极管截止二极管导通二极管导通VVvvREFDO7 . 3 37 . 0 :7 . 37 . 0时时即即，当当VvVVvIREFI 362.2.6 稳压管稳压管UIIZIZmax UZ IZ稳压稳压误差误差曲线越陡，曲线越陡，电压越稳电压越稳定。定。+-UZ动态电阻：动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳越小，稳压性能越好。压性能越好。37（4）稳定电流稳

24、定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗）最大允许功耗maxZZZMIUP稳压二极管的参数稳压二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压 UZ（2）电压温度系数电压温度系数 U（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻）动态电阻ZZIUZr38 稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，

25、取出误差信号以调节稳压管的上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。工作电流，从而起到稳压作用。应用电路392.2.7光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加照度增加402.2.8发光二极管发光二极管有正向电流流过有正向电流流过时，发出一定波长时，发出一定波长范围的光，目前的范围的光，目前的发光管可以发出从发光管可以发出从红外到可见波段的红外到可见波段的光，它的电特性与光，它的电特性与一般二极管类似。一般二极管类似。411.3.1 晶体三极管的结构、符号、类型晶体三极管的结构、符号、类型BECNNP基极基极发射

26、极发射极集电极集电极NPN型型基极基极PNP集电极集电极发射极发射极BCEPNP型型2.3 半导体三极管半导体三极管42BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高43BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极发射结发射结集电结集电结44BECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管452.3.2 电流放大原理电流放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴基区空穴向发射区向发射区的扩散可的扩散可忽略。忽略。IBE进入进入P区的电子区的电子少部

27、分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IBE ，多数，多数扩散到集电结。扩散到集电结。发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。46BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少集电结反偏，有少子形成的反向电流子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBO ICEIBEICE从基区扩从基区扩散来的电散来的电子作为集子作为集电结的少电结的少子，漂移子，漂移进入集电进入集电结而被收结而被收集，形成集，形成ICE。ECEBEIII47IB=IBE-ICBO IBEIBBECNNPEBRBECIEICBO

28、ICEIC=ICE+ICBO ICEIBEECBI =I +I48ICE与与IBE之比称为电流放大倍数之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。偏，集电结反偏。BCCBOBCBOCBECEIIIIIIII事实上当管子做好以后各区载流子浓度是事实上当管子做好以后各区载流子浓度是一定的，这样扩散和复合的规模之比是一一定的，这样扩散和复合的规模之比是一定的。一般来说由于基区掺杂浓度很小，定的。一般来说由于基区掺杂浓度很小，所以基极电流的很小变化就能引起集电极所以基极电流的很小变化就能引起集电极和发射极电流的很大变化，也就是说三极和发射

29、极电流的很大变化，也就是说三极管具有电流放大作用。管具有电流放大作用。 492.3.3 特性曲线特性曲线ICmA AVVUCEUBERBIBECEB 实验线路实验线路50一、一、输入特性输入特性UCE 1VIB( A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：工作压降： 硅管硅管UBE 0.60.7V,锗管锗管UBE 0.20.3V。UCE=0VUCE =0.5V 死区电死区电压，硅管压，硅管0.5V，锗，锗管管0.2V。51二、二、输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域满此区域满足足IC= IB称为线性称为线性区（放大区（放大区）。区）。当当UCE大于一大于一定的数值时，定的数值时，IC只与只与IB有关，有关，IC= IB。52IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40