第4章半导体器件课件

半导体器件第

4

章4.1半导体的基础知识4.1.1半导体的导电特性4.1.2PN结(SemiconductorDiode)1页4.1.1半导体导电特性半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体

—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子—自由运动的带电粒子。共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。+4+4+4+4硅(锗)的原子结构Si284Ge28184简化模型+4惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动1.本征半导体2本征激发：复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。3两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动

结论:1.本征半导体中电子空穴成对出现,且数量少；

2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；

3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。42杂质半导体⑴N型半导体和P型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数

电子数P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子电子—少子载流子数

空穴数施主离子施主原子受主离子受主原子5⑵杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN型半导体I

INP型半导体

I

IP⑶P型、N型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数载流子+–P型半导体N型半导体64.1.2

PN结1.PN结(PNJunction)的形成⑴载流子的浓度差引起多子的扩散⑵复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层)空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。⑶扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。内建电场72.PN结的单向导电性⑴外加正向电压(正向偏置)—forwardbiasP区N区内电场+

UR外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子I少子

I多子⑵外加反向电压(反向偏置)—reversebias

P

区N

区

+UR内电场外电场外电场使多子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子

08反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：（Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压<6V,负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(击穿电压>6V,正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。3.PN结的击穿特性91.P型半导体中多数载流子是（）。

A.电子B.空穴C.正离子D.负离子2.温度从室温附近升高，杂质半导体中（）浓度明显增高。

A.少数载流子B.多数载流子C.载流子3.杂质半导体中多数载流子的浓度主要取决于（

）。

A.温度B.掺杂工艺C.掺杂浓度D.晶体缺陷4.在本征半导体中加入元素（）可形成N型半导体。

A.硼B.铝C.铟D.磷5.

PN结不加外部电压时，扩散电流（）漂移电流。

A.大于B.小于C.等于小测验106.当温度升高时,半导体的导电能力将（）。A.增强B.减弱 C.不变D.以上都不对7.N型半导体的多数载流子是电子，它应（

）。A.带负电B.带正电C.不带电D.以上都不对8.在PN结中形成空间电荷区的正、负离子都带电，所以空间电荷区的电阻率（）。

A.很高B.等于N

型或P型半导体的电阻率C.很低D.以上都不对9.若将PN结短接，在外电路将（）。

A.产生一定量的恒定电流B.产生一冲击电流C.不产生电流D.以上都不对114.2二极管4.2.1半导体二极管4.2.2特殊二极管121.半导体二极管的结构和类型构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金平面型正极

引线负极

引线集成电路中平面型pNP型支持衬底4.2.1半导体二极管13142.二极管的伏安特性⑴PN结的伏安方程反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当T=300（27C）：UT

=26mV15⑵二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(锗管)uD

UthiD急剧上升0uD

Uth

UD(on)

=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V锗管0.2V反向特性ISU(BR)反向击穿U（BR)

uD

0iD=IS<0.1A(硅)几十A

(锗)uD

<

U（BR）反向电流急剧增大(反向击穿)UD(on)16硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.02017温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90CT升高时，正向特性曲线左移，反向特性曲线下移UD(on)以(22.5)mV/C下降183.二极管的主要参数①

IF—最大整流电流（最大正向平均电流）②URM—最高反向工作电压，为U(BR)/2

③IR

—反向电流（越小单向导电性越好）④fM—最高工作频率（超过时单向导电性变差）iDuDU(BR)IFURMO19影响工作频率的原因—PN结的电容效应

结论：1.因PN结电容很小，低频时影响很小。高频时，因容抗减小，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。20⑴理想二极管及二极管特性的折线近似①理想二极管特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0;反偏截止，iD=0U(BR)=②二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(硅Si)0.2V(锗Ge)UD(on)③二极管的折线近似模型uDiDUD(on)UI斜率1/rDrDUD(on)二极管的导通电阻4.二极管电路的分析方法21UD(on)例4.2.1硅二极管，R=2k，分别用二极管理想模型和恒压降模型求出VDD=2V和VDD=10V时IO和UO的值。UOVDDIORUOVDDIOR[解]VDD=2V

理想IO=VDD/R=2/2

=1(mA)UO=VDD=2V恒压降UO=VDD–UD(on)=20.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2

=0.65(mA)VDD=10V

理想IO=VDD/R=10/2

=5(mA)恒压降UO=100.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)UOVDDIORVDD大，

