第一章-半导体器件

半导体的特性|半导体二极管|双极结型三极管|场效应三极管半导体的特性半导体二极管双极结型三极管场效应三极管半导体器件1学习要求学习半导体器件的目的在于应用重点是各种器件的外特性从应用的角度出发理解掌握器件的伏安特性和主要参数认识并区分各种半导体器件的特点和用途与有关器件的特性曲线联系起来1232半导体的特性半导体二极管双极结型三极管场效应三极管1第一节半导体的特性31.1半导体的特性导体电阻率

<10-4

·cm

的物质，金属一般都是导体绝缘体电阻率

>109

·

cm的物质，如橡胶、陶瓷、塑料和石英等半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质，如硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）和一些硫化物、氧化物等10-4

·cm109

·cmSmallLarge导体半导体绝缘体5制作半导体器件的材料中，用得最多的就是硅和锗，它们的原子最外层轨道的电子（价电子）都是四个。SiGeSiGe6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7半导体的导电性能是由其原子结构决定的，所以它具有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本征半导体杂质半导体纯净的、不含杂质的半导体纯度在绝对零度（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），它不能导电81.1.1本征半导体9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。+4+4+4+4束缚电子自由电子空穴10+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，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，因此可以将空穴视为带正电的载流子。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。动画本征半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就成为杂质半导体。与本征半导体相比，杂质半导体的导电性能发生显著变化，其原因是掺杂使得半导体的某种载流子浓度大大增加。111.1.2杂质半导体NP在本征半导体中掺入5价杂质元素磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等在本征半导体中掺入3价杂质元素硼（B）、镓（Ga）、铟（In）等12+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？131.由杂质原子提供的电子，浓度取决于杂质的浓度2.本征半导体中成对产生的电子和空穴N型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度，主要依靠电子导电自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）1415N两种载流子：自由电子和空穴多子：自由电子少子：空穴P两种载流子：自由电子和空穴少子：自由电子多子：空穴在杂质半导体中，多子的浓度主要决定于掺入的杂质浓度；而少子的浓度与温度密切相关。16半导体的特性半导体二极管双极结型三极管场效应三极管2第二节半导体二极管－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++－－－－++++P型半导体N型半导体扩散运动——多子由于浓度差而产生的运动在一块本征半导体的两侧掺入不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体，那么在N型半导体和P型半导体的交界处将会怎样？1.2.1PN结及其单向导电性1718P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E空间电荷区，也称耗尽层扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽19P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++内电场E漂移运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变窄漂移运动——少子在电场力作用下的定向运动20漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的宽度达到稳定动画21－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区UD电位壁垒的大小与半导体材料有关，Si约为0.6～0.8V，Ge约为0.2～0.3V22一、PN结正向偏置_－－－－++++RV外电场变窄PN+－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的正向电流。I内电场23二、PN结反向偏置－－－－++++内电场变宽NP+_RV－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++内电场被加强，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。I外电场24当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中的反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。因此，PN结具有单向导电性小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管1.2.2二极管的伏安特性+_二极管的电路符号：点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。27

在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I=f(U

)的关系曲线就是二极管的伏安特性曲线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死区电压反向击穿电压U(BR)反向特性–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.02锗管的伏安特性0281.正向特性

当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零,相应的电压叫死区电压，范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管约0.5V左右，锗管约0.1V左右。正向特性死区电压60402000.40.8I/mAU/V

当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。292.反向特性–0.02–0.040–25–50I/mAU/V反向特性

当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；

二极管加反向电压，反向电流很小；

如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；反向饱和电流IS

这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。

击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。反向击穿电压U(BR)303.伏安特性表达式(二极管方程)IS：反向饱和电流UT：温度的电压当量在常温(300K)下，UT

26mV

二极管加反向电压，即U<0，且

|U|

>>UT，则

I

-IS。

二极管加正向电压，即U>0，且

U>>UT

，则

，可得

，说明电流

I与电压U

基本上成指数关系。311.

