《电工与电子技术》课件 项目8 半导体器件

一、本征半导体二、杂质半导体8-1半导体的导电特性项目8常用半导体器件半导体—

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。一、本征半导体+4+4+4+4硅(锗)的共价键结构自由电子空穴空穴复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。本征激发：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。

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、光照等外界条件有关。1、N型半导体在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷。N型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+5+4+4+4+4+4正离子多数载流子少数载流子N型半导体的简化图示二、杂质半导体P型硼原子空穴空穴

—

多子电子

—

少子载流子数

空穴数2、P型半导体在硅或锗的晶体中掺入三价元素硼。+4+4+4+4+4+3P型半导体的简化图示多数载流子少数载流子负离子一、PN结的形成二、PN结的单向导电性

8-2PN结1、载流子的浓度差引起多子的扩散扩散运动：漂移运动：由浓度差引起的载流子运动。载流子在电场力作用下引起的运动。一、PN结的形成内电场扩散2、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。3、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。1、加正向电压(正向偏置)导通P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。I限流电阻扩散运动加强形成正向电流I

。I

=I多子

I少子

I多子2、加反向电压(反向偏置)截止P

区N

区

+UR内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IPN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II

=I少子

0二、PN结的单向导电性一、基本结构、分类二、伏安特性

8-3半导体二极管

三、主要参数四、应用电路举例五、特殊二级管构成：PN结+引线+管壳=二极管（Diode）按材料分类硅二极管锗二极管按结构分类点接触型面接触型一、基本结构、分类符号：按用途分类整流二极管检波二极管稳压二极管光电二极管开关二极管等各种二极管的实物照片二、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)U

UthiD急剧上升0

U

Uth

反向特性U(BR)反向击穿U（BR)

U

0IRm<0.1

A(硅)

几十

A

(锗)U<

U（BR）反向电流急剧增大(反向击穿)击穿电压三、主要参数1.

IOM—

最大整流电流（最大正向平均电流）3.

IRM—

最大反向电流（二极管加最大反向工作电压时的电流，越小单向导电性越好）。2.

URM—

最高反向工作电压一般规定为反向击穿电压。四、应用电路举例二极管的用途：整流、检波、钳位、限幅、开关、元件保护等。1.

整流2.钳位若二极管D正向导通，二极管正向压降很小被钳制在0V左右。3.元件保护二极管D提供自感电动势的放电回路。例

ui=2sin

t(V),分析二极管的限幅作用。（二极管正向工作电压0.7V）D1D2uiuOR

0.7V<

ui<0.7VD1、D2均截止uO=uiuO=0.7Vui

0.7VD2导通D１截止ui<

0.76VD1导通D2截止uO=

0.7VOtuO/V0.7Otui

/V2

0.7解：4.限幅

稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。符号工作条件：反向击穿

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。使用时要加限流电阻五、特殊二级管I/mAUZ/VOUZIZIZM+

正向

+反向

UZ

IZ伏安特性1.稳压二极管2.光电二极管（光敏二极管）符号反向电流随光照强度的增加而上升。光电二极管电路3.发光二极管（LED）符号工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(1

2)V发光类型：可见光：红、黄、绿不可见光：红外光一、基本结构二、电流放大原理

8-4晶体管

三、特性曲线四、主要参数晶体管（三极管）是最重要的一种半导体器件。部分三极管的外型一、基本结构三层半导体材料构成NPN型、PNP型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NPN型ECBPPNEBCECBPNP型按材料分：硅管、锗管按结构分：

NPN、PNP各区主要作用及结构特点：发射区：作用：发射载流子

特点：掺杂浓度高基区：作用：传输载流子特点：薄、掺杂浓度低集电区：作用：接收载流子

特点：面积大(一)、晶体管放大的条件1.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2.外部条件发射结正偏集电结反偏(二)、晶体管的电流分配和放大作用实验电路mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6

A电路条件:

EC>EB

发射结正偏

集电结反偏二、电流放大原理mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6

A1.测量结果IB/mA00.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.501.001.602.202.90IE/mA0.0010.511.021.632.242.95IC/IB5050535558

IC/

IB50606070(1)符合KCL定律(2)

IC和IE比IB大得多(3)

IB

很小的变化可以引起

IC很大的变化。

即：微小的基极电流可以控制较大的集电极电流，这就是晶体管的放大作用。故晶体管是电流控制元件。2.晶体管内部载流子的运动规律(1)发射区向基发射电子，形成发射极电流

IE。ICE多数向BC结方向扩散形成ICE。IE少数与空穴复合，形成IBE。IBE基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBE

