第二章半导体器件(V1)

1、2.1 PN结及其单向导电性结及其单向导电性2.2 半导体二极管半导体二极管2.3 稳压二极管稳压二极管2.6 光电器件光电器件第二章第二章 常用半导体器件常用半导体器件2.4 半导体三极管半导体三极管2.5 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管2.1 PN结及其单向导电性结及其单向导电性2.1.1 半导体基础知识半导体基础知识导导 体体: 自然界中具有导电特性的物质自然界中具有导电特性的物质.例如例如金属金属。绝缘体：绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电电阻率很高的物质，几乎不导电;如如橡皮橡皮、陶瓷陶瓷、塑料塑料等。等。半导体：半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，导电特性处于导体和绝缘体之

2、间的物质， 例如硅、锗等。例如硅、锗等。半导体的特点半导体的特点当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力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。明显改变。1. 本征半导体本征半导体GeSi本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体：纯净的、结构完整的单晶体半导体本征半导体：纯净的、结构完整的单晶体半导体。1）最外层四个价电子。）最外层四个价电子。锗锗Ge硅硅Si价电子价电子4 硅晶体的原子在硅晶体的原子在空间中排列成规则的空间中排列成规则的晶格。两个相邻的原晶格。两个相邻的

3、原子共用一对价电子，子共用一对价电子，组成共价键。组成共价键。+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子表示除去价电子后的原子共价键共用电子对共价键共用电子对2）共价键结构）共价键结构53）在热或光激）在热或光激发下，使一些价电发下，使一些价电子获得足够的能量子获得足够的能量而脱离共价键的束而脱离共价键的束缚，成为缚，成为自由电子自由电子，同时共价键上留，同时共价键上留下一个空位，称为下一个空位，称为空穴空穴。+4+4+4+4空空穴穴束缚束缚电子电子自由自由电子电子6 在外电场作用下，在外电场作用下，自由电子定向移动，形自由电子定向移动，形成电子电流；成电子电流； 价电子按一定方向价电子按一定

4、方向依次填补空穴，相当于依次填补空穴，相当于空穴的迁移，空穴带正空穴的迁移，空穴带正电荷，产生空穴电流。电荷，产生空穴电流。+4+4+4+44）自由电子和空穴的运动形成电流）自由电子和空穴的运动形成电流 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为成对出现的，称为电子空穴对电子空穴对。 自由电子在运动过程中失去能量，与空穴相遇自由电子在运动过程中失去能量，与空穴相遇，使电子空穴对消失，这种现象成为，使电子空穴对消失，这种现象成为复合复合。8本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种本征半导体中存在数量相等的两种载流

5、载流子子，即，即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度温度越高越高载流子的载流子的浓度浓度越高越高本征半本征半导体的导体的导电能力越强导电能力越强。本征半导体的导电能力取决于本征半导体的导电能力取决于载流子的载流子的浓度浓度。归纳归纳Page 92. 杂质半导体杂质半导体杂质半导体使某种载流子浓度大大增加。杂质半导体使某种载流子浓度大大增加。在本征半导体中掺入某些微量杂质。在本征半导体中掺入某些微量杂质。1）N型半导体型半导体 在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加。元素磷，使自由电子浓度大大增加。10+4+4+5+4N型型半导体半导

6、体多余电子多余电子磷原子磷原子多数载流子（多子）：电子。多数载流子（多子）：电子。少数载流子（少子）：空穴。少数载流子（少子）：空穴。112）P型半导体型半导体在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增加。使空穴浓度大大增加。多数载流子（多子）：空穴。多数载流子（多子）：空穴。少数载流子（少子）：电子。少数载流子（少子）：电子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子归纳归纳3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子型半导体中电子是多子，空穴是少子； P型半导体中空

7、穴是多子，电子是少子。型半导体中空穴是多子，电子是少子。1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。浓度，少数载流子的数量取决于温度。13杂质半导体的示意表示法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142.1.2 PN 结的形成结的形成 在同一片半导体上，一侧掺杂成在同一片半导体上，一侧掺杂成P型半导体，型半导体，另一侧掺杂成另一侧掺杂成N型

