第二章半导体器件基础课件

*第二章半导体器件基础本章要求：一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电流放大作用；二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。*2.1半导体基本知识

物体（导电能力不同）导体：ρ<10-5Ω·m绝缘体（塑料和橡胶）:ρ>107Ω·m半导体（Si和Ge）

:10-5Ω·m

<ρ<107Ω·m*

半导体的电阻率为10-5～107Ω●m。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。典型的半导体有硅Si和锗Ge等。SiGe*半导体的特点：④掺杂特性：往纯净的半导体中掺入某些杂质,导电能力急剧增强。①导电性：导电能力介于导体和绝缘体之间；②光敏性：半导体光照时，导电能力增强;③热敏性：半导体受热时，导电能力增强;*半导体本征半导体杂质半导体P型半导体(空穴型)N型半导体(电子型)半导体的分类：*一、本征半导体

硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子为价电子。它们分别与周围的四个原子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。

完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。*硅晶体的空间排列共价键结构的平面示意图共价键共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子这种结构的立体和平面示意图如下图所示*

Si

Si

Si

Si自由电子空穴价电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴沿着电子填补运动反方向移动。

热激发产生电子-空穴对,温度愈高，晶体中产生的电子空穴对便愈多。（热激发过程）（空穴在晶格中移动）*(2)温度升高时，激发出的电子——空穴对数目增加，载流子浓度增大，导电能力增强，因此，本征半导体可以制成热敏器件和光敏器件。注意：常温时，本征半导体中载流子数目极少,导电能力很弱；*二、杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素形成杂质半导体。杂质半导体分为N型半导体和P型半导体。N型半导体掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子

掺杂后自由电子数目大量增加，以电子导电为主的半导体称为N型半导体

在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。多余电子*(2)P型半导体

Si

Si

Si

Si掺入三价元素B–硼原子接受一个电子变为不能移动的负离子空穴

掺杂后空穴数目大量增加，外加电场作用下，电流主要是空穴电流，空穴导电为主的半导体称为P型半导体。

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。*综上：(1)本征半导体中掺入微量杂质元素构成杂质半导体.(2)在常温下，杂质原子均已电离，载流子浓度就大大增加，使半导体的导电能力大大提高。(3)掺杂是提高半导体导电能力的有效方法。在杂质半导体中：(4)多数载流子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度.(5)而少数载流子的浓度主要取决于温度。*1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。

3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）

abcba*1.PN结的形成三、PN结及其单向导电性

半导体的两部分分别掺杂形成P型半导体和N型半导体，在它们的交界面处就形成了PN结。*多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差PN

内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区(耗尽层或PN结),扩散的结果使空间电荷区变宽。PN结形成过程(动画)

*复习本征半导体在常温下是否导电？在光照和热的作用下会产生_载流子___杂质半导体根据掺入杂质的不同可以分为哪两种？P型半导体，N型半导体杂质半导体的导电强弱由什么来决定？其中P型半导体的多子是什么？N型半导体的多子是什么？

载流子浓度，空穴，电子P型半导体或者N型半导体是否带电？不带电PN结是由多子的_扩散___运动以及少子的_漂移___运动达到动态平衡时产生的固定长度的空间电荷区。空间电荷区又叫耗尽层，它耗尽的是_电子空穴对___。留下的是___*2.PN结的单向导电性1.正向偏置——PN结低阻导通PN结变窄P接正、N接负

外电场I

内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于低阻导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–（PN结加正向电压时的导电情况动画）*PN结变宽外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。I

P接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+

PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－2.反向偏置——PN结高阻截止（PN结加反向电压时动画1.5）*PN结小结：2.PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流，

PN结截止；1.PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，PN结导通；3.PN结正向导通，反向截止的特性，称为PN结的单向导电特性.*2.2半导体二极管一、晶体二极管的结构和符号、类型在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管.金属触丝阳极N型锗片阴极管壳(

a)

二极管结构示意图(

b)

电路符号阴极阳极VDNP*

二极管按结构分三大类：(1)点接触型二极管

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。*(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。*(3)平面型二极管