二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。2.从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。32RLuiuouiuott二极管的应用举例：二极管半波整流331.2.3二极管的主要参数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.最高反向工作电压UR工作时加在二极管两端的反向电压不得超过这个值，否则二极管可能被击穿。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。通常将击穿电压UBR的一半定为UR。343.反向电流

IR指二极管加上规定的反向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。4.最高工作频率fM主要由PN结的结电容决定。结电容越大，则允许的二极管最高工作频率越低。例题设图示二极管D导通压降都为0.7V，试判断各图中二极管都处于什么状态（导通还是截止），并求各电路的输出电压值。

(a)

(b)

(c)361.2.4稳压管稳压管又称齐纳二极管，是工作在反向击穿区的特殊二极管。+-I/mAU/VO+正向+反向UI进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流37稳压管的主要参数1.稳定电压Uz

稳压管在反向击穿区的工作电压。2.稳定电流Iz

使稳压管工作在稳压状态的参考电流。3.动态电阻rz

当稳压管工作在稳压状态时，稳压管两端电压的变化量与流过稳压管电流的变化量之比。动态电阻越小，稳压管稳压效果越好。

384.额定功耗Pz

为稳压管的稳定电压与最大稳定电流之积，额度功耗的值取决于稳压管允许的温升。5.电压的温度系数

U用于反映温度变化对稳定电压的影响，是指环境温度每变化1℃所引起的稳定电压变化的百分比。39稳压管电路UoIZDZRIRUIRL稳压管反向偏置与负载并联串联限流电阻稳压管和一般二极管的主要区别1.二极管通常是利用其单向导电性，既可以工作在正向特性区，也可以工作在反向特性区；而稳压管为了达到稳压的目的，通常工作在反向击穿区。2.通常要求二极管的反向击穿电压比较高；而稳压管的反向击穿电压则相对较低。3.二极管如果被击穿易造成损坏；而稳压管通过限流，虽然工作在反向击穿区，并不损坏。4.二极管主要用于检波、整流等；而稳压管主要用于组成稳压电路。4041半导体的特性半导体二极管双极结型三极管场效应三极管3第三节双极结型三极管421.3.1三极管的结构双极结型三极管（BJT）通常被称为晶体管或三极管43NPN型三极管结构示意图和符号

ecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c基极b发射极eNNP44集电区集电结基区发射结发射区集电极c发射极e基极b

cbe符号NNPPNPNP型三极管结构示意图和符号

45以NPN型三极管为例讨论cNNPebbec表面看三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。不具备放大作用1.3.2三极管中载流子的运动46becNNP基极发射极集电极基区：很薄，掺杂浓度低发射区：掺杂浓度高内部结构条件47becNNP基极发射极集电极发射结正偏集电结反偏外加偏置电压条件48becNNPVBBRBVCCIEICBOIBnICnICIB

IE=IC+IB49输出回路输入回路+UCE-1.3.3三极管的特性曲线

特性曲线是选用三极管的主要依据，可从半导体器件手册查得。iBuCE三极管共射特性曲线测试电路iCVCCRbVBBcebRcV+V+A++mA输入特性：输出特性：+uCE-+uCE-iBiBiBuBE符号说明50输入特性uCE≥2ViB(A)uBE(V)uCE=0VVBBiB+uBE_bce51输出特性iC(mA)1234uCE(V)36912iB=020A40A60A80A100A放大区发射结正偏集电结反偏当uCE大于一定的数值时，iC只与iB有关，且iC=△iB52iC(mA)1234uCE(V)36912iB=020A40A60A80A100A饱和区uCEuBE集电结正偏发射结正偏53iC(mA)1234uCE(V)36912iB=020A40A60A80A100A此区域中

iB≤0,iC≈0称为截止区发射结反偏集电结反偏54输出特性三个区域的特点:1.放大区：发射结正偏，集电结反偏。

iC

=

iB2.饱和区：发射结正偏，集电结正偏。

uCEuBE3.截止区：发射结反偏，集电结反偏。

iB≤0,iC≈0只有工作在放大区，三极管才具有电流放大作用

双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。ICIE+C2+C1VEEReVCCRc(b)共基极接法VCCRb+VBBC1TIBC2Rc+(a)共发射极接法IC561.3.4三极管的主要参数共射直流电流放大系数：1.电流放大系数共射电流放大系数：共基直流电流放大系数：共基电流放大系数：和

这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：572.