8、半导体，经过载流子的扩散，在型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了它们的交界面处就形成了PN结。结。 因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动16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。荷区逐渐加宽。漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运

9、动结处载流子的运动内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动扩散运动和漂扩散运动和漂移运动最终达移运动最终达到平衡，空间到平衡，空间电荷区的厚度电荷区的厚度也达到稳定，也达到稳定，形成稳定的形成稳定的PN结结。18+空间电荷区空间电荷区N型区型区P型区型区 1） PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外加的正向电外加的正向电压方向与压方向与PN结内电结内电场方向相反，削弱场方向相反，削弱了内电场。内电场了内电场。内电

10、场对多子扩散运动的对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电阻碍减弱，扩散电流加大。流加大。20 2. PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外加的反向电外加的反向电压方向与压方向与PN结内电结内电场方向相同，加强场方向相同，加强了内电场。内电场了内电场。内电场对多子扩散运动的对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电阻碍增强，扩散电流大大减小。流大大减小。 21空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍多子多子（ P中的中的空穴、空穴、N中的电子）中的电子） 的的扩散运动。扩散运动。 P中的电子和中的电子和N中的空穴（中的空穴（都是少子都是少子）

11、，），数量有限，因此由它们形成的漂移电数量有限，因此由它们形成的漂移电流很小。流很小。空间电荷区中内电场推动空间电荷区中内电场推动少子少子（ P中的中的电子、电子、N中的空穴）中的空穴） 的的漂移运动。漂移运动。222.1.3 PN结的单向导电性结的单向导电性PN结结加正向电压加正向电压（正向偏置）正向偏置）： P区接区接电源的正极、电源的正极、N区接电源的负极。区接电源的负极。PN结结加反向电压加反向电压（反向偏置反向偏置）：）： P区接区接电源的负极、电源的负极、N区接电源的正极。区接电源的正极。PN结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，内电场被削弱，多

12、子的扩散加强多子的扩散加强能够形成较大的能够形成较大的扩散电流。扩散电流。I正正+24PN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+_内电场被加强，多内电场被加强，多子的扩散受抑制。子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子漂移加强，但少子数量有限，只少子数量有限，只能形成较小的反向能形成较小的反向电流，电流，称为称为反向饱反向饱和电流和电流。 I反反PN结的单向导电性结的单向导电性正向特性正向特性反向特性反向特性归纳归纳P（+），），N（-），外电场削弱内电场，结导通，），外电场削弱内电场，结导通，I大；大；I的大小与外加电压有关；的大小与外加电压有关；P（-），），N（+），外

13、电场增强内电场，结不通，），外电场增强内电场，结不通，I反反很小；很小；I反反的大小与少子的数量有关，与温度有关。的大小与少子的数量有关，与温度有关。262.2 半导体二极管半导体二极管5.2.1 基本结构基本结构PN结结 + 管壳和引线管壳和引线PN阳极阳极阴极阴极符号：符号：VD27半导体二极管半导体二极管28半导体二极管半导体二极管半导体二极管半导体二极管302.2.2 伏安特性伏安特性死区电压死区电压 ：硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降: 硅管硅管0.7V,锗管锗管0.3V。反向击穿电反向击穿电压压U(BR)正向特性：正向特性：EVDI反向特性：反向特性：EVDI反

14、反U死区电压，死区电压，导通；导通；UI I反反很小，与温度很小，与温度有关；有关；U 击穿电击穿电压，击穿导通；压，击穿导通；I UI312.2.3 主要参数主要参数1.最大整流电流最大整流电流 IOM2.最大反向工作电压最大反向工作电压URM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管正常工作时允许承受的最大反向工作电压二极管正常工作时允许承受的最大反向工作电压。手册上给。手册上给出的最高反向工作电压出的最高反向工作电压URM一般是一般是UBR的一半。的一半。3. 最大反向电流最大反向电流 IRM指二极管加反向峰值工作电压时

15、的反向电流指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电。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。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。321. 理想二极管理想二极管U 0，VD导通；导通；UD=0，I取决于外电路；相当于一取决于外电路；相当于一个闭合的开关个闭合的开关EVDIUDEIUU 0，VD截止；截止；I=0， UD（负值）取决于外电路；（负值）取决于外电路；相当于