采用理想模型VDD小，

采用恒压降模型22例4.2.2试求电路中电流I1、I2、IO和输出电压UO的值。解：假设二极管断开UP=15VUP>UN二极管导通等效为0.7V的恒压源

UO=VDD1

UD(on)=150.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UOVDD2)/R=(14.312)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)PNVDD1VDD2UORLR1kW3kWIOI1I215V12V23例4.2.3二极管构成“门”电路，设V1、V2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时，求输出电压UO的值。UAUBUOR3kW12VVDDV1V2BAY输入电压理想二极管输出电压UAUBV1V20V0V正偏导通正偏导通0V0V5V正偏导通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏导通0V5V5V正偏导通5V正偏导通24例4.2.4

画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui

=15sint(V)作用下输出uO的波形。(按理想模型)RLV1V2V3V4uiBAuOOtuO/V15uiBAuOS1S2S3S4uiBAuOS1S2S3S4Otui

/V1525例4.2.5

ui=2sin

t(V),分析二极管的限幅作用。ui较小，宜采用恒压降模型V1V2uiuOR0<

ui<0.7VV1、V2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7VV2导通V１截止ui<

0.7VV1导通V2截止uO=0.7VOtuO/V0.7Otui

/V20.7-0.7V<

ui<0V1、V2均截止uO=ui261.理想二极管的导通压降为（）。

A.0.7VB.0.2VC.0V2.硅二极管的恒压降模型是把二极管等效成理想二极管和（）的电压源串联。

A.0.7VB.0.2VC.0.5V3.理想二极管的正向电阻为（）

。

A.零B.无穷大C.约几千欧D.以上都不对4.二极管导通的条件是加在二极管两端的（）。

Ａ.正向电压大于PN结的死区电压

B.正向电压等于零

C.必须加反向电压275.二极管的死区电压随环境温度的升高而（）。A.增大B.不变C.减小D.以上都不对6.

电路如图所示，二极管D为理想元件，US

=5V，则电压uO=（）。

A.USB.US

/2C.零D.以上都不对7.如果把一个小功率二极管直接同一个电源电压为1.5V、内阻为零的电池正向连接，则后果是该管（）。击穿B.电流为零 C.电流正常D.电流过大使管子烧坏281.稳压二极管⑴伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ/mAuZ/VOUZIZminIZmaxUZIZIZ特性⑵主要参数①稳定电压UZ

流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。②

稳定电流IZ

越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。③最大工作电流IZM最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM④

动态电阻rZrZ=UZ/IZ越小稳压效果越好。几几十4.2.2特殊二极管29⑤电压温度系数CTUZ<4V，CT<0(为齐纳击穿)具有负温度系数；UZ>7V，CT>0(为雪崩击穿)具有正温度系数；4V<UZ<7V，CT很小。稳压管电流不变时，环境温度每变化1℃引起稳定电压变化的百分比。30VDZR使用稳压管需要注意的几个问题：稳压管电路UOIO+IZIRUI+

1.外加电源的正极接管子的N区，电源的负极接P区，保证管子工作在反向击穿区；RL

2.稳压管应与负载电阻RL

并联；3.必须限制流过稳压管的电流IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。31例4.2.7

分析简单稳压电路的工作原理，R为限流电阻。IR=IZ+ILUO=UI

–IRR当UI波动时(RL不变)反之亦然当RL变化时(UI不变)反之亦然UIUORRLILIRIZ322.发光二极管与光电二极管⑴发光二极管LED(LightEmittingDiode)①符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(12)V②主要参数电学参数：IFM

，U(BR)，IR光学参数：峰值波长P，亮度

L，光通量发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光，点阵LED符号u/Vi

/mAO2特性七段LED第1章半导体二极管33第1章半导体二极管34点式LED字段式LED点阵式LED光柱式LED35⑵光电二极管①符号和特性符号工作条件：反向偏置②主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长第1章半导体二极管实物照片特性暗电流uiOE=200lxE=400lx光电流照度增大36补充：选择二极管限流电阻步骤：1.设定工作电压(如0.7V;2V(LED);UZ)2.确定工作电流(如1mA;10mA;5mA)3.根据欧姆定律求电阻R=(UIUD)/ID(R要选择标称值)RUIUDID第1章半导体二极管37半导体二极管的识别与检测1.目测判别极性触丝半导体片4.2.3半导体二极管特性的测试与应用382.用万用表检测二极管在R1k挡进行测量，红表笔是(表内电源)负极，黑表笔是(表内电源)正极。测量时手不要接触引脚。(1)

用指针式万用表检测一般硅管正向电阻为几千欧，锗管正向电阻为几百欧。正反向电阻相差小为劣质管。正反向电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路。1k00039(2)用数字式万用表检测红表笔是(表内电源)正极，黑表笔是(表内电源)负极。2k20k200k2M20M200在

