常用半导体器件1

第二章常用半导体器件一半导体基本知识二二极管三三极管四场效应管1半导体的晶体结构硅和锗的晶体结构单晶：纯净、没有杂质，排列有序。一半导体基本知识导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。2

本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴——共价键中的空位。自由电子——挣脱共价键束缚而产生的电子。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。本征激发――由热激发而产生自由电子和空穴的现象。3

杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。

（1）N型半导体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。

（2）P型半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。

掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:

T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.4×1010/cm31以上两个浓度基本上相差106/cm3

。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3（3）杂质对半导体导电性的影响

（1）PN结的形成4PN结的基本原理

在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差

多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。P区N区内电场的方向←对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。不对称结P区、N区掺杂浓度相等，交界面两边电荷区的宽度相等。P区、N区掺杂浓度不相等，交界面两边电荷区的宽度也就不相等。实际使用的PN结，较多为两边掺杂浓度相差悬殊的，故空间电荷区主要伸向轻掺杂区一边。

（2）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。

①PN结加正向电压时PN结加正向电压时的导电情况低电阻大的正向扩散电流PN结的伏安特性内电场减弱，扩散电流增强。

②PN结加反向电压时PN结加反向电压时的导电情况高电阻很小的反向漂移电流外电场方向与内电场一致，耗尽层加宽，阻止扩散运动。只存在少数载流子运动。

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。

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。

③PN结伏安

特性表达式其中PN结的伏安特性IS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）

（3）

PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿——不可逆

雪崩击穿

齐纳击穿

电击穿——可逆

（4）

PN结的电容效应

a势垒电容CBb扩散电容CD即结电容。由耗尽层引起，耗尽层正负离子，相当于存储的电荷。外加电压改变时，耗尽层的电荷量随之改变，与电容的作用相似。变容二极管的原理。由载流子扩散过程中的积累引起，与扩散电流的大小成比例。二半导体二极管1

半导体二极管的结构2

二极管的伏安特性3

二极管的参数4

稳压二极管1半导体二极管的结构

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，用于检波和变频等高频电路。(3)平面型二极管往往用于集成电路制造艺中。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，用于工频大电流整流电路。(4)二极管的代表符号2二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管2CP10的V-I特性锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性3

二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3)反向电流IR(4)正向压降VF(6)极间电容CB(5)二极管的正向电阻4

稳压二极管（1）

符号及稳压特性(a)符号(b)伏安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。(a)稳定电压VZ(b)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=

VZ/

IZ(c)最大耗散功率

PZM(d)最大稳定工作电流

IZmax

和最小稳定工作电流

IZmin（2）

稳压二极管主要参数3.稳压电路正常稳压时VO=VZ#

稳压条件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以吗？1

三极管的结构与符号三半导体三极管2

三极管的工作原理3

三极管的特性曲线4

三极管的主要参数半导体三极管的结构示意图如下图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管发射结(Je)

集电结(Jc)

基极，用B或b表示（Base）

发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。

发射区集电区基区三极管符号1

三极管的结构与符号

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（1）

内部载流子的传输过程

三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子

（以NPN为例）

载流子的传输过程2

三极管的工作原理载流子的传输过程①发射区向基区发射电子，形成发射极电流IE;②电子在基区扩散和复合，电源EB拉走电子，提供空穴，形成基极电流IB;③电子被集电区收集，形成集电极电流IC。电子从发射区出发，大部分越过基区，到达集电区。实际上还存在少数载流子空穴的运动，即存在ICB0

IC=InC+ICBOIB=IB’-ICBO由于ICBO、ICEO均较小，常被忽略。IE=IC+IB以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。

（2）

电流分配关系根据传输过程可知IE=IB+IC设三极管的电流放大系数由于ICBO、ICEO均较小，常被忽略。从这些关系式中，可以看出：IB改变,可以改变IC，即IB控制了IC。三极管使用过程中，经常改变IB，来控制IC的大小。由于IB由EB决定，EB称为控制电压。EB加在be结上，控制IB、IC的，所以be结又称为三极管的控制结。三极管的电流关系，我们只须记住上述三个关系。当然还存在少数载流子空穴形成的电流成分ICBO和ICEO且ICEO=(1+β)ICBO（3）

三极管的三种组态共集电极接法，集电极作为公共电极。共基极接法，基极作为公共电极；共发射极接法，发射极作为公共电极；BJT的三种组态+-bceRL1k

共射极放大电路

共射极放大电路VBBVCCVBEIBIEIC+-

vI+vBE

vO+-+iC+iE+iB

vI

=20mV

设若则电压放大倍数

iB

=20uA

vO=-iC•

RL=-0.98V，

=49使（4）

放大作用综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。输入特性曲线的三个部分①死区

②非线性区③线性区

（1）

输入特性曲线（以共射极放大电路为例）

iB=f(vBE)

vCE=const3

三极管的特性曲线+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE＜0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。iC=f(vCE)

iB=const（2）输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压。放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。（1）

