第5章半导体基本知识new

1、第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 目目 录录5.1 半导体及其特性5.2 半导体二极管5.3 半导体三极管*5.4 场效应晶体管本章小结本章小结第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识【本章学习要求本章学习要求】 理论理论：了解半导体的基本结构及特点，掌握二极管、三极管及场效应晶体管的特性及应用。 技能技能： 掌握用万用表判断二极管、三极管各电极的方法，会用仪器测量二极管、三极管的特性曲线。第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识5.1 半导体及其特性半导体及其特性5.1.1 半导体概述半导体概述 自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电

2、性能的不同可分为导体、绝缘体和半导体三大类。 半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，电阻率在10-3109/cm。例如硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）和砷化镓（GaAs）及其他金属氧化物和硫化物等。 半导体具有的特性为：热敏性、光敏性和杂敏性。 1热敏性 指半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。 2光敏性 指半导体的导电能力随着光照的强弱而有显著的改变。 3杂敏性 指半导体的导电能力会因为掺入适量杂质而发生显著变化。第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识5.1.2 本征半导体本征半导体 纯净的不含任何杂质，晶体结构排列整齐的半导体称为本征半导体。 本征半导体中的价电子可挣脱共价键的束

3、缚而成为带单位负电荷的自由电子，同时在原来的共价键位置上留下一个相当于带有单位正电荷电量的空穴。自由电子和空穴在热运动中又可能重新相遇结合而消失，这种现象叫做复合。 半导体中自由电子和空穴都可以参与导电，因此半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。5.1.3 杂质半导体杂质半导体 根据掺入杂质的不同，杂质半导体又可分为N型（电子型）半导体和P型（空穴）半导体。第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 （1）N型半导体 在本征半导体硅（或锗）中，掺入微量磷（或其他五价元素）形成的半导体称为N型半导体。由于在N型半导体中自由电子数目远远大于空穴数，故称这种杂质半导体为电子型半导

4、体 。 在 N型半导体中自由电子为多数载流子，简称多子；相应的空穴为少数载流子，简称少子。 N型半导体的形成及结构示意图如图5-1所示。 （2）P型半导体 在本征半导体硅（或锗）中，掺入微量硼元素（或其他三价元素）形成的半导体称为P型半导体。由于在P型半导体中空穴数目远远大于自由电子数，故称这种杂质半导体为空穴型半导体 。 在 P型半导体中空穴为多数载流子，简称多子；相应的自由电子为少数载流子，简称少子。 第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识P型半导体的形成及结构示意图如图5-2所示。 图5-1 N型半导体的形成及结构示意图图5-2 P型半导体的形成及结构示意图第五章第五章 半导体基本知

5、识半导体基本知识5.2 半导体二极管半导体二极管5.2.1 PN结的形成及单向导电性结的形成及单向导电性 （1）PN结的形成 在本征半导体上通过某种掺杂工艺，使其形成P型区和N型区两部分，由于P区的多子是空穴，N区的多子是自由电子，因此在交界处自由电子和空穴都要从高浓度区向低浓度区扩散。多数载流子在浓度差作用下的定向运动，叫做扩散运动。如图5-4a所示。多子扩散到对方区域后，使对方区域的多子因复合而耗尽，于是P区和N区的交界处就会出现数量相等、不能移动的负离子区和正离子区，这些不能移动的带电离子形成了空间电荷区，也就是PN结，如图5-4b所示。 空间电荷区靠近P区带负电，靠近N区带正电，因此形

6、成了一个电场方向由N区指向P区的内建电场，简称内电场。第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识图5-4 PN结的形成 （2）PN结的单向导电特性 1）外加正向电压时PN结导通 将PN结的P区接电源的正极，N区接电源的负极，这种接法为正向接法或正向偏置，简称正偏。如图5-5a所示。在正向偏置下，PN结对外电路呈现较小的电阻（理想情况下电阻为零），因此称PN结处在导通状态。 第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识图5-5 PN结外加电压 2）外加反向电压时PN结截止 将PN结的P区接电源的负极，N区接电源的正极，这种接法为反向接法或反向偏置，简称反偏。如图5-5b所示在反向偏置下，PN结对外

