第1章 半导体器件20111202

第一章半导体器件

国家级精品课程《模拟电子技术基础教程》编写组第一章半导体器件

1.1

半导体基础知识

1.2

半导体二极管

1.3半导体三极管

1.4

场效应晶体管

1.5光电子器件

1.6例题1.1半导体基础知识

1.1.1半导体的特性

半导体材料的导电性能介于导体与绝缘体之间。常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）以及化合物半导体

。

在硅或锗的晶体中，原子在空间排列成有规则的晶格。两个相邻的原子共有一对价电子，即共价键。半导体的结构

1.1.2本征半导体

不含杂质的纯净半导体称为本征半导体。

在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强，在热力学温度零度（即T=0K，）时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，晶体中不存在能够导电的载流子，半导体不能导电，如同绝缘体一样。本征半导体中的载流子如果温度升高，少数价电子将挣脱共价键束缚成为自由电子。在原来的共价键位置留下一个空位，称之为空穴。半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。两种载流子浓度相等，电子-空穴对的产生和复合达到动态平衡。两种载流子总是成对出现称为电子–空穴对1.1.3杂质半导体

在本征半导体中掺入某种微量的杂质元素，就成为杂质半导体。一.P型（或空穴型）半导体

在4价的硅或锗中掺入少量的3价杂质元素。当它与周围的硅原子组成共价键时，将产生了一个空穴。控制掺入杂质的浓度，便可控制空穴数量。在P型半导体中，空穴数量远大于自由电子的数量，称为多数载流子，自由电子为少数载流子。故称为P（空穴）型半导体

在产生空穴的同时，原来的本征晶体中由于本征激发仍会产生少量的自由电子－空穴对。二.N型（或电子型）半导体

在4价的硅或锗中掺入少量的5价杂质元素。杂质原子的最外层有5个价电子，它与周围4个硅原子组成共价键时将多余一个电子，这个电子即可成为自由电子。

在这种杂质半导体中，电子的浓度远远大于空穴的浓度，在这种半导体中以电子导电为主，因而电子为多数载流子，空穴为少数载流子。故称为N（电子）型半导体

杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构;多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度；掺入不同性质的杂质，可组成P型半导体或N型半导体。杂质半导体特点：1.1.4PN结的形成

如果将一块半导体的一侧掺杂成为P型半导体而另一侧掺杂成N型半导体，则在两者的交界处将形成个PN结。1.由于两侧电子和空穴的浓度差，所以多数载流子要向对方扩散称扩散运动PN结形成过程：2，形成由不能移动的正负离子组成的空间电荷区和内电场3.內电场上两侧的少数载流子要向对方运动称漂移运动4，当扩散运动与漂移运动相等时，则空间电荷区的宽度也不再加大，PN结形成。1.1.5PN结的单向导电性PN结在施加外加电压时，具有单向导电性。一．外加正向电压外加电场与PN结内电场方向相反。在这个外加电场作用下，PN结的耗尽区厚度变薄，扩散运动将大于漂移运动，形成正向电流PN结处于正向导通状态，正向等效电阻较小。二．外加反向电压外加电场与PN结内电场方向相同。在这个外加电场作用下，PN结的耗尽区厚度变宽，扩散运动几乎停止，漂移运动形成反向电流PN结处于反向截止状态，反向等效电阻较大。1.1.6PN结的电容特性

PN结的耗尽层内的空间电荷量与耗尽层外载流子数量在外加电压变化时将发生变化，这种电荷量随外加电压变化的现象，称为PN结的电容效应。

当外加电压有一定的增量则相应的空穴（或电子）扩散运动在PN结两侧产生一定的电荷增量ΔQ，二者之比为扩散电容：一，扩散电容势垒电容是由PN结空间电荷区中的电荷量变化形成。

