秦下第14章 半导体及晶体管

第1章半导体二极管、三极管和场效应管1.2PN结1.3半导体二极管

1.4

稳压管1.5半导体三极管

1.6

绝缘栅场效应管第1章目录1.1半导体的导电特性在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。它是共价键结构。本征半导体的共价键结构硅原子价电子第1章1.11.1.1本征半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+41.1半导体的导电特性+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴本征激发复合在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对消失第1章1.1+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两种载流子。

空穴移动方向

电子移动方向

在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。价电子填补空穴第1章1.1+4+4+4+4+4+4+4+41.1.2P半导体和N型半导体1.N型半导体在硅或锗的晶体中

掺入少量的五价元素,如磷,则形成N型半导体。磷失去一个电子形成正离子。

磷原子+4+5多余价电子自由电子正离子第1章1.1

N型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导中,（掺五价元素P）电子是多数载流子,

空穴是少数载流子。第1章1.1+4+4+4+4+4+4+4空穴2.P型半导体在硅或锗的晶体中

掺入少量的三价元素,如硼,则形成P型半导体。硼得到一个电子成为负离子

+4+4硼原子填补空位+3负离子第1章1.1

P型半导体结构示意图电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子第1章1.1在P型半导中,（掺三价元素B）空穴是多数载流子,

电子是少数载流子。P区N区1.2.1PN结的形成用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P型半导体区域和

N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN结。N区的电子向P区扩散并与空穴复合P区的空穴向N区扩散并与电子复合空间电荷区内电场方向1.2PN结第1章1.2多子扩散少子漂移内电场方向空间电荷区P区N区在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。

第1章1.2内电场方向E外电场方向RI1.2.2PN结的单向导电性P区N区外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄

扩散运动增强，形成较大的正向电流1.外加正向电压第1章1.2P区N区内电场方向ER空间电荷区变宽外电场方向IR2.外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过PN结形成很小的反向电流多数载流子的扩散运动难于进行第1章1.21.2.3PN结电容PN结电容势垒电容扩散电容

1.势垒电容

PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容称为势垒电容，用Cb

来表示。势垒电容不是常数，与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压的大小有关。

载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压变化所形成的电容称为扩散电容，用Cd

来表示。PN正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可以忽略不计。2.扩散电容第1章1.2

正极引线触丝N型锗支架外壳负极引线点接触型二极管1.3.1二极管的结构和符号二极管的符号正极负极1.3半导体二极管

正极引线二氧化硅保护层P型区负极引线面接触型二极管N型硅PN结PN结第1章1.3600400200–0.1–0.200.40.8–50–100I/mAU/V正向特性反向击穿特性硅管的伏安特性1.3.2二极管的伏安特性反向特性死区电压I/mAU

/V0.40.8–40–80246–0.1–0.2锗管的伏安特性正向特性反向特性0第1章1.31.3.3二极管的主要参数1.最大整流电流IOM2.反向工作峰值电压URM3.反向峰值电流IRM例1：下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA

、DB为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。解：DA优先导通，则VY=3–0.3=2.7VDA导通后,DB因反偏而截止,起隔离作用,DA起钳位作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。DA

–12VYABDBR二极管的应用范围很广,它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。第1章1.3DE3VRuiuouRuD例2：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui

=6sintV,E=3V,试画出

uo波形。t

t

ui

/Vuo

/V63300

2

2

–6第1章1.3t

630

2

例3：双向限幅电路t03–3DE3VRDE3V第1章1.3uiuouRuD

ui

/Vuo

/V1.4稳压管IFUF0正向特性反向击穿区IminIZmaxDZ正极负极符号伏安特性

稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。稳压管工作在反向击穿区，该区电流在较大范围变动，稳压管两端的电压变化都很小，起到稳压和限幅的作用。第1章1.4UZ0稳压管的主要参数1.稳定电压UZ

2.最小稳定电流Imin

3.最大稳定电流IZmax4.动态电阻RZ

IZ

UZRZ=

IZ

UZ5.电压温度系数

VZT6.最大允许耗散功率PM第1章1.4IFUFIminIZmaxUZN型硅二氧化硅保护膜BECN+P型硅1.5.1半导体三极管的结构（a）平面型N型锗ECB铟球铟球PP+（b）合金型1.5半导体三极管第1章1.51.NPN型三极管集电区集电结基区发射结发射区NN集电极C基极B发射极E三极管的结构分类和符号PECB符号第1章1.5集电区集电结基区发射结发射区