7、电路显现很大的电阻（理想情况下电阻为无穷大），因此称PN结处在截止状态。第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识5.2.2 半导体二极管半导体二极管 1二极管的结构 半导体二极管，实质上是有一个PN结加上电极引线及外壳封装制成。由P区引出的电极为阳极或正极，由N区引出的电极为阴极或负极。二极管的结构及符号如图5-6所示。图5-6 二极管的结构及符号第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 2二极管的伏安特性曲线 二极管的伏安特性曲线是指外加到二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系曲线。如图5-7所示。 外加正向电压（U0）的伏安特性为二极管的正向特性。当电压U开始增加时，PN结不导通

8、，如图0A段。只有当U大于死区电压，PN结才导通，产生正向电流，并以指数规律上升，如图AB段。外加反向电压（U0）的伏安特性为二极管的反向特性。当外加反向电压时，PN结内流过的电流为反向饱和电流IS。当反向电压U在一定范围内变化时，反向电流很小，且几乎不变，如图0C段。外加反向电压增大到一定程度时反向电流将急剧增大，如图CD段，这种现象称之为反向击穿。发生击穿时的反向电压叫做反向击穿电压UBR。 3二极管的主要参数 二极管的主要参数有：最大整流电流IF 、反向击穿电压UBR、最高反向工作电压URM 、反向电流IR 和最高工作频率fM 。 第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识图5-7 二极

9、管的伏安特性曲线第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 第一部分第二部分第三部分第四部分用阿拉伯数字表示器件电极数目用汉语拼音字母表示器件的材料和极性用汉语拼音字母表示器件的类型用阿拉伯数字表示序号符号意义符号意义符号意义意义2二极管ABCDN型锗材料P型锗材料N型硅材料P型硅材料PWZKVLUC普通管稳压管整流管开关管微波管整流堆光电管参量管如前三部分相同，仅第四部分不同，则表示某些性能上有差异。例如：二极管2AK系列，表示N型锗材料开关二极管。 4二极管的型号命名 根据国产半导体器件型号命名规则，半导体器件的型号有四部分组成，如表5-1所示。 表5-1 二极管的型号命名及意义第五章第五

10、章 半导体基本知识半导体基本知识 5二极管的测试 用万用表测量其正反向电阻值来确定二极管的电极。测量时把万用表置于电阻R100挡或R1K挡。将万用表两表棒分别接二极管的两个电极，测出电阻值；然后更换二极管的电极，再测出电阻值。电阻值很小的那次测量，万用表的黑表笔相接的电极为二极管的正极，红表笔相接的电极为二极管的负极。 6二极管的应用 二极管在电子技术中广泛地应用于整流、限幅、开关和稳压等方面，大多是利用其正向导通、反偏截止的特点。 1）整流应用。即把大小和方向都随时间发生变化的正弦交流电变为单向脉动的直流电。 2）限幅应用。将输入电压限定在要求的范围之内，叫做限幅。如图5-8a所示为双向限幅

11、电路。 3）稳压应用。用来实现稳定电压输出。 4）开关应用。在数字电路中经常将半导体二极管作为开关元件来使用。第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 假设VD1、VD2为理想二极管，当输入电压ui2V时，uo=2V；当ui-2V时，uo=-2V；当ui在-2V与+2V之间时，uo=ui。输入输出波形如图5-8b。利用限幅电路就可以把输入电压ui的幅度加以限制。 图5-8 双向限幅电路第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 例例5.1 如图5-10所示电路中，已知二极管为硅管，电源电压为U1=6V，U2=3V。电阻R=300 ，问二极管是否导通？Uab等于多少？流过电阻的电流各为多少？图

12、5-10 例5.1题图第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 解：解：分析时，可以先假设二极管不导通，来判断加在二极管两端的正向电压是否大于导通电压。若两端的电压大于导通电压，则二极管导通，电路中有电流，二极管两端的电压等于导通电压；若两端的电压小于导通电压，则二极管截止，电路中无电流。 对于a图假设二极管不导通，以b点为参考电位点（即令Vb=0V），则二极管的阳极电位为-6V，阴极电位为-3V，二极管的正向压降为（-6）（-3）V=-3V0.6V，所以二极管截止，Uab=-3V，流过电阻的电流为零。 对于b图假设二极管不导通，以b点为参考电位点（即令Vb=0V ），则二极管的阳极电位为-

