第1章、半导体器件

模拟电子技术基础授课教师：李学夔主要参考书：清华大学出版社，霍亮生主编《电子技术基础》1课程的难点：建立“工程的概念”、电子电路分析的合理近似课程要求：2第一章半导体器件§1.1半导体基础知识§1.2二极管§1.3双极型晶体管§1.4绝缘栅型场效应晶体管3§1.1半导体基础知识1.1.1本征半导体自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。4半导体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。比如：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，会使它的导电能力明显改变。5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。GeSi6通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。7硅和锗的晶体结构在硅和锗晶体中，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，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共价键，共用一对价电子。8硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子9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，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，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。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+410本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价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（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。+4+4+4+4束缚电子11+4+4+4+4本征半导体的导电机理自由电子空穴在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。12本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。13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载流子，即自由电子和空穴。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能的一个重要的外部因素。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。14半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。自由电子在运动中与空穴相遇就会填补空穴，使二者同时消失，这种现象称为复合。本征半导体的载流子浓度+4+4+4+4自由电子空穴15一定温度下，本征激发产生的自由电子和空穴对，与复合的自由电子和空穴对数目相等，达到动态平衡。理论分析表明：ni

和pi表示自由电子和空穴的浓度（cm－3）16注意：本征半导体的导电性很差，且与环境密切相关。本征半导体的这种对温度的敏感性，既可用来制作热敏和光敏器件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。171.1.2杂质半导体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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。18+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子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杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，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，称为施主原子。19N型半导体N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征激发成对产生的电子和空穴。3、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。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。？20+4+4+3+4空穴P型半导体硼原子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取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。21P型半导体P型半导体中的载流子是什么？1、由受主原子提供的空穴，浓度与受主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，空穴浓度远大于自由电子浓度。空穴称为多数载流子（多子），自由电子称为少数载流子（少子）。22总结1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，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。2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。23杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体24§1.1.3PN结及其单向导电性一、PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。25P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E空间电荷区PN结处载流子的运动26扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，内电场E加强。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。27漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动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，空间电荷区的厚度固定不变。28－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VUho29空间电荷区内正负电荷相等，因此，当P区和N区杂质浓度相等时，正离子区和负离子区宽度相等，称为对称结；当P区和N区杂质浓度不同时，浓度高一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧，称为不对称PN结。绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴数目都非常少，在分析PN结特性时常忽略载流子的作用，只考虑离子区的电荷，这种方法称为“耗尽层近似”，故称空间电荷区为耗尽层。301、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P中的电子和N中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。请注意31二、

PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。32PN结正向偏置－－－－++++内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。33PN结加正向电压时的导电情况低电阻大的正向扩散电流PN结的伏安特性PN结正向偏置34PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。35PN结加反向电压时的导电情况高电阻很小的反向漂移电流PN结的伏安特性PN结反向偏置

在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。36

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。37

(3)PN结V-I特性表达式其中PN结的伏安特性IS——反向饱和电流UT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）381.2二极管

1.2.1

二极管的结构

1.2.2

二极管的伏安特性

1.2.3

二极管的主要参数1.2.4

稳压管39

1.2.1

二极管的结构

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管

PN结面积小，结电容小，用于高频电路和小功率整流。(a)点接触型

二极管的结构示意图40(3)平面型二极管采用扩散法制成，往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管

PN结面积大，结电容大，一般为仅作为整流管。(b)面接触型(c)平面型(4)二极管的代表符号41半导体二极管图片424344

1.2.2

二极管的伏安特性

一、与PN结伏安特性类似

正偏：体电阻、外引线——同样电压，I偏小

反偏：表面漏电流——Is数值增大45二极管的伏安特性表达式可用PN结伏安特性表达式表示：硅二极管2CP10的V-I特性UON锗二极管2AP15的V-I特性UON正向特性反向特性反向击穿特性46

二、温度对二极管伏安特性的影响

温度升高，正向特性左移，反向特性下移。

室温附近，温度每升高1℃，正向压降减少2—2.5mV。

室温附近，温度每升高10℃，反向电流增大一倍。47

1.2.3

二极管的参数(1)最大整流电流If(2)反向击穿电压UBR和最大反向工作电压UR(3)反向电流IR(4)最高工作频率fM48（1）最大整流电流IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压UBR和最高反向工作电压UR二极管反向击穿时的电压值为UBR

。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。最高反向工作电压UR一般是UBR的一半。主要参数说明49（3）反向电流IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流，此时二极管未被击穿。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。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包括整流、限幅、保护等。下面介绍两个交流参数。（4）最高工作频率fM

超过此值时，由于结电容的作用，二极管不能很好地体现单向导电性。501.2.4稳压二极管1.符号及稳压特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。51(1)稳定电压UZ(2)动态电阻rZ

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=UZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大稳定工作电流

IZmax

和最小稳定工作电流IZmin(5)稳定电压温度系数——2.稳压二极管主要参数UZ523.稳压电路正常稳压时VO=UZ#

稳压条件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以吗？53例：已知图中电路稳压管的稳定电压UZ＝6V。计算UI为12V、30V三种情况下输出电压UO的值。解：UI为12V，经两个电阻分压，URL=4V<UZ，DZ截止，故UO＝4V。UI为30V，两个电阻分压，URL能得到10V电压>UZ