CBEN集电极C发射极E基极BNPPN2.PNP型三极管第1章1.5无论是NPN还是PNP型，每种晶体管都有三个导电区域：发射区、集电区和基区。发射区的作用是发射载流子，掺杂的浓度较高；集电区的作用是收集载流子，掺杂的浓度较低，尺寸较大；基区位于中间，起控制载流子的作用，掺杂浓度很低，而且很薄。三极管工作状态，取决于两个PN结的偏置方式。三级管有两个PN结、三个电极，故需要两个外加电压，有一个极必然是公用的。按公用极的不同，晶体管电路可分为共发射极、共基极和共集电极三种接法。无论哪种接法，其工作原理是相同的。晶体管的工作状态有放大、饱和及截止三种，ECRCIC

UCECEBUBE共发射极接法放大电路1.5.2

三极管的电流控制及放大作用三极管具有电流控制作用的外部条件:（1）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。对于NPN型三极管应满足:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE对于PNP型三极管应满足:UEB>0UCB

<0即

VC

<VB

<

VE输出回路输入回路公共端第1章1.5EBRBIB发射区向基区扩散电子IEIB电子在基区扩散与复合集电区收集电子

电子流向电源正极形成ICICNPN电源负极向发射区补充电子形成

发射极电流IE

三极管的电流控制原理EB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IB第1章1.5VCCRCVBBRB由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。所以：IC>>IB同样有:

IC>>

IB所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。第1章1.5

a.晶体管的放大状态以NPN管为例，晶体管处于放大状态的条件是：发射结正向偏置，集电结反向偏置。

即：UBE

>0；UBC

<

0

即：

VC>

VB>

VE在上述工作条件下，晶体管内载流子的运动过程是：发射区发射载流子形成IE，其中少部分在基区被复合而形成IB，大部分被集电区收集而形成IC

。三者的关系是：IE＝IB＋IC

三者的大小取决于UBE的大小，UBE增加，发射区发射的载流子增多，三个电流都相应增加。晶体管处于放大状态的特征是：

b．晶体管的饱和状态晶体管处于饱和状态的条件是:发射结正向偏置，集电结也正向偏置。即：UBE

>0；UBE

>UCE;即UBC>0

即：

VB

>

VE；VB

>VC（1）IB的微小变化会引起IC的较大变化。（2）IC=βIB，Ic是由β（放大系数）和IB决定的。（3）0＜UcE＜Ucc，UcE＝Ucc一RcIc。（4）晶体管相当于通路。若增加UBE，则开始时，因工作在放大状态，IB增加，IC也增加。根据UcE＝Ucc一RcIc

，UcE减小。当UcE减小到接近为零时，Ic≈Ucc/Rc。Ic已达到了可能的最大数值，再增加IB，Ic已不可能再增加，这时的状态称为晶体管的饱和状态。这时集电结已正向偏置。这时Ucc远大于UCE

，可认为UCE≈0，相当于三极管短路。晶体管处于饱和状态的特征是：（1）IB增加时，Ic基本不变。

（2）Ic≈Ucc/Rc

Ic，Ic是由Ucc和Rc决定的。

（3）UCE≈0

（4）晶体管相当于短路。

c．截止状态晶体管处于截止状态的条件是:发射结反向偏置，集电结也反向偏置。即：UBE

<0；UBC

<

0

即：

VC>

VB;

VE>

VB由于两个PN结都是反向偏置，IB=0，Ic=0。故晶体管这时的工作状态称为截止状态。晶体管相当于开路。晶体管处于截止状态的特征是：（1）基极电流IB=0。

（2）集电极电流Ic=0。（3）UCC

＝UCE

（4）晶体管相当于开路。

晶体管处于三种状态的条件总结:1.5.3三极管的特性曲线1.三极管的输入特性IB

=f(UBE)UCE=常数IBUBE0死区电压UCE

≥

1V电子电路大体上可分为模拟电路和数字电路两类。在模拟电路中晶体管主要工作在放大状态，起放大作用；在数字电路中，晶体管交替工作于截止和饱和两种状态，起开关作用。

（1）这是UCE＞1V时的输入特性，这时晶体管处于放大状态。各极电流主要受UBC控制。（2）由于与二极管的伏安特性相似，也有一段死区，UBE超过死区电压后三极管才完全进入放大状态。IB

=40µAIB

=60µAUCE

0IC

IB增加IB

减小IB

=20µAIB=

常数IC

=f

(UCE)2.三极管的输出特性第1章1.5IC

/mAUCE

/V0放大区三极管输出特性上的三个工作区

IB=

0µA20µA40µA截止区饱和区60µA80µA第1章1.5当IB=常数时，Ic与UCE之间的关系曲线称为晶体管的输出特性。从图中可以看到：（1）对应于晶体管的三种工作状态，输出特性上也分为三个区。其中特性曲线之间间距比较均匀的平直区域为放大区。工作在这个区域内的晶体管处于放大状态。IB变化很小就能引起Ic变化很大。（2）IB=0时，的Ic就是穿透电流ICEO，IB=0的曲线以下的区域为截止区。温度增加时，ICEO增加，整个特性曲线向上平移。（3）特性曲线迅速上升和弯曲部分之间的区域为饱和区。这时UCE很小。1.5.4三极管的主要参数1.电流放大系数