IB+ICBO即：IB=IBE

–

ICBO(3)集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流ICICIC=ICE+ICBO(2)电子到达基区后(基区空穴运动因浓度低而忽略)1.输入特性输入回路输出回路与二极管特性相似RCECiBIERB+uBE

+uCE

EBCEBiC+

+

+

iBRB+uBE

EB+

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UBESi管:(0.6

0.7)VGe管:(0.2

0.3)V取0.7V取0.2VEB+

RB三、特性曲线2.输出特性1.调整RB使基极电流为某一数值。

2.基极电流不变，调整EC测量集电极电流和uCE

电压。输出特性曲线50µA40µA30µA10µAIB=020µAuCE

/VO2468

4321iC

/mAmAICECIBRBEBCEB3DG6

ARCV+uCE

iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321（1）截止区：

IB=0

IC=ICEO

0条件：两个结均反偏（2）放大区：（3）饱和区：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0条件：两个结均正偏特点：临界饱和时：uCE

=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)UCES为：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：近似水平、等间隔。ICEO输出特性曲线1、共发射极电流放大系数iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0024684321Q（1）直流电流放大系数（2）交流电流放大系数

四、主要参数2、极间反向电流（1）集电极-基极间反向饱和电流ICBO小功率的硅管一般在0.1μA以下；锗管在几μA至十几μA。（2）集电极-发射极间反向电流（穿透电流）ICEO测量ICBO电路ICEO=(1+β)ICBO该参数值越小越好。3、极限参数（1）集电极最大允许电流ICM

集电极电流IC上升会导致三极管的

值的下降，当

值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。（2）集电极-发射极反向击穿电压U(BR)CEO基极开路时C、E间允许加的最高反向电压。（3）集电极最大允许耗散功耗PCMPCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。

PC

PCM=ICUCEiCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区

由ICM,U(BR)CEO,PCM

三者共同确定晶体管的安全工作区。一、基本结构二、工作原理*8-5场效晶体管

三、主要参数特点：场效应管具有高输入阻抗、低噪声、良好的热稳定性、较强的抗辐射能力、耗电少等优点。

场效应管（FieldEffectTransistor简称FET）是利用输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型器件。工作时，只有一种载流子参与导电，称为单极型晶体管。分类：绝缘栅场效应管结型场效应管增强型耗尽型P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道绝缘栅场效应管性能更优越，应用广泛。一、基本结构P型硅衬底N+N+SiO2绝缘区以较低杂质浓度P型薄硅片为衬底在相距较近处扩散两各高掺杂浓度的N+区在其表面生成极薄的SiO2绝缘层在N+上方SiO2绝缘层处开窗口沉淀金属电极在SiO2绝缘层表面沉淀金属电极引出三个金属电极源极栅极漏极源极S栅级G漏级DB衬底引线(a)NMOS管N型硅衬底P+P+SiO2绝缘区源极S栅级G漏级DB衬底引线(b)PMOS管场效应管的图形符号二、工作原理1.增强型MOS管

在栅-源之间加上正向直流电压UGS>0，栅极经绝缘层至衬底之间形成电场。吸引衬底、源极、漏极中的大量电子到二氧化硅绝缘层下面，形成一个N型导电沟道。图8-27导电沟道的形成图8-28E型NMOS管导通状态

使MOS管开始形成导电沟道的电压称为开启电压UGS(th)。在漏-源之间加正向直流电压UDS，就会产生漏极电流。

如果栅源电压变化，会使漏源之间的电流变化。由于SiO2绝缘层极薄，所以在栅极和衬底之间只要加很小的电压就会使沟道有很大的变化。也就是能使漏源之间的电流有很大的变化。

所以就实现了用小的栅源电压，控制大的漏源电流的目的。也就实现了放大作用。2.耗尽型MOS管

结构与N沟道增强型MOS管基本相同，只是在二氧化硅绝缘薄层中渗入大量带正电荷的杂质。即使UGS=0，也能形成自建的N型导电沟道。

加入正向UGS导电沟道变厚；加入反向UGS导电沟道变薄。在相同的UDS作用下，漏极电流也随之改变。

当栅源之间负电压达某一值时，导电沟道消失，漏源之间电流为零，这个电压称为耗尽型MOS管的夹断电压。三、主要参数1.开启电压UGS(th)与夹断电压UGS(off)

一般N沟道MOS管的UGS(th)值为3~6V，性能较好的2~3V。2.跨导表示栅源电压对漏极电流的控制能力。gm的单位是西（S）3.漏源击穿电压UDS(BR)指漏源间的反向击穿电压。4.最大允许漏极电流IDM,指在给定散热条件下，最大允许电