当PN结反向偏置电压减小时，空间电荷区的电荷量减少；反之，电荷量增加。这种电压变化使PN结空间电荷区中电量发生变化的现象，即势垒电容效应。二，势垒电容PN结的结电容是扩散电容和势垒电容之和，即当PN结正向偏置时以扩散电容为主；反向偏置时，以势垒电容为主。结电容的容抗随工作频率提高而降低时，在高频运用时，对PN结单向导电特性的影响很大。1.2半导体二极管1.2.1二极管的结构半导体二极管是以PN结为核心，在PN结的两端各引出一个电极，并加管壳封装而成。P型半导体一端引出的电极为阳极（或称正极），PN结的N型半导体一端引出的电极为阴极（或称负极）阳极阴极二极管结构可分为点接触型和平面型两类：点接触型二极管，PN结面积很小，结电容很小，适用于高频电路和数字电路。平面型二极管PN结面积大，可承受较大的电流，适用于整流。

1.2.2

二极管的特性曲线半导体二极管两端电压与流过的电流之间的关系称为伏安特性硅二极管为0.5V左右锗二极管为0.1V左右死区电压：一正向特性当正向电压超过死区电压后，二极管电流与电压关系近似指数关系：硅二极管为0.7V左右锗二极管为0.2V左右导通压降：，其中：为反向饱和电流为温度的电压当量

二极管的动态电阻：二.反向特性当二极管反向偏置时,反向电流很小

。当反向偏置电压超过某一定数值以后，反向电压的增加将使反向电流急剧增大，由此二极管就发生反向击穿。结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。1.2.3二极管的主要参数最大整流电流

IF指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。IF的数值是由二极管允许的温升所限定。

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此值。为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR

。室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值愈小愈好。IR受温度的影响很大。

最高工作频率

fM该值主要决定于结结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。反向电流

IR1.2.4

二极管的电路模型一．理想模型在正向偏置时，其管压降为0V，而当二极管处于反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。二．恒压降模型二极管导通后其管压降近似为恒定值，典型值为0.7V（硅管）、0.2V（锗管）。不考虑二极管的正向导通电阻。

三．折线模型除考虑二极管的导通压降外，还考虑了二极管的动态导通电阻四.小信号模型该模型主要用于二极管处于正向偏置的交流分析中。

微变等效电阻：1.2.5特殊二极管一.稳压二极管稳压二极管反向电压加到某一定值时，反向电流急增，产生反向击穿，起稳压作用。+-阴极阳极1.稳定电压UZ，稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。2.稳定电流Iz

，稳压管正常工作时的参考电流。3.动态内阻rz

，稳压管两端电压和电流的变化量之比。

rz=ΔU/ΔI4.电压的温度系数αU，稳压管电流不变时，环境温度对稳定电压的影响。5.额定功耗Pz

，电流流过稳压管时消耗的功率。主要参数：使用稳压管组成稳压电路时的要点：稳压管必须工作在反向击穿区，稳压管应与负载RL并联，必须限制流过稳管的电流IZ二．变容二极管变容二极管结电容的大小与外加电压有关。可以通过控制直流电压来改变二极管的结电容的容量三．肖特基二极管肖特基二极管有两个重要特点：1.电容效应很小，工作速度高，适用于高频电路和开关电路。2.正向导通电压较小（约0.2V），反向击穿电压较低，一般不超过60V。1.3半导体三极管双极型三极管是组成放大电路的核心元器件1.3.1三极管的结构三个区发射区：杂质浓度很高集电区：无特别要求两个PN结发射结集电结三个电极发射极

e基极

b集电极

c类型：NPN型PNP型结构：基区：杂质浓度低且很薄1.3.2三极管的工作原理一.三极管内部载流子的传输过程(1)发射区向基区发射载流子，形成发射极电流(2)载流子在基区扩散与复合，形成基极电流(3)集电区收集载流子，形成集电极电流二．电流分配关系

基极直流电流传输系数β≈ICIBβ=αα1-共射直流电流放大系数≈ICIEα集电极与发射极之间的反向饱和电流ICEO=（1+β）ICBOIE=IC+IBIC

≈βIBIE=（1+β）IB

小结：1.3.3三极管的特性曲线一.输入特性输出电压为常数，输入电流与输入电压之间的关系当uCE大于某一数值后，各条输入特性十分密集，通常用uCE

>1

时的一条输入特性来代表。二．输出特性

当输入电流为某一数值，集电极电流与电压间的关系截止区：iB

≤0的区域，iC

≈0，发射结和集电结都反偏。2.