16、一个断开的开关相当于一个断开的开关EVDI反反UDEI反反U2.2.4 应用举例应用举例2.二极管的应用二极管的应用电路如图示：已知电路如图示：已知E=5V， ui=10sin t VRVDEuiuO解：解： 此类电路的分析方法：此类电路的分析方法：当当D的阳极电位高于阴极电位时，的阳极电位高于阴极电位时，D导通，将导通，将D作为一短路线；作为一短路线；当当D的阳极电位低于阴极电位时，的阳极电位低于阴极电位时，D截止，将截止，将D作为一断开的开关；作为一断开的开关；将二极管看成理想二极管将二极管看成理想二极管ui tuO t10V5V5V削波削波例例1求：求： uO的波形的波形电路如图示：已知

17、电路如图示：已知 VA=3VVB=0V 求求：VF=？解：解： 此类电路的分析方法：此类电路的分析方法：将二极管看成理想二极管。将二极管看成理想二极管。当几个二极管共阳极或共阴极连接时，承受当几个二极管共阳极或共阴极连接时，承受正向电压高的二极管先导通。正向电压高的二极管先导通。VDB通通， VF=0VRVDAAVDBB+12VF箝位箝位隔离隔离例例2 2352.3 稳压二极管稳压二极管UIUZIZIZmax UZ IZ曲线越曲线越陡，电陡，电压越稳压越稳定。定。1.结构和符号：结构和符号：结构同二极管结构同二极管2.伏安特性：伏安特性：稳压值稳压值同二极管同二极管VDZ稳压稳压误差误差+-+

18、-3.主要参数主要参数1）稳定电压）稳定电压 UZ2）动态电阻）动态电阻ZZIUZrdd=3）稳定电流）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。4）最大允许功耗）最大允许功耗maxZZZMIUP UIUZIZminIZmax374.稳压管与二极管的主要区别稳压管与二极管的主要区别稳压管运用在反向击穿区稳压管运用在反向击穿区 二极管运用在正向区；二极管运用在正向区；稳压管比二极管的反向特性更陡。稳压管比二极管的反向特性更陡。38 稳压二极管在工稳压二极管在工作时应反接，并作时应反接，并串入一只电阻。串入一只电阻。电阻的作用一是起电阻的作用一是起限流限流作用，以保

19、护稳压管；作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该其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，电阻上电压降的变化，调节稳压管的工作电流调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。，从而起到稳压作用。UO VDZRRL+392. 4 半导体三极管半导体三极管2.4.1 三极管的基本结构三极管的基本结构NPN型型PNP型型BEC基极基极发射极发射极集电极集电极NNPPPNBEC发射极发射极集电极集电极基极基极基区：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BEC基极基极发射极发射极集电极集电极NNP

20、BEC基极基极发射极发射极集电极集电极NNP发射结发射结集电结集电结421. 放大状态放大状态BECNNPEBRBEcRC2.4.2 三极管的工作原理三极管的工作原理放大的条件：放大的条件：发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏EB保证发射结正偏，保证发射结正偏，ECEB保证集电结反偏。保证集电结反偏。进入进入P区的电子区的电子少部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IB ，多数扩，多数扩散到集电结。散到集电结。BECNNPEBRBEc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。IEIBRCIBHO

21、NGXIN COMMUNICATION TECHNOLOGIES CO., LTD.从发射区从发射区扩散来的扩散来的电子越过电子越过集电结，集电结，被收集到被收集到集电区，集电区，形成形成IC。BECNNPEBRBEcIEICIBICRCIBBCII EBCIII 45IC与与IB之比称为之比称为电流放大倍数电流放大倍数BCII 直流电流放大系数：直流电流放大系数：交流电流放大系数：交流电流放大系数：BCII 通常：通常： BECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管注意注意！只有：只有：发射结正偏，集电结反偏，发射结正偏，集电结反偏，晶体管才能工作在放大状