13、3V，阴极电位为-6V，二极管的正向压降为（-3）（-6）V=3V0.6V，所以二极管导通，导通电压为0.6V，Uab=（-6）+ 0.6V= -5.4V，流过电阻的电流：I=0.6+（-6）+3V/300 =-0.008A 负号表示电流方向由a指向b。第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识5.2.3 其他二极管其他二极管 （1）稳压二极管 稳压二极管简称稳压管，是利用二极管的反向击穿特性制造的面接触型半导体二极管。其伏安特性曲线及电路符号如图5-12所示。稳压二极管的主要参数有：1)稳定电压值UZ。 2)最大稳压电流IZM和最大功率损耗PZM。3)稳定电流IZmin。图5-12 稳压管伏

14、安特性曲线及电路符号第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 （2）发光二极管 发光二极管（简称“LED” ）是常见的光电器件，其伏安特性曲线及电路符号如图5-15所示。图5-15 发光二极管伏安特性曲线及电路符号 发光二极管具有功耗小、体积小、驱动简单、寿命长、可靠性高、单色性好及易与集成电路匹配等优点，因此应用十分广泛。一般常用于信号灯指示、数字和字符指示（接成七段显示数码管）等。第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 （3）光敏二极管 光敏二极管是一种能将接受的光信号转换成电信号的半导体二极管，其电路符号如图5-16所示。光敏二极管可以用来作为测光元件，也可以作为将光信号转换成电信

15、号的器件，如图5-17为光电数字转速表。图5-16 光敏二极管电路符号图5-17 光电数字转速表第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 光敏器件还可以和发光二极管一起组成光耦合器件。实现电光电的传输和转换。如图5-18是常见的利用光信号来远距离传输电信号的示意图。图5-18 远距离传输电信号的示意图第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 （4）变容二极管 变容二极管是利用PN结反向偏置时，电容大小随外加电压而发生变化的特性制成的。变容二极管的电路符号及简单应用电路如图5-19所示。图5-19b为一变容二极管调频电路。 图5-19 变容二极管的电路符号及简单应用电路 在低频信号U1的作用

16、下，变容二极管VD的结电容发生变化，LC震荡回路的谐振频率也随之改变。变容二极管的电容量一般很小，其最大值为几十到几百微法，最大电容和最小电容之比约为5：1。第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识5.3 半导体三极管半导体三极管5.3.1 半导体三极管的结构半导体三极管的结构 半导体三极管的种类很多，按照半导体材料的不同可分为硅管、锗管；按照功率分为小功率管、中功率管和大功率管；按照频率分为高频管和低频管；按照制造工艺分为合金管和平面管等。 根据两个PN结的组成不同三极管又可分为NPN型三极管和PNP型三极管，结构示意图及电路符号如图5-21所示，符号中的箭头方向是三极管的实际电流方向。

17、三极管有三个区，分别为基区、发射区和集电区。从三个区引出的三个电极相应的为基极、发射极和集电极，分别用b、e、c来表示。组成三极管的两个PN结分别为发射结（基区与发射区交界处的PN结）和集电结（基区和集电区交界处的PN结）。 第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 图5-21 三极管的结构示意图及电路符号 为了使三极管具有放大作用，三极管在制造工艺上应具有如下特点：基区做的很薄；发射区掺杂浓度远远高于基区掺杂浓度；集电区的面积比较大。 满足制造工艺特点后还必须具备的外部条件：使发射结正偏，使集电结反偏。 第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 （1）三极管的基本工作原理 由于NPN管和

18、PNP管的结构对称，工作原理完全相同，下面仅以NPN管为例，讨论三极管的基本工作原理。图5-22 三极管内部载流子的运和电流关系在满足上述内部和外部条件的情况下，三极管内部载流子的运动如图5-22所示，首先，发射区向基区注入电子，形成发射极电流IE。其次，发射区发射的自由电子注入基区后，和基区的空穴产生复合运动而形成基极电流IB。最后，集电结的内电场将基区的自由电子收集到集电区，从而形成集电极电流IC。 第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 （2）各极电流的分配关系 由三极管内部载流子的运动可以看出，IE=IC+IB。由于复合电流IB很小，所以通常认为IEIC 。IC和IB成比例关系，比