放大区：发射结正偏集电结反偏ΔiC

=βΔiB

3.

饱和区：发射结和集电结都正偏，uCE较小，iC

基本不随iB

而变化。当uCE=uBE

时，为临界饱和；当uCE<uBE

时,为过饱和。1.3.4三极管的主要参数共基直流电流放大系数α

共基电流放大系数αβ共射直流电流放大系数一.电流放大系数

共射电流放大系数β二.反向饱和电流

集电极和基极之间的反向饱和电流ICBO集电极和发射极之间的穿透电流

ICEOICEO=（1+）ICBOβ两者满足三.极限参数

集电极最大允许电流

ICM集射反向击穿电压U(BR)CEO集基反向击穿电压U(BR)CBO

集电极最大允许耗散功率

PCM四.三极管的安全工作区

1.3.5三极管的电路模型当三极管工作于小信号时可以用一个线性的二端口网络来等效非线性的三极管输入回路和输出回路的电流、电压有以下关系

式中

用H参数表示：为三极管的共射极输入电阻正向电流放大系数电压反馈系数三极管共射极输出电导三极管的H参数微变等效电路

图中：，。为静态发射极电流（单位：mA）

称为三极管的基区体电阻，一般取为温度的电压当量，在室温下有1.4场效应晶体管场效应晶体管FET只有多数载流子参与导电场效应晶体管FET是电压控制电流元件分类：结型场效应管绝缘栅场效应管增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道N沟道P沟道P沟道1.4.1结型场效应管一.结构三个电极：栅极G源极S漏极D两个耗尽层一个N型沟道二.工作原理

1.当时，变化对导电沟道的影响(a)当时，导电沟道比较宽(b)当时，导电沟道变窄(c)当时，导电沟道夹断2.当不变时，变化对导电沟道及的影响(a)当时，(b)随着的升高，将逐渐增大

(c)如果的值过高，会使PN结反向偏置电压过高而被击穿3.当不变时，变化对导电沟道及的影响(a)当=０时,导电沟道比较宽，比较大。(b)当＜０时，导电沟道变窄，将减小(c)当时，导电沟道完全被夹断，为零。三．输出特性与转移特性l.输出特性可变电阻区：iD

与uDS

基本上线性关系，但不同的uGS

其斜率不同。恒流区：又称饱和区，iD

几乎与uDS

无关，iD

的值受uGS

控制。击穿区：反向偏置的PN结被击穿，

iD

电流突然增大。

2.转移特性结型场效应管的转移特性近似公式为饱和漏极电流为夹断电压1.4.2绝缘栅场效应管一.N沟道增强型MOS场效应管1.结构P衬底杂质浓度较低，引出电极用B表示。N+两个区杂质浓度很高，分别引出源极和漏极。栅极与其它电极是绝缘的，通常衬底与源极在管子内部连接。

2.工作原理当＝０时，漏源之间相当于两个背靠背的PN结。无论漏源之间加上何种极性的电压总有＝０(1)当后，随着的升高，导电沟道变宽，漏源之间等效电阻减小。因＝０，此时＝０(2)

，当,并在漏极和源极之间加上,此时由于漏源之间存在导电沟道，所以将有电流(3)(4)当进一步增大时，也随之增大。当增大到使时，靠近漏极处的沟道出现预夹断情况,漏极电流不再增加。

3.特性曲线可以分为三个区域：可变电阻区恒流区截止区(1)输出特性预夹断轨迹(2)转移特性

可近似用以下公式表示为当时的当时

二.