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。*半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。*半导体二极管图片*

半导体二极管的伏安特性曲线如图所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。二、晶体二极管的伏安特性与等效电路*

式中IS为反向饱和电流，V为二极管两端的电压降，VT=kT/q称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有VT=26mV。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示I=IS(eV/V-1)T*硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压v(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。

外加电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性

硅0.7V

锗0.2VvDiD死区电压PN+–PN–+

反向电流在一定电压范围内保持常数。1.伏安特性*2.电路模型1)理想模型vDiD0vD+-iD正偏:管压降为0,相当于开关闭合;反偏:电流为0,电阻无穷,相当于开关断开

在实际电路中，当电源电压远大于二极管的管压降时，可利用此模型。*vDvDiD0VF+-iD2）恒压降模型（简化模型）正偏：管压降为恒定值，且不随电流变化而变化。硅管的管压降0.7V，锗管0.2V。反偏：电流为0，电阻无穷大。

实际电路的电阻远远大于二极管的平均电阻，采用恒压降模型。*三、晶体二极管的主要参数1.最大整流电流Ir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.反向峰值电压VRM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。*3.反向峰值电流IR指二极管加最高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，IR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，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。*四、晶体二极管的温度特性

温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。

另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降VF(VD)大约减小2mV，即具有负的温度系数。这些可以从图2.11所示二极管的伏安特性曲线上看出。*温度升高时，反向电流将呈指数规律增大；二极管正向压降将减小i0IvDDT2T1T2>T1VD2VD1图2.11温度对二极管伏安特性曲线的影响*

五、晶体二极管的应用

定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V

分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压VD的正负。若V阳>V阴或VD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳<V阴或VD为负(反向偏置)，二极管截止

若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。*基尔霍夫电压定理KVL：任一时刻，沿任一回路循行方向各段电压的代数和恒为０。电压参考方向与回路的绕行方向相同时，该电压在式中取正，否则取反。适用范围：不仅可以用在任一闭合回路，还可以推广到任一不闭合的电路上，但要将开口处的电压列入方程。

*例1：硅二极管限幅电路如图(a)(b)所示，当输入波形vi如图所示，画出输出电压v0的波形，设二极管为理想器件。viVmvoVm-V-V(a)vDviRv0+–+–V*viv0+–+–vDRV(b)viVm练习(二极管为理想器件)Vmvo-V*电路如图，求：VAB

V阳

=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，VAB=－6V否则，VAB低于－6V一个管压降，为－6.2Ｖ或－6.7V例2：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。D6V12V3kBAVAB+–*复习1.什么是PN结的单向导电性?2.PN结正偏和反偏时外加电压分别是怎样的?3.二极管什么情况下导通?4.分析含有二极管的电路的步骤?*

两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12VVD1=6V，VD2=12V

∵

VD2>VD1

∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，VAB=0V例3:D1承受反向电压为－6V求：VABBD16V12V3kAD2VAB+–*vi>8V，二极管导通，可看作短路，vo=8Vvi<8V，二极管截止，可看作开路，vo=vi已知：二极管是理想的，试画出vo波形。8V例4：

二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。vi18V二极管阴极电位为8V参考点D8VRvovi++––vi=18sinwtV*1.符号

2.伏安特性

稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻

稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+IVZVZIZIZMIZVO六、稳压二极管*稳压二极管的应用电路5VE若:E=7V,VR=2V;E=12V,VR=7V.流过稳压管电流的变化不会引起稳压管两端电压的变化*VZIZIZMIZVIOVZ3.稳压管的主要参数(3)稳定电流IZ，IZmin<IZ<IZmax(2)动态电阻ZZ