19、值的大小取决于制造三极管时的结构和工艺，称为三极管的直流电流放大系数，用 表示，通常取值范围为20200 。5.3.2 三极管的伏安特性曲线三极管的伏安特性曲线 三极管的伏安特性曲线是指三极管各极电压与电流之间的关系曲线。常用的伏安特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线。 1输入特性曲线 输入特性曲线是指当集电极与发射极之间的电压UCE为一常数时，输入回路中基极电流iB与加在三极管基极与发射极之间的电压uBE之间的关系曲线。用函数式表示为： iB=f(uBE)/UCE=常数 当UCE变化时，三极管的输入特性曲线如图5-24所示。第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 从图上可以看出：三极管的

20、输入特性曲线和二极管的正向特性曲线相似，当输入电压小于导通电压时，三极管不导通，基极电流为零；当输入电压大于导通电压时，三极管导通。当UCE为不同的值时，输入特性略有不同，即随着UCE 的增大，特性曲线向右移动趋势越来越慢，一般当 UCE 1V时，各条特性曲线几乎重叠一起，图5-24 三极管的输入特性曲线 所以通常只用一条曲线代表UCE1V以后的各条曲线。第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 2输出特性曲线 输出特性曲线是在基极电流IB一定的情况下，三极管的集电极电流iC和集电极与发射极之间的电压uCE之间的关系曲线。用函数式表示为： iC=f（uCE）/IB=常数 当IB取不同的值时，

21、三极管的输出特性曲线如图5-25所示。从图中可以看出，输出特性各条曲线的形状基本上是一样的，起始部分很陡，当uCE略有增加时，iC增大的很快。当uCE1V左右以后，IC和IB的分配比例固定。 图5-25 三极管的输出特性曲线第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 按输出特性曲线的不同特点，可将其划分为三个区域：截止区、放大区和饱和区，如图5-25所示。 （1）截止区 习惯上把IB0的区域称为截止区。在截止区发射结与集电结均处在反向偏置状态。 （2）放大区 各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线的区域为放大区。在放大区发射结正向偏置，集电结反向偏置 。 （3）饱和区 通常认为在图5-25中对

22、应uCE较小的区域为饱和区。在饱和区发射结和集电结均处于正向偏置状态。 虽然饱和区和截止区都没有放大作用，但这两个区的特点是截然不同的。在饱和区，集电极、发射极之间等效为一个闭合的开关；在截止区，集电极、发射极之间等效为一个断开的开关。 必须注意，当uCE增大到一定程度时，集电结因反偏电压过大而击穿，此时集电极电流iC急剧增大，可能造成管子的击穿而损坏，在使用中应避免出现这种情况。 第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识5.3.3 三极管的主要参数三极管的主要参数 三极管的参数表征了三极管的性能和适用范围,是合理选用和正确使用三极管的依据。主要参数有：1电流放大系数 直流电流放大系数 交流

23、电流放大系数 2极间反向电流 集电极基极反向饱和电流ICBO。 集电极发射极间反向电流ICEO。3极限参数 1）集电极最大允许电流ICM。 2）极间反向击穿电压主要有：当基极开路时，集电极与发射极之间的反向击穿电压U（BR）CEO；当发射极开路时，集电极与基极之间的反向击穿电压U（BR）CBO 。 3）集电极最大允许耗散功率PCM 。第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识表5-4 三极管的型号命名及意义第一部分第二部分第三部分第四部分用阿拉伯数字表示器件电极数目用汉语拼音字母表示器件的材料和极性用汉语拼音字母表示器件的类型用阿拉伯数字表示序号符号意义符号意义符号意义意义3三极管ABCDPN

24、P型锗材料NPN型锗材料PNP型硅材料NPN型锗材料XGDAT低频小功率管高频小功率管低频大功率管高频大功率管可控整流器如前三部分相同，仅第四部分不同，则表示某些性能上有差异。例如：3AG11 为锗材料PNP型高频小功率三极管。5.3.4 三极管的型号命名三极管的型号命名 三极管的型号命名与二极管的型号命名类似，同样有四部分组成，型号命名及意义如表5-4所示。 第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识5.3.5 三极管的测试及应用三极管的测试及应用 1三极管的测试 可以用万用表对三极管的电极、好坏作大致的判断。无论是基极和集电极之间的正向电阻，还是基极与发射极之间的正向电阻，都在几千欧姆到十