，DZ反向击穿，稳压管工作在稳压状态，UO钳位在6V。54§1.3双极型晶体管（BJT)55

结构特点：•发射区的掺杂浓度最高；•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。管芯结构剖面图561.3.1结构和类型becNNP基极发射极集电极NPN型PNP型PNP集电极基极发射极bce57becNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高58becNNP基极发射极集电极发射结集电结591.3.2晶体管的电流控制作用放大是对模拟信号最基本的处理。晶体管是放大电路的核心元件。此图为基本放大电路，称为共射放大电路。共射放大电路的的工作条件是发射结正向偏置，集电结反向偏置。60一晶体管内部载流子的运动becNNPVBBRBVCC发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，是发射极电流IE的主要组成部分。IEIBN1进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBN，多数扩散到集电结。基区空穴向发射区的扩散形成空穴电流IEP。IEP61becNNPVBBRBVCCIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICN+ICBOICNIBN2ICN从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICN。IEP要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。62IBbecNNPVBRBVCCIEICBOICNIC=ICN+ICBOICNIBNIE=IBN+IEP+ICN=IB+ICIEPIB=IBN+IEP-ICBO=IB’-ICBO

IBN+IEP634ICN与IB’之比称为共射直流电流放大倍数ICEO为穿透电流。物理意义是，当基极开路（IB=0）时，在集电极电源VCC作用下集电极和发射极之间形成的电流。ICBO为发射极开路时，集电结的反向饱和电流。整理得：IC=βIB+（1+β）ICBO

=βIB+ICEO

β为共射直流电流放大倍数。所以，IC≈βIB，

IE≈（1+β）IB。64若有输入交流电压信号△UI作用，则晶体管的基极电流在IB基础上叠加动态电流△iB，集电极电流在IC基础上叠加动态电流△iC，△iC与△iB之比为交流放大系数β。65若以发射极电流作为输入电流，以集电极电流作为输出电流，则定义ICN与IE之比为共基直流电流放大系数。共基交流电流放大系数：66beciBiEiCNPN型三极管beciBiEiCPNP型三极管Vc>Vb>VeVc<Vb<Ve67例：分别判断图中所示各电路中晶体管是否有可能工作在放大状态。

68例：已知两只晶体管的电流放大系数β分别为50和100，现测得放大电路中这两只管子两个电极的电流如图所示。分别求另一电极的电流，标出其实际方向，并在圆圈中画出管子。

NPN管

b

e

cPNP管

c

be691.3.3晶体管的共射特性曲线ICmAAVVUCEUBERBIBVCCVBBUBE是发射结压降UCE是管压降70（1）输入特性IB(A)UBE(V)204060800.60.8UCE=0NPNbec71（1）输入特性iB(A)uBE(V)204060800.60.8UCE=00.5vNPNbec72（1）输入特性IB(A)UBE(V)204060800.60.8UCE1VUCE=00.5vNPNbec73（1）输入特性

开启电压UON，硅管0.5V,锗管0.1V。IB(A)UBE(V)204060800.60.8UCE1V工作压降：硅管UBE0.7V,锗管UBE0.2V。UCE=00.5vNPNbec74（2）输出特性iC(mA)1234UCE(V)IB=0IB1IB2IB3IB4IB5此区域满足iC=IB称为线性区（放大区）。特征是：发射结正向偏置，uBE>UON，集电结反偏，uCE

>uBE。NPNbec75iC(mA)1234UCE(V)IB=0IB1IB2IB3IB4IB5此区域称为饱和区。发射结正偏，uBE>UON，集电结正偏，UCEUBE,IB>IC，UCE<0.3V。NPNbec76iC(mA)1234UCE(V)IB=0IB1IB2IB3IB4IB5UBE<UON，IB=0,此区域集电结反偏，UCE>UBE,IC≤ICEO,称为截止区。NPNbec77例：电路如图所示，晶体管导通时UBE＝0.7V，β=50。试分析uI为1.5V、3V情况下晶体管的工作状态及输出电压uO的值。所以晶体管处于放大状态。78例：电路如图所示，晶体管导通时UBE＝0.7V，β=50。试分析uI为1.5V、3V情况下晶体管的工作状态及输出电压uO的值。791.3.4晶体管的主要参数前面的电路中，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、共集接法。共射直流电流放大倍数：1.电流放大倍数becIBIEICNPN型三极管80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iB，相应的集电极电流变化为iC，则交流电流放大倍数为：812.集-基极反向饱和电流ICBOAICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。823.集-射极穿透电流ICEOAICEO83ICEO＝（1＋β）ICBO而ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。选管子时，ICBO、ICEO应尽量小。硅管的ICBO和ICEO比锗管小，所以温度稳定性好。844.集电极最大电流ICM集电极电流IC在一定范围内不变，但大到一定数值会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。855.集-射极反向击穿电压当集---射极之间的电压UCE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25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。NPNbec晶体管的某一电极开路时，另两个电极间所允许加的最高反向电压即为极间反向击穿电压，超过此值的管子会发生击穿现象。866.集电极最大允许功耗PCM集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：PC=ICUCE必定导致结温上升，所以PC有限制。PCPCM87ICUCEICU