反向饱和电流集电极-基极间反向饱和电流ICBO

是指发射极开路时，集电结在反向电压作用下，集电极-基极之间由于少子的漂移运动形成的反向饱和电流。集电极-发射极间穿透电流ICEO

是指基极开路时，集电极和发射极之间的穿透电流。

反向饱和电流是由少子的运动形成的，对温度非常敏感ICBOcebAICEOAceb583.极限参数集电极最大允许电流ICM

集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到额定值的三分之二时的集电极电流即为ICM。集电极最大允许耗散功率PCM

三极管工作时损耗的功率PC＝iCuCE<PCM极间反向击穿电压

基极开路时集电极和发射极之间的反向击穿电压U（BR）CEO

发射极开路时集电极和基极之间的反向击穿电压U（BR）CBOiCuCEiCuCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区三极管的安全工作区5960PNP型三极管放大原理与NPN型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与NPN正好相反。三极管外加电源的极性(a)NPN型VCCVBBRCRb~

N

NP++uoui(b)PNP型VCCVBBRCRb~++uoui61

PNP三极管电流和电压的实际方向uCEuBE++iEiBiCebCuCEuBE(+)()iEiBiCebC(+)()

PNP三极管各极电流和电压的规定正方向PNP三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。

电压(uBE、uCE)实际方向与规定正方向相反，计算中uBE

、uCE

为负值，输入与输出特性曲线横轴为(-uBE)、(-uCE)。62半导体的特性半导体二极管双极结型三极管场效应三极管4第四节场效应三极管63场效应晶体管与双极型三极管不同，它是多子导电，利用电场效应控制电流的一类晶体管。结型场效应管－JFET绝缘栅型场效应管－MOSFET场效应管分两大类:1.4场效应晶体管场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。64dsgN符号N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是电子型的，称N沟道结型场效应管gds1.4.1结型场效应管65P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道gsdP沟道结型场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号gds66N沟道结型场效应管用改变uGS大小来控制漏极电流iDgdsNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层

在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流iD减小，反之，漏极iD电流将增加。

耗尽层的宽度改变主要在沟道区，当两侧的耗尽层因展宽而合拢在一起，导电沟道被夹断。67iD/mAuDS/VOuGS=0V-1-2-3-4-5-6-7预夹断轨迹恒流区

可变电阻区输出特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和截止区1.输出特性uDSiDVDDVGGdsgV+V+uGS特性曲线测试电路+mA

输出特性特性曲线截止区68iD/mAuDS/VOuGS

=0V-1-2-3-4-5-6-7iC(mA)1234uCE(V)36912iB=020A40A60A80A100A场效应管和三极管的输出特性曲线对比692.转移特性O

uGSiDIDSSUGS(off)转移特性uGS=0，iD最大uGS

愈负，iD愈小uGS=UGS(off)，iD0两个重要参数饱和漏极电流

IDSS(uGS=0时的iD)夹断电压UGS(off)(iD=0时的uGS)uDSiDVDDVGGdsgV+V+uGS

特性曲线测试电路+mA70场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据输出特性用作图的方法得到相应的转移特性。uDS=常数iD/mA0-0.5-1-1.5uGS/VuDS=15V5iD/mAuDS/V0uGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达107以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。71

由金属、氧化物和半导体制成，称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管(MOSFET)。特点：输入电阻可达109以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型uGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管uGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管1.4.2绝缘栅型场效应管72N沟道增加型MOSFET的结构及符号73特性曲线1.转移特性2.输出特性iD/mAuDS/VO预夹断轨迹恒流区

可变电阻区uGS<UGS(th)，iD=0；

uGS

≥

UGS(th)，形成导电沟道，随着uGS的增加，iD

逐渐增大。