25、几千欧姆的范围内，而反向电阻则趋近于无穷大。若测出的电阻无论正反向电阻值均为零，说明此三极管内部已短路；若测出的电阻无论正反向电阻值均为无穷大，说明此三极管内部已断路，三极管已损坏。 测量判断方法为：用万用表的黑表笔接触某一管脚，用红表笔分别接触另外两个管脚，如果两次测得的阻值都很小，则黑表笔接触的那一个管脚就是基极，同时可知此三极管是NPN型；若用万用表的红表笔接触某一管脚，用黑表笔分别接触另外两个管脚，如果两次测得的阻值都很小，则红表笔接触的那一个管脚就是基极，同时可知此三极管是PNP型。当基极确定第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识后（以NPN型三极管为例），假设剩余的两个管脚中的

26、一个为集电极，另一个为发射极。用手捏住假设的集电极和基极，将黑表笔接到假设集电极管脚上，红表笔接到假设的发射极管脚上，观察表针的指示，并记住此时的电阻值。然后交换红黑表笔的位置，做同样的测量记录，比较两次读数的大小，读数小的一次假设是正确的。2三极管的应用 半导体三极管是电子电路的核心器件，应用十分广泛。三极管可以组成运算放大电路、功率放大电路、振荡电路、反相器和数字逻辑电路等，在电路中的作用可归纳为放大应用和开关应用两大类。在模拟电子电路中，三极管主要工作于放大状态；在数字电子电路中，三极管工作于截止状态和饱和状态。 第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识5.4场效应晶体管场效应晶体管

27、晶体三极管的自由电子和空穴两种截流子均参与导电，是双极型晶体管。本节介绍另一种类型的三极管，它依靠一种载流子（多数载流子）参与导电，所以是一种单极型器件。又因为这种管子是利用电场效应来控制电流的，所以又称为场效应晶体管（FET，英文Field Effect Transistor的缩写）。 这种器件不仅具有体积小、重量轻、寿命长和耗电省等特点，而且还具有输入电阻高、稳定性好及制造工艺简单等优点，因而应用十分广泛，特别是在大规模和超大规模集成电路中得到更加广泛的应用。 根据结构的不同，场效应晶体管可以分成两大类：结型场效应晶体管（JFET）和绝缘栅型场效应晶体管（MOSFET）。第五章第五章 半导

28、体基本知识半导体基本知识5.4.1 结型场效应晶体管结型场效应晶体管 1结型场效应晶体管的结构和类型 结型场效应晶体管分为N沟道和P沟道两种，其结构示意图及电路符号如图5-28所示。图5-28 结型场效应晶体管的结构示意图及电路符号第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 2工作原理 从结型场效应晶体管的结构可以看出，在栅极和导电沟道之间存在一个PN结。如果在栅极和源极之间加上反向电压uGS ，使PN结反向偏置，则改变uGS大小可以改变耗尽层的宽度。由于耗尽层变宽，相应的导电沟道将减小，使得导电沟道本身的电阻值增大，于是，漏极电流iD将减小。所以，通过改变uGS的大小可以实现对漏极电流iD的

29、控制。 3伏安特性曲线 和三极管相类似，场效应晶体管的工作性能，也可以用它的特性曲线来表示，但场效应晶体管的特性曲线不同于三极管的输入、输出特性曲线，而是用转移特性曲线和漏极特性曲线表示。下面以N沟道结型场效应晶体管为例，介绍共栅极放大电路的常用伏安特性曲线。第五章第五章 半导体基本知识半导体基本知识 （1）转移特性曲线 转移特性曲线是指在漏极电压UDS一定时，输出回路漏极电流iD与输入回路的栅源电压uGS之间的关系曲线。用函数式表示为：iD =f( uGS)/ U DS =常数N沟道结型场效应晶体管的转移特性曲线 如图5-29a所示。当uGS=0V时，iD=iDSS，称为饱和漏电流。 （2）漏极特性曲线 漏极特性曲线又叫输出特性曲线。它是指在栅源电压UGS一定时，漏极电流iD与漏源电压uDS之间的关系曲线。用函数式表示为： iD