ZIVrDD=(1)稳定电压VZ

PN结击穿电压

*一.晶体三极管的结构、符号、类型NNP基极发射极集电极NPN型becbecPNP型PPN基极发射极集电极符号：becNPN型三极管ecPNP型三极管2.3晶体三极管*按结构分为：NPN和PNP型两种；按制造材料分为：锗管和硅管；按功率大小分为：小功率管、中功率管、大功率管；按工作频率分：高频管和低频管；按用途分：放大管和开关管；三极管的分类：*二、晶体管的电流分配和放大作用1.三极管处于放大状态的工作条件BECNNPEBRBECRC②发射结正偏、集电结反偏；PNP发射结正偏

VB<VE集电结反偏

VC<VB

NPN

发射结正偏

VB>VE集电结反偏

VC>VB

①制造时应使发射区的掺杂浓度比较高，基区做的很薄，掺杂浓度低于发射区，集电结的面积大，掺杂浓度更低。*2.三极管在电路中的3种接法(a)共射极(CE)ceIBICb(c)共集电极(CC)ecIBIEb

采用不同的电极作为公共电极就形成了三极管的三种组态：e(b)共基极(CB)cICIEb*3.晶体三极管的电流分配及放大作用(1)晶体管中载流子的运动及电流分配IBIEVBBVCCIC扩散IBN复合ICBOICN1N+N收集p空穴注入少子漂移IENIEP电子注入晶体管中载流子的运动（以NPN管为例）*发射区向基区注入电子（IEN）；发射极电流IE≈IEN晶体三极管又称为双极型三极管。注入电子在基区边扩散边复合（IBN）是基极电流IB的一部分；集电区收集扩散来的电子（ICN1）构成集电极电流IC的主要成分；集电结两边少子定向漂移（ICBO）；ICBO对放大无贡献，应当减小；*电流分配关系图αIEICBOIBIEVBBVCCICNNp(1-α)IE*αIEICBOIBIEVBBVCCICNNp(1-α)IEα=发射极电流IEIE传输到集电极的电流分量IEICN1=β=

基区复合电流IBNIE传输到集电极的电流分量IBNICN1=αβ关系：β=α1-αIBIcβ≈IEIcα≈β远远大于1时，有*αIEICBOIBIEVBBVCCICNNp(1-α)IEIE=(1+β)IB

+(1+β)ICBOIC=βIB+(1+β)ICBOIB=(1-α)IE

-ICBOIC=αIE+ICBO*（3）晶体管的电压极性和电流方向(b)PNP型三极管ecbIBIEIC+--+VBCVBEVCE(a)NPN型三极管VBCIBIEICcbe-+-+VBEVCE*复习晶体三极管的电流分配和电流放大关系?三极管放大的外部条件?发射结正偏，集电结反偏*三晶体三极管的伏安特性与等效电路

––VBBvCERbiBvBE++–+iCVCC–+Rc**导通电压vBE(on)硅管：

(0.60.8)V锗管：

(0.20.3)V取0.7V取0.2VO0CE=vV

1CEvBEv特性基本重合(电流分配关系确定)特性右移(因集电结开始吸引电子)0CE>vV

1CEv（b）输入特性曲线常数==CE)(BEBvvfi指vCE为参变量，iB随vBE的关系变化曲线：1.输入特性与等效电路

*(b)输出特性40A60A80A100AiB=020A36iC(mA)1234vCE(V)912O放大区输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区对应放大状态：发射结正偏,集电结反偏；发射极与集电极的极间电压为vBE<vCE<vCC特点：在放大区有iC=iB，也称为线性区，具有恒流特性。常数==B)(CECivfi输出特性曲线输出特性曲线2.输出特性与等效电路

*iB=020A40A60A80A100A36iC(mA)1234vCE(V)912O饱和区（2）饱和区饱和状态:发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

特点：①饱和现象固定vCE,iC基本不随iB变化②vCE控制iC，固定iB,iC随vCE剧烈变化。*iB=020A40A60A80A100A36iC(mA)1234vCE(V)912O饱和区注意：临界饱和:vBC=0晶体管饱和时vCE<vBE饱和时的管压降：vCES

