第11章常用半导体器件

1、(11-1) 第十一章第十一章 常用半导体器件常用半导体器件自动化与电子信息学院自动化与电子信息学院 电工学教研组电工学教研组(11-2)(11-3)第十一章第十一章 常用半导体器件常用半导体器件 11.1 11.1 半导体的基础知识与半导体的基础知识与PNPN结结 11.2 11.2 半导体二极管半导体二极管 11.3 11.3 特殊二极管特殊二极管 11.4 11.4 晶体三极管晶体三极管 11.5 11.5 场效应晶体管场效应晶体管(11-4)11.1 半导体的基础知识半导体的基础知识(11-5)1.本征半导体（纯净半导体）本征半导体（纯净半导体）一、本征半导体的结构特点一、本征半导体的

2、结构特点GeSi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。(11-6)共价健共价健 Si Si Si Si价电子价电子(11-7)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

3、键后，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+4(11-8)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

4、能量而脱离共价键的束缚，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(11-9)+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理带电粒子（即带电粒子（即载流子载流子）(11-10)2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4思考思考:空穴和自由电空穴和自由电子的移动方向相反，子的移动方向相反，所形成的电流方向是所形成的电流方向是否也相反？否也相反？本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即

5、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。(11-11)温度越高，载流子的浓度越高。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半因此本征半导体的导电能力越强，导体的导电能力越强，温度温度是影响半导体性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。(11-12)2. 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

6、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）。negativepositive(1-13) Si Si Si Sip+多多余余电电子子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个失去一个电子变

7、为电子变为正离子正离子(1-14) Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴动画动画(11-15)(11-16)金属和半导体的导电机理有何不同？金属和半导体的导电机理有何不同？金属是自由电子的移动产生电流；金属是自由电子的移动产生电流；半导体的空穴和电子移动产生电流，半导体的空穴和电子移动产生电流，但由于多子和少子的数量相差很大，但由于多子和少子的数量相差很大，起导电作用的主要是多子。起导电作用的主要是多子。(1-17)多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结 +形成空间电荷区形成空间电荷区(11-18)1 1

8、、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），），数量有限，因此由它们形成的电流很小。数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意注意: :(11-19) PN结的单向导电性结的单向导电性 PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是： P 区区加正、加正、N 区加负电压。区加负电压。 PN 结结加上反向电压加上

9、反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是： P区区加负、加负、N 区加正电压。区加正电压。思考：正向偏置和反向偏置对内电场思考：正向偏置和反向偏置对内电场的作用有何不同？的作用有何不同？(11-20)+RE一、一、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，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。(11-21)二、二、PN 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

10、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。RE(11-22)PNPN结的形成结的形成扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散强扩散强漂移运动增强漂移运动增强内电场增强内电场增强两者平衡两者平衡PNPN结宽度基本稳定结宽度基本稳定外加外加电压电压平衡平衡破坏破坏扩散强扩散强漂移强漂移强PNPN结导通结导通PNPN结截止结截止(11-23)PN结的单向导电性正向偏置和反向偏置时，流过正向偏置和反向偏置时，流过PN结的电流有何不同？结的电流有何不同？理想情况下，正向偏置和反向偏置时，理想情况下，正向偏置和反向偏置时，PN结在电路中结在电路中的作用有何不同？的作用有

11、何不同？正向偏置：正向偏置：PNPN结呈现低阻导通状态，通过结呈现低阻导通状态，通过PNPN结的结的电流基本是多子的扩散电流电流基本是多子的扩散电流正向电流正向电流反向偏置：反向偏置：PNPN结呈现高阻状态，通过结呈现高阻状态，通过PNPN结的电流结的电流是少子的漂移电流是少子的漂移电流-反向电流反向电流(11-24)(11-25)点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP

12、 型支持衬底型支持衬底符号：符号：PND D(11-26) 二、伏安特性二、伏安特性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UBR不同区域二极管在电路中不同区域二极管在电路中的作用有何不同？的作用有何不同？(1-27)(11-28)定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的，(11-29)例例1：D6V12V3k BAUAB+(11-30)例例2:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+(11-3

13、1)V sin18itu t (11-32)二极管应用举例二极管应用举例 主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 例例: 图中电路，输入端图中电路，输入端A的电位的电位VA=+3V，B的电位的电位VB=0V，求输出端，求输出端Y的电位的电位VY。电阻。电阻R接负电源接负电源-12V。（两个二极管均为锗二级管，正向压降（两个二极管均为锗二级管，正向压降0.3V）VY=+2.7V解：解：DA优先导通，优先导通， DA导通后，导通后， DB上加的是反向电压，上

14、加的是反向电压，因而截止。因而截止。DA起钳位作用，起钳位作用， DB起隔离作用。起隔离作用。-12VAB+3V0VDBDAY(11-33)二极管的应用举例二极管的应用举例tttuiuRuoRRLuiuRuo(11-34)11.3 特殊二极管特殊二极管11.3.1 稳压二极管稳压二极管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，稳压越小，稳压性能越好。性能越好。(11-35)（4）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。（5）最大允许功耗）最大允许功耗max