挡进行测量，当PN结完好且正偏时，显示值为PN结两端的正向压降(V)。反偏时,显示•。40作业10.5、10.6、10.7、10.9课后练习10.1、10.2414.3.1半导体三极管4.3.2场效应管4.3三极管42(SemiconductorTransistor)(BipolarJunctionTransistor)4.3.1半导体三极管一、结构、符号和分类NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区—集电区emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型分类：按材料分：硅管、锗管按结构分：NPN、PNP按使用频率分：

低频管、高频管按功率分：小功率管<500mW中功率管0.51W大功率管>1WECBECB43常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。三极管的结构(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)NecNPb二氧化硅becPNPe发射极，b基极，c集电极。44二、电流分配及放大原理1.三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏2.满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极实现电路uiuoRBRCuouiRCRE453.三极管内部载流子的传输过程1)发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流

IE。ICN多数向集电结方向扩散并漂移过集电结形成ICN。IE少数与空穴复合，形成IBN。IBN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO3)集电区收集漂移过来的载流子形成集电极电流ICICIC=ICN+ICBO2)电子到达基区后(基区空穴运动因浓度低而忽略)三极管内载流子运动464.三极管的电流分配关系

当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB=I

BN

ICBOIC=ICN+ICBOIE=IC+IB穿透电流47三、晶体三极管的特性曲线1、输入特性输入回路输出回路与二极管特性相似RCVCCiBIERB+uBE+uCEVBBCEBiC+++iBRB+uBEVBB+O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)导通电压UBE(on)Si管:(0.60.8)VGe管:(0.20.3)V取0.7V取0.2VVBB+RB482、输出特性IB=20µA随着uCE

的增大，集电结吸引电子的能力逐渐增大当uCE

增大到使集电结反偏，到达集电结边界的载流子全部漂移到集电区。IB=010µA30µA40µA50µAuCE

/VO24684321iC

/mA输出特性49iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321截止区：

IB0

IC=ICEO0条件：两个结反偏2.放大区：3.饱和区：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0条件：两个结正偏特点：IC

IB临界饱和时：uCE

=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(锗管)放大区截止区饱和区条件：发射结正偏集电结反偏特点：水平、等间隔ICEO2、输出特性503、温度对特性曲线的影响1.温度升高，输入特性曲线向左移。温度每升高1C，UBE

(22.5)mV。温度每升高10C，ICBO

约增大1倍。2.温度升高，输出特性曲线向上移。OT1T2>iCuCET1iB=0T2>iB=0iB=0温度每升高1C，

(0.51)%。输出特性曲线间距增大。O51四、晶体三极管的主要参数（一）电流放大系数1.共发射极电流放大系数iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0024684321—直流电流放大系数

—交流电流放大系数一般为几十几百2.共基极电流放大系数

1一般在

0.98以上。Q52（二）极间反向饱和电流ICBO—发射极开路时C、B极间反向饱和电流。ICEO—基极开路时C、E

极间反向饱和电流。ICEO=（1+）ICBOT

，ICBO

ICEO

53（三）极限参数1.ICM

—集电极最大允许电流，超过时

值明显降低。U(BR)CBO

—发射极开路时C、B极间反向击穿电压。2.PCM—集电极最大允许功率损耗PC=iC

uCE。3.U(BR)CEO

—基极开路时C、E极间反向击穿电压。U(BR)EBO

—集电极极开路时E、B极间反向击穿电压。U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO已知:ICM=20mA,PCM

=100mW，U(BR)CEO=20V，当UCE

=

10V时，IC<

mA当UCE

=

1V，则IC<

mA当IC

=

2mA，则UCE<

V

102020iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区54习题1

图中各管均为硅管，判断其工作状态.3V3.3V3.7V0V5V0.7V3V6V2V–1V–5V–1.7VNPNNPNNPNPNP饱和放大截止放大55习题2

放大电路中某三极管各脚对地电压分别为–8V、–3V、–3.2V，判断管脚名称、管型。–8V–3V–3.2VCEB锗管PNP56习题3

测得某三极管各极电流如图所示，判断管脚极性、管型。求。2mA1.96mA0.04mABEC=IC/IB=491mA0.01mA1.01mANPNBEC=IC/IB=100PNP57*BJT能起放大作用的内部条件通常是:（1）发射区掺杂浓度（高、低、一般）；（2）基区杂质浓度比发射区（高、低、相同）；（3）基区宽度（宽、窄、一般）；（4）集电结面积比发射结面积（大、小、相等）。