硅管VCES0.3V，锗管VCES0.1V。*（3）截止区iB<0以下区域为截止区，有iC0

。在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。iB=020A40A60A80A100A36iC(mA)1234vCE(V)912O截止区*放大状态时NPN管和PNP管中电流实际方向和发射结和集电结的实际极性对于NPN型三极管应满足：vBE>0VCB>0即VC>VB>VE(a)NPN型VBCIBIEICcbe-+-+VBEVCE-+-+-*对于PNP型三极管应满足：vBE<0vCB<0即VC<VB<VEecbIBIEIC-++-VBCVBEVCE(b)PNP型-+-+-*例2.3三极管的对地电位如图所示，试判断三极管的工作状态。8v3.7V3V（a）3.3v3.7V3V（c）12v2V3V（b）*四.晶体三极管的主要参数(1)共发射极电流放大系数①集电极和基极之间的反向饱和电流

ICBO②集电极和发射极之间的穿透电流ICEO(2)反向饱和电流

关系：ICEO=(1+β)ICBO(1)集-射极反向击穿电压V(BR)CEO

2.极限参数1.性能参数*(2)集电极最大允许电流ICM

如图所示，当集电极电流增加时，就要下降，当值下降到线性放大区值的70～30％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当IC＞ICM时，并不表示三极管会损坏。

*ICVCE=PCMICMV(BR)CEO安全工作区iCvCEO(3)集电极最大允许耗散功耗PCM*五晶体管的应用①利用其饱和截止状态可使BJT作为一个可以控制的无触点开关；②工作在放大状态，用作放大器；*

国家标准对半导体三极管的命名如下:3

D

G

110B

第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管

用字母表示材料

用字母表示器件的种类

用数字表示同种器件型号的序号

用字母表示同一型号中的不同规格

三极管半导体三极管的型号例如：3AX31D、3DG123C、3DK100B*半导体三极管图片*半导体三极管图片*

场效应管FET(Field

Effect

Transistor)是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。2.4场效应半导体三极管*图2.29BJT和FET不同的控制方式BJTIB(控制电流)ICVGS(控制电压)FETID+-*特点：1.单极型器件(一种载流子导电)；3.工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低2.输入电阻高(1071015，IGFET可高达1015)4.噪声小,受温度影响小*

结型场效应管JFET(JunctionFieldEffectTransistor)是利用半导体内部的电场效应来进行工作的；

绝缘栅型场效应管IGFET又称金属氧化物场效应管MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)是利用半导体表面的电场效应来进行工作的；一场效应管的结构、类型*场效应管FET绝缘栅型场效应管（MOSFET/IGFET）结型场效应管（JFET）增强型耗尽型P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道*（a）N沟道耗尽型（b）N沟道增强型S(Source)为源极，相当e

G(Gate)为栅极，相当bD(Drain)为漏极，相当c**二场效应管的工作原理1.N沟道增强型场效应管VDS固定时,VGS的影响GDSVDSVGSIDVGS=0时，无导电沟道VGS>VGS(th),产生导电沟道

定义开启电压VGS(th)，为刚开始出现导电沟道时的栅源电压数值。*GDSVDSVGSID漏极电流ID受控于VGS通过改变加在绝缘层上的电压（栅源电压）的大小来改变导电沟道的宽度，进而改变沟道电阻的大小以达到控制漏极电流的目的,漏极电流ID受控于VGS（动画）*VDS影响ID（VGS=C≠0）VDS<(VGS-VGS(th))开启状态ID>0VDS=(VGS-VGS(th))预夹断状态VDSIDVDS>(VGS-VGS(th))预夹断后VDSID近似不变（漏源电压VDS对沟道的影响）*小结：ID受控于VGS：VGSID

直至ID=0；ID受VDS影响：VDS

，则ID先增，随后近似不变；以预夹断状态为分界线预夹断以前VDS，ID

预夹断后VDS，ID近似不变*iD/mAvDS/VvGS

=2V4V6V8V截止区可变电阻区恒流区（a）输出特性输出特性曲线分为三个区：截止区、放大区(恒流区)、可变电阻区(1)输出特性曲线iD=f(vDS)vGS=常数*vDS/V截止区特点：VGS