15、ZZZMIUP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ZZIUZr正向电压还是反正向电压还是反向电压？向电压？(11-36)稳压二极管的应用举例稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL5mA 20mA, V,10minmaxzzzWIIU稳压管的技术参数稳压管的技术参数:k10LR负载电阻负载电阻 。要求要求当输入电压由正常值发当输入电压由正常值发生生 20%波动时，负载电压基本不变。波动时，负载电压基本不变。解：令输入电压达到上限时，流

16、过稳压管的电解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为流为Izmax 。求：求：电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值。的正常值。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi方程方程1(11-37)令输入电压降到下限令输入电压降到下限时，流过稳压管的电时，流过稳压管的电流为流为Izmin 。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2，可解得：，可解得：k50V7518.R,.ui(11-38)(11-39)(11-40)11.4 晶体三极管晶体三极管(11-41)(11-42)11.4 晶体

17、三极管晶体三极管11.4.1 基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型(11-43)BECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管(11-44)BECNNP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集电结集电结发射结发射结(1-45)EEBRBRC(1-46)(11-47)BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO(11-48)4ICE与与IBE之比称为之比称为静态静

18、态电流电流（直流）（直流）放大倍数放大倍数要使三极管能放大电流，必须使要使三极管能放大电流，必须使发射结正发射结正偏，集电结反偏。偏，集电结反偏。BCCBOBCBOCBECEIIIIIIII(11-49)11.4.3 特性曲线特性曲线ICmA AVVUCEUBERBIBECEB 实验线路实验线路(11-50)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。(11-51)二、二、输出

19、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。(11-52)IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中UCE UBE,集电结正偏，集电结正偏， IBIC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。(11-53)IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域

20、中此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电死区电压，称为截压，称为截止区。止区。(11-54)三、主要参数三、主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。集接法。共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：BCII_工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为直流上的交流信号。基极电流的变化量为 IB，相应的集电极电流变化为相应的集电极电流变化为 IC，则则交流电流放交流电流放大倍数大

21、倍数为：为：BIIC1. 电流放大倍数电流放大倍数和和 _(11-55)2.集集- -基极反向截止电流基极反向截止电流ICBO AICBOICBO是集是集电结反偏电结反偏由少子的由少子的漂移形成漂移形成的反向电的反向电流，受温流，受温度的变化度的变化影响。影响。(11-56)BECNNPICBOICEO= IBE+ICBO IBE IBEICBO进入进入N区，形成区，形成IBE。根据放大关系，根据放大关系，由于由于IBE的存的存在，必有电流在，必有电流 IBE。集电结反集电结反偏有偏有ICBO3. 集集- -射极反向截止电流射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响受温度影响很大，当温度上很大

22、，当温度上升时，升时，ICEO增加增加很快，所以很快，所以IC也也相应增加。相应增加。三极三极管的温度特性较管的温度特性较差差。(11-57)4.集电极最大电流集电极最大电流ICM集电极电流集电极电流IC上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的下降，值的下降，当当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为流即为ICM。5.集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压当集当集-射极之间的电压射极之间的电压UCE超过一定的数值超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25 C、基极开路时的击穿电压基极开路时的击穿

23、电压U(BR)CEO。(11-58)6. 集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM 集电极电流集电极电流IC 流过三极管，流过三极管， 所发出的焦耳所发出的焦耳 热为：热为：PC =ICUCE 必定导致结温必定导致结温 上升，所以上升，所以PC 有限制。有限制。PC PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区(11-59)例：例：UCE=6V时时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。5 .3704. 05 . 1_BCII4004. 006. 05 . 13 . 2BCII在以后的计算中，一般作近似处理：

24、在以后的计算中，一般作近似处理： =(11-60)11.5 场效应晶体管场效应晶体管场效应管与双极型晶体管不同，它是多子场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。导电，输入阻抗高，温度稳定性好。P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型FET场效应管场效应管N沟道沟道(11-61)N基底基底 ：N型半导体型半导体PP两边是两边是P区区G(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极一、结构一、结构11.5.1 结型场效应管结型场效应管:导电沟道导电沟道(11-62)NPPG(栅极栅极)S

25、源极源极D漏极漏极N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS(11-63)PNNG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS(11-64)二、工作原理（以二、工作原理（以P沟道为例）沟道为例）UDS=0V时时PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反偏，结反偏，UGS越大则耗尽区越越大则耗尽区越宽，导电沟道越宽，导电沟道越窄。窄。(11-65)PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V时时NNUGS越大耗尽区越宽，越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。沟道越窄，电阻越大。但当但当UGS较小时，耗尽较小时，耗尽区宽度有限，存在导区宽度有限，存在导电沟道。电沟道。DS间相当于间相当于线性电阻。线性电阻。(11-66)PGSDUDSUGSNNUDS=0时时UGS达到一定值时达到一定值时（夹断电压夹断电压VP）,耗耗尽区碰到一起，尽区碰到一起，DS间被夹断，间被夹断，这时，即这时，即使使UDS 0V，漏极电，漏极电流流ID=0A。ID(11-67)PGSDUDSUGSUGS0、UGDVP时时耗尽区的形状耗尽区的形状NN越靠近漏端，越靠近漏端，PN结反压越大结反压越大ID(11-6