A（高）（一般）（窄）（大）B（低）（高）（宽）（小）C（低）（高）（一般）（相等）D（高）（低）（窄）（大）58*

当三极管发射结和集电结都正偏时工作于（）状态。

A放大B截止C饱和D无法确定*硅三极管放大电路中，静态时测得集—射极之间直流电压UCE=0.4V，则此时三极管工作于（）状态。

A放大B截止C饱和D无法确定

*测得三极管IB=20A时，IC=1.6mA;IB=30A时，

IC=2.43mA则该管的交流电流放大系数

为（）。

A80B81C83*用万用表判别放大电路中处于正常工作的BJT的类型(NPN还是PNP)与三个电极时，以测出（）最为方便。

A各极间电阻B各极对地电位C各极电流59*某三极管的ICM=20mA、PCM=100mW、UBR(CEO)=15V，则下列状态下三极管能正常工作的是（）。

AIC=30mA、UCE=2VBIC=10mA、UCE=6VCIC=3mA、UCE=15VDIC=18mA、UCE=6V60场效应管FET

(FieldEffectTransistor)类型：结型JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)绝缘栅型IGFET(InsulatedGateFET)，又因栅极为金属铝，故又称金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）特点：1.单极性器件(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)4.3.2场效应管611、增强型N沟道MOSFET

(MentalOxideSemi—FET)一、绝缘型（MOS）场效应管1.结构与符号P型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个N区在硅片表面生成一薄SiO2绝缘层SD用金属铝引出源极S和漏极DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极GB耗尽层S—源极SourceG—栅极Gate

D—漏极DrainSGDBMOSFET结构622.工作原理1)uGS

对导电沟道的影响

(uDS不加电压

)a.当UGS不加电压

，DS间为两个背对背的PN结，DS间无电流通过；b.当0<UGS<UGS(th)(开启电压)时，GB间的垂直电场排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层

；c.当uGS

UGS(th)

时，一方面耗尽层加宽，另一方面将衬底中的自由电子被吸引到耗尽层和绝缘层之间，形成一个N型薄层，构成导电沟道。反型层(沟道)632)

uDS对iD的影响(uGS>UGS(th))DS间的电位差使沟道呈楔形,uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。预夹断(uGD=

UGS(th))：漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：uDSiD预夹断发生之后：uDSiD不变uGD=uGS–

uDS>UGS(th)uGD=uGS–

uDS<UGS(th)uDS>uGS–

UGS(th)uDS<uGS–

UGS(th)643.转移特性曲线2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)当uGS>UGS(th)

时：uGS=2UGS(th)

时的

iD值4.输出特性曲线可变电阻区uDS<uGSUGS(th)uDSiD

,直到预夹断饱和(放大区)uDS，iD不变uDS加在耗尽层上，沟道电阻不变截止区uGS

UGS(th)全夹断iD=0

开启电压iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止区饱和区可变电阻区放大区恒流区0O652、耗尽型N沟道MOSFETSGDBSiO2绝缘层中掺入正离子在uGS=

0时已形成沟道；在

DS

间加正电压时形成

iD，uGS

UGS(off)

时，全夹断。输出特性uGS/ViD/mA转移特性IDSSUGS(off)夹断电压饱和漏极电流当uGS

UGS(off)时，uDS/ViD/mAuGS=4V2V0V2VOO663、P沟道MOSFET增强型耗尽型SGDBSGDB第2章半导体三极管67二、结型场效应管1.结构与符号N沟道JFETP沟道JFET第2章半导体三极管682.工作原理uGS

0,uDS

>0此时uGD=UGS(off)；

沟道楔型耗尽层刚相碰时称预夹断。预夹断当uDS

，预夹断点下移。3.转移特性和输出特性UGS(off)当UGS(off)

uGS0时,uGSiDIDSSuDSiDuGS=–3V–2V–1V0V–3VJFET工作原理OO且满足uDS>uGSUGS(0ff)69N沟道增强型SGDBiDP沟道增强型SGDBiD2–20uGS/ViD/mAUGS(th)OuDS/ViD/mA–2V–4V–6V–8VuGS=8V6V4V2VSGDBiDN沟道耗尽型iDSGDBP沟道耗尽型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–505OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN沟道结型SGDiDSGDiDP沟道结型uGS/ViD/mA5–50IDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5VFET符号、特性的比较70三、场效应管的主要参数开启电压UGS(th)(增强型)

夹断电压

UGS(off)(耗尽型)指uDS

=

某值，使漏极电流iD为某一小电流时的uGS值。UGS(th)U