电流放大系数

4

三极管的主要参数(a)共发射极交流电流放大系数

=

IC/

IB

vCE=const

(b)共基极交流电流放大系数α

α=

IC/

IE

VCB=const当ICBO和ICEO很小时，直流放大系数和交流放大系数，可以不加区分。

(b)集电极发射极间的反向饱和电流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

（2）

极间反向电流ICEO

(a)集电极基极间反向饱和电流ICBO

发射极开路时，集电结的反向饱和电流。

即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。(a)集电极最大允许电流ICM(b)集电极最大允许功率损耗PCM

PCM=ICVCE

（3）

极限参数(c)反向击穿电压

V(BR)CBO——发射极开路时的集电结反 向击穿电压。

V(BR)EBO——集电极开路时发射结的反 向击穿电压。

V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系

V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO

（3）

极限参数N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)分类：利用电场效应来控制电流的半导体器件。特点：控制端基本上不需要电流，受温度等外界条件影响小，便于集成。四

场效应管

源极，用S或s表示N型导电沟道漏极，用D或d表示

P型区P型区栅极，用G或g表示栅极，用G或g表示符号符号（a）

结构#

符号中的箭头方向表示什么？（1）

JFET的结构和工作原理1、结型场效应管（b）工作原理①UGS对沟道的控制作用当UGS＜0时，UDS=0（以N沟道JFET为例）当沟道夹断时，对应的栅源电压UGS称为夹断电压VP

（或VGS(off)）。对于N沟道的JFET，VP<0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄。

UGS继续减小，沟道继续变窄②UDS对沟道的控制作用当UGS=0时，UDS

ID

G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当UDS增加到使UGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时UDS

夹断区延长

沟道电阻

ID基本不变（b）工作原理（以N沟道JFET为例）（以N沟道JFET为例）③

UGS和UDS同时作用时导电沟道更容易夹断，当VP<UGS<0时，对于同样的UDS，

ID的值比UGS=0时的值要小。在预夹断处UGD=UGS-UDS=VPID和UDS的关系画成曲线如右图。（b）工作原理综上分析可知沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，

所以场效应管也称为单极型三极管。JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。#

为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？

JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因

此iG0，输入电阻很高。#

JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？（2）

JFET的特性曲线及参数（b）

转移特性VP（a）

输出特性①夹断电压VP(或VGS(off))：②饱和漏极电流IDSS：

③

低频跨导gm：或（3）

主要参数漏极电流约为零时的VGS值。VGS=0时对应的漏极电流。低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。④输出电阻rd：⑤直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω。⑧最大漏极功耗PDM⑥

最大漏源电压V(BR)DS⑦最大栅源电压V(BR)GS2、绝缘栅型场效应管利用半导体表面的电场效应，有感应电荷的多少改变导电沟道来控制电流。（1）结构与符号N沟道为例衬底：杂质浓度较低的P型硅片源极S：高掺杂浓度的N型区域绝缘层：电极栅极G:金属铝漏极D：高掺杂浓度的N型区域N沟道又分为增强型、耗尽型两种类型：增强型:时，漏源之间没有导电沟道；耗尽型：时，漏源之间存在导电沟道；绝缘层中掺入大量正离子。（2）工作原理以N沟道增强型MOS管为例因此，有4种类型的场效应管，其符号分别为：N沟道增强型N沟道耗尽型P沟道增强型P沟道耗尽型UDS=0，UGS变化①UGS=0，漏源之间为两个背向的PN结，不存在导电沟道。②UGS逐渐增大，栅极充电聚集正电荷，P区靠近绝缘层的空穴被排斥向体内运动，表面上留下带负电的受主离子，形成耗尽层。随着电压增加，耗尽层加宽。③UGS

超过某值（UGS(th)），衬底中的电子被吸引到表面，在耗尽层和绝缘层之间形成一个N型薄层，称为反型层。反型层构成了漏源之间的导电沟道。反型层随着UGS增加，反型层加宽。我们可以用UGS的大小来控制导电沟道的宽度。UGS>UGS(th)

，UDS变化①导电沟道形成后，D、S之间加正向电压。UGS≠UGD，沟道从源极到漏极逐渐变窄。

②UDS=UGS(th)，即UDS=UGS-UGS(th)，沟道在漏极处出现预夹断。预夹断点③.继续加大UDS，夹断区向源极方向加长，沟道电流基本上保持与夹断时的数值。如果改变不同的UGS，就可得到一组ID～UDS的曲线。就是它的输出特性曲线。（3）

特性曲线和电流方程下图是N沟道增强型MOS管的漏极特性和转移特性曲线。与的近似关系为：恒流区，即三极管的放大区。模拟电路放大就在该区域。可变电阻区，相当于三极管的饱和区。夹断区，相当于三极管的截止区。数字电路，工作在可变电阻区和夹断区之间。（4）

N沟道耗尽型和P沟道MOS管在SiO2绝