N沟道耗尽型MOS场效应管预先在二氧化硅中掺入大量的正离子，使uGS=0时，产生N型导电沟道。当uGS

<0时，沟道变窄，达到某一负值时被夹断，iD

≈0，称为夹断电压即uGS(off)。uGS

>0时，沟道变宽，iD

增大。1.结构及特点：2.输出特性和转移特性

转移特性可近似用以下公式表示为

称为饱和漏极电流。1.4.3场效应管的主要参数一.直流参数⑴.饱和漏极电流IDSS是耗尽型场效应管的一个重要参数。它的定义是当栅源之间的电压uGS等于零，而漏源之间的电压uDS大于夹断电压时对应的漏极电流。⑵.夹断电压UGS(off)是耗尽型场效应管的一个重要参数。其定义是当uDS一定时，使iD减小到某一个微小电流时所需的uGS值。下页上页首页⑶.开启电压UGS(th)UGS(th)是增强型场效应管的一个重要参数。其定义是当uDS一定时，使漏极电流达到某一数值时所需加的uGS值。⑷.直流输入电阻RGS栅源之间所加电压与产生的栅极电流之比。结型场效应管的RGS一般在107Ω以上，绝缘栅场效应管的RGS更高，一般大于109Ω。二.交流参数⑴.低频跨导gm用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用。⑵.极间电容

场效应管三个电极之间的等效电容，包括CGS

、CGD和CDS

。极间电容愈小，管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。3.极限参数⑴.漏极最大允许耗散功率PDM漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积，即PD=iD

uDS。⑵.漏源击穿电压U（BR）DS在场效应管的漏极特性曲线上，当漏极电流iD急剧上升产生雪崩击穿时的uDS

。⑶.栅源击穿电压U（BR）GS1.4.4场效应管的小信号模型低频微变等效电路高频小信号模型1.4.5场效应管与晶体三极管的比较①场效应管FET是电压控制型器件，其输入电阻很高。双极型三极管是电流控制型器件，其输入电阻较低。②FET的S、G、D电极功能分别与双极型三极管E、B、C电极功能相对应。③FET仅有多数载流子导电，而双极型三极管既有多数载流子，又有少数载流子④FET的噪声系数比双极型三极管小，尤其是

JFET，噪声系数极低。⑤FET不仅可以像双极型三极管一样用作放大或可控开关，而且当工作于可变电阻区时还可作为压控电阻。⑥FET可以在低电压和小电流下工作，易用于制作低功耗大规模集成电路。1.5光电子器件一.发光二极管发光二极管（LED）是具有一个PN结的半导体器件，通常由砷化镓、磷化镓等化合物半导体材料制成结构示意图：发光二极管的伏安特性及图形符号：

当给发光二极管外加正向电压时，一般为1.2～2.2V。工作电流一般为几毫安至十几毫安，发光二极管将发光，电流太大会烧坏二极管，所以电路中必须串接限流电阻。二.激光二极管半导体激光二极管是应用广泛的一种激光器，其发光原理与发光二极管的原理类似。半导体激光器的特点：（1）波长范围较宽，价格低，应用广泛；（2）效率高、体积小，使用非常方便；（3）可通过光电转换的方式提高激光功率。三．光敏二极管这种器件的PN结工作在反向偏置，其反向电流随光照强度的增加而上升，并与光照度成正比，从而实现光电转换四.光敏三极管

结构：具有两个PN结，类似于PNP型或NPN型三极管。光敏三极管一般仅有两个引脚：集电极C和发射极E。

光敏三极管的特性与普通晶体管相似，只是用参变量入射光照度E代替了基极电流光敏三极管的主要用途有：（1）用于光电耦合器；（2）用于VCD、DVD、电脑光驱等的激光检测；（3）用于可见光、红外光的光检测与光监测；（4）用于光强度自动控制；（5）用于红外遥控接收；（6）用于红外、激光光纤传输系统的光信号接收放大。光敏三极管符号：五.光电耦合器件半导体光电耦合器是半导体光敏器件和发光二极管组成的一种器件。工作时，把电信号加到输入端，使发光器件发光，光电耦合器中的光敏器件在此光辐射的作用下输出光电流，从而实现电-光-电两次转换，通过光实现了输入端和输出端之间的信号耦合。主要功能是用光来实现电信号的传递。1.6例题例1.6.1二极管电路如图。已知直流电源电压为6V，二极管直流管压降为0.7V，二极管的封装引线体电阻为10Ω。要求：

(1)试求流过二极管的直流电流；

(2)试求二极管的直流电阻和交流电阻解：（1）流过二极管的直流电流

（2）返回

,例1.6.2稳压二极管应用电路如图，要求：(1)设,其波动范围为±10％，稳压管的稳定电压

,稳定电流,负载电阻

。计算限流电阻