(1)直流电流放大系数

(2)交流电流放大系数

=

IC

IB

2.穿透电流ICEO

3.集电极最大允许电流ICM

4.集--射反相击穿电压U(BR)CEO

5.集电极最大允许耗散功率PCM极限参数使用时不允许超过!第1章1.5

=

IC

IB60µA0

20µA1.52.3在输出特性上求

,

=IC

IB

=1.5mA40µA=37.5

=IC

IB

=2.3–1.5(mA)60–40(µA)=40设UCE=6V,IB由40µA加为60µA

。第1章1.5IC

/mAUCE

/VIB

=40µA60IB=

0µA20µA40µA60µA80µA由三极管的极限参数确定安全工作区安全工作区过损耗区PCM曲线最大第1章1.5IC

/mAUCE

/VICEO穿透电流ICMC极最大电流U(BR)CEO反向击穿电压SiO2结构示意图1.6.1N沟道增强型绝缘栅场效应管P型硅衬底源极S栅极G漏极D1.6绝缘栅场效应管衬底引线BN+N+DBSG符号1.结构和符号第1章1.6SiO2结构示意图P型硅衬底耗尽层衬底引线BN+N+源极S栅极G漏极DUDSID

=0D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，PN结中总有一个因反偏而处于截止状态，漏极电流均接近于零。2.工作原理(1)UGS=0第1章1.6P型中空穴是多数载流子P型硅衬底N++B源极SG漏极D。耗尽层ID=0(2)0<UGS

<UGS(th)由柵极指向衬底方向的电场使空穴向下移动,电子向上移动,在P型硅衬底的上表面形成耗尽层。仍然没有漏极电流。UGS(th)是使场效应管刚好能形成导电沟道的临界电压，也称开启电压。UGSN+N+第1章1.6UDSP型中空穴是多数载流子P型硅衬底N++BSGD。UDS耗尽层ID栅极下P型半导体表面形成N型导电沟道，称反型层。当D、S加上正向电压UDS后可产生漏极电流ID

。UGS越大，导电沟道越厚，沟道电阻越小，ID越大。(3)UGS>UGS(th)N型导电沟道N+N+第1章1.6UGSP型中空穴是多数载流子4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增强型

NMOS

管的特性曲线

0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS

/

V3.特性曲线UGs(th)输出特性转移特性UDS/V第1章1.6ID/mA结构示意图1.6.2N沟道耗尽型绝缘栅场效应管P型硅衬底源极S漏极D栅极G衬底引线B耗尽层1.结构特点和工作原理N+N+正离子N型沟道SiO2DBSG符号制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。第1章1.6432104812UGS

=1V–2V–3V输出特性转移特性耗尽型NMOS管的特性曲线

1230V–1012–1–2–3UGS/V2.特性曲线

ID

UGSUGs(off)UDS/VUDS=10V第1章1.6ID/mAID/mAN型硅衬底N++BSGD。耗尽层PMOS管结构示意图P沟道1.6.3P沟道绝缘栅场效应管（PMOS）PMOS管与NMOS管互为对偶关系，使用时UGS

、UDS的极性也与NMOS管相反。P+P+第1章1.6UGSUDSID1.P沟道增强型绝缘栅场效应管开启电压UGS(th)为负值，UGS<

UGS(th)

时导通。SGDB符号

ID/mAUGS

/V0UGS(th)

转移特性2.P沟道耗尽型绝缘栅场效应管DBSG符号

ID/mAUGS

/V0UGS(off)

转移特性夹断电压UGS(off)为正值，UGS

<

UGS(off)时导通。第1章1.6在UDS=0时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。1.6.4绝缘栅场效应管的主要参数1.开启电压UGS(th)

指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电压。它是增强型MOS管的参数，NMOS为正，PMOS为负。2.夹断电压UGS(off)

指在一定的UDS下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。是耗尽型MOS管的参数，NMOS管是负值，PMOS管是正值。3.直流输入电阻RGS（DC）4.低频跨导gm

UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为跨导,即第1章1.6另外，漏源极间的击穿电压U(BR)DS、栅源极间的击穿电压U(BR)GS以及漏极最大耗散功率PDM是管子的极限参数，使用时不可超过。gm=

ID

/UGS

UGS=常数跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。第1章1.6

1.7晶闸管（可控硅）晶闸管是晶体闸流管的简称，有时又称可控硅，它有普通型、双向型、可关断型等。”一、普通晶闸管

1．基本结构普通晶闸管是在一块半导体上制成三个PN结，再引出电极并封装加固而成。如图所示，从外层P区，外层N区和内层P区分别引出三个电极：阳极A