22、态。晶体管才能工作在放大状态。EBCVVV EBCVVV 2. 饱和状态饱和状态当三极管的发射结和集电当三极管的发射结和集电结均处于正向偏置，此时结均处于正向偏置，此时，即使再增加，即使再增加IB，IC也不也不会增加了。会增加了。饱和状态饱和状态饱和的三极饱和的三极管相当于一管相当于一个闭合的开个闭合的开关关VUUREIIICESCECCCBC3 . 01 . 0,3. 截止状态截止状态当三极管的发射结和集电当三极管的发射结和集电结均处于反向偏置。结均处于反向偏置。截止状态截止状态截止的三极截止的三极管相当于一管相当于一个断开的开个断开的开关关CCECBEUII0,0482.3.4 三极管的特

23、性曲线三极管的特性曲线ICmA AVVUCEUBERBIBECEB 实验线路：实验线路： 输入特性：输入特性： 输出特性：输出特性：发射结电压发射结电压UBE与基极电流与基极电流IB的关系；的关系； （UCE为常数）为常数）集电极电流集电极电流IC与管压降与管压降UCE的关系。的关系。（ IB为常数为常数)49死区电压，死区电压，硅管硅管0.5V，锗管锗管0.1V（1）输入特性）输入特性IB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1VUBEIB工作压降：工作压降：硅管硅管UBE 0.7V,锗管锗管UBE 0.3V50（2）输出特性）输出特性IC(mA )1234UCE(V)36

24、912IB=020 A40 A60 A80 A100 A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有有关，关，IC= IB。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）。51IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域此区域三三极管极管IC不不受受IB控制控制，失去放，失去放大作用，大作用，称为饱和称为饱和区。区。Page 52IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中 : IB=0, IC0,称为截止区。称为截止区。53特

25、性归纳特性归纳输入特性输入特性同二极管的正向特性同二极管的正向特性UBE IB 输出特性输出特性一组曲线（一个一组曲线（一个IB对应一条曲线）对应一条曲线）UBE 0， UCE UBE 发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏IC = IB 电流放大作用电流放大作用UBE UBE IB 0 ， IC 0 发射结反偏，集电结反偏发射结反偏，集电结反偏UBE 0， UCE 0时时UGS足够大时足够大时（UGSUTH）感应出足够多感应出足够多电子，这里以电子，这里以电子导电为主电子导电为主出现出现N型的导型的导电沟道。电沟道。感应出电子感应出电子UTH称为开启电压称为开启电压67PNNGSDUD

26、SUGSUGS=0时时D-S间相当间相当于两个反接于两个反接的的PN结结ID=0对应截止区对应截止区2.5.2 增强型增强型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线0IDUGSVTGSDmUIg 跨导：跨导：当漏源间电压当漏源间电压U DS 保持一定值时，漏极电流保持一定值时，漏极电流ID与栅源极电与栅源极电压压UGS的关系曲线。的关系曲线。1. 转移特性转移特性PNNGSDUDSUGSUGS较小时，较小时，导电沟道相当导电沟道相当于电阻将于电阻将D-S连接起来，连接起来，UGS越大此电越大此电阻越小。阻越小。当栅源间电压当栅源间电压UGS UTH 并保持一定值时，漏极电流并保持一定值时，漏极

27、电流ID与与漏源极电压漏源极电压U DS的关系曲线的关系曲线IDU DS0UGS=3VUGS=4VUGS=5V区：区：UDS较小时较小时ID随随UDS的增加而增加，的增加而增加，相当于一个相当于一个可变电阻可变电阻可变电阻区可变电阻区区：区：UDS较大时较大时ID只随只随UGS的变化而变的变化而变化，化， UGS一定时，一定时， 相相当于一个当于一个压控恒流源压控恒流源恒流区恒流区2. 输出特性曲线输出特性曲线71耗尽型耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS=0时就有导电沟道时就有导电沟道，加，加反向电压才能夹断。反向电压才能夹断。转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSUoff夹断电压夹断电压输出特性曲线输出特性曲线IDU DS0UGS=0UGS0不论栅不论栅源电压正、负或源电压正、负或0都能控制漏极都能控制漏极电流，但一般工作在负栅电流，但一般工作在负栅源电压状态源电压状态 P沟道绝缘栅场效应管的工作原理和特性沟道绝缘栅场效应管的工作原理和特性与与N沟道场效应管完全相同，两者只是在工沟道场效应管完