第6章 半导体器件

电工电子技术基础(郑航电工电子类课程)第6章半导体器件

教学目标第6章半导体器件1.理解半导体基本知识，掌握PN结单向导电性。2.掌握二极管结构、特性、参数、分析模型及应用。3.掌握晶体管结构和原理，掌握特性曲线及主要参数。4.掌握发光二极管、光电二极管、光电晶体管和光电耦合等半导体器件特性及应用。5.了解半导体器件主要应用。电工电子技术基础郑航电工电子类课程组本章目录第一节半导体基础知识第二节PN结第四节特殊二极管第六节场效应晶体管第三节二极管第五节晶体管电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件电工电子技术基础郑航电工电子类课程组下一页上一页章目录敏而好学，不耻下问。——孔子思政引例第6章半导体器件

思政引例电工电子技术基础郑航电工电子类课程组下一页上一页章目录

人们经常使用充电器给手机电池充电，在收音机、电视机和计算机等电器上都有能发出红、绿等光线的指示灯。计算机的内存具有记忆功能，只要不掉电，它就能记住信息而经久不忘。海湾战争以来高技术局部战争表明，现代战争形态正由机械化战争向信息化战争转变。目前，各国军队武器装备趋向智能化，如攻击兵器具有远程打击、精确制导和隐蔽突防等能力，作战平台具有信息智能传感检测、目标探测及制导、信息攻击能力。从半导体掺杂特性，到载流子在内外电场作用下运动，再到PN结形成过程和导电特性，让学生了解事物之间是普遍联系观点。温度对三极管静态工作点影响，如同哲学上量变与质变的辩证关系。量变引起质变以此引申至“不以恶小而为之，不以善小而不为”人生哲理，教育学生树立正确的人生观和价值观。第6章半导体器件6.1半导体基础知识

在信息技术中，往往以电和光形态的信号为载体，各种信号产生和变换处理主要是由电子电路来实现的，半导体器件则是构成电子电路核心。半导体器件主要由硅（Si）和锗（Ge）等半导体材料制造而成。当半导体受到外界光和热激发时，其导电能力将发生显著变化，体现对光照和温度变化敏感性，分别称为光敏特性和热敏特性。在纯净半导体中掺入微量“杂质”元素，此杂质半导体导电能力将发生显著变化，称为“掺杂”特性。下一页上一页章目录第6章半导体器件——半导体基础知识电工电子技术基础郑航电工电子类课程组根据导电能力(电阻率)的不同，物体分为:导体绝缘体半导体导体内部有许多脱离原子核束缚的自由电子，金属是导体，导电能力强。绝缘体不能通过电流，橡胶、塑料和干燥的木材为绝缘体。导电特性处于导体和绝缘体之间的物体，如硅Si、锗Ge元素和砷化镓GaAs等化合物。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——半导体基础知识章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——半导体基础知识

半导体器件主要由硅材料制造而成。硅晶体材料有两个重要特性：1.掺杂特性

加进少量杂质其导电性能就可以大大改变，利用这个特性就可以制造出各种半导体器件；２.温度（或光）敏感性

硅半导体器件的参数几乎都受温度影响，为了克服这个弱点，又形成了许多不同的工艺和电路结构。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——半导体基础知识纯净的半导体正离子核共价键中的两个电子+4SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi共价键一、本征半导体价电子下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——半导体基础知识

半导体受到温度升高或光照的激发时，外层价电子会脱离原子核的束缚成为自由电子。空穴SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi正离子核自由电子产生自由电子同时，其原来共价键中出现的一个空位空穴下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——半导体基础知识本征半导体导电特性当半导体两端加上外电压时，半导体中将出现两部分电流:

自由电子和空穴成对产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。(1)自由电子作定向运动

电子电流(2)空穴不断被价电子填补

空穴电流自由电子和空穴统称为载流子下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——半导体基础知识下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——半导体基础知识电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——半导体基础知识(2)温度升高，载流子的数目急剧增加,半导体的导电性也就愈强。温度对半导体器件性能影响很大。(1)常温下本征半导体中载流子数目极少,其导电性差；注意下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——半导体基础知识

本征半导体中掺入五价元素（如磷）后，磷原子只有四个价电子能与周围原子中的价电子形成共价键，多余的一个价电子因不受共价键束缚而易成为自由电子。磷原子多余的外层电子SiSiSiP+SiSiSiSiSiSiSiSi二、杂质半导体1.电子型杂质半导体(N型半导体)Si下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——半导体基础知识下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——半导体基础知识Si

本征半导体中掺入三价元素（如硼）后，硼原子只有三个价电子能与周围原子中的价电子形成共价键，缺少一个价电子形成共价键而留下一个空穴。缺少价电子留下的空穴SiSiSiB－SiSiSiSiSiSiSiSi2.空穴型半导体（P型半导体）下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——半导体基础知识下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——半导体基础知识下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——半导体基础知识思考：P区N区扩散运动多子浓度差漂移运动扩散运动一、PN结的形成空间电荷区（称为PN结）的宽度就固定下来。漂移运动动态平衡内电场空间电荷区/耗尽层

阻挡层下一页上一页章目录6.2PN结电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——PN结下一页上一页章目录节首页电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——PN结下一页上一页章目录节首页电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——PN结

PN结正偏时，空间电荷区变窄，呈现低阻性，流过正向电流IF大(a)PN结正向偏置P区N区IF二、PN结的特性1.单向导电性正向导通下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——PN结下一页上一页章目录节首页电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——PN结P区N区IR(b)PN结反向偏置反向截止

PN结反偏时，空间电荷区变宽，呈高阻性，流过的反向电流IR极小PN结具有单向导电性下一页上一页章目录节首页电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——PN结下一页上一页章目录节首页电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——PN结2.反向击穿特性（1）在反向电场力作用下高速运动的电子直接撞击出共价键中的电子（称为雪崩击穿）。（2）强大的电场力直接将电子拉出共价键（称为齐纳击穿）。下一页上一页章目录节首页电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——PN结二极管的结构示意图PN结面积可大可小，是常用的集成电路工艺PN结面积小，电容效应小，用于高频电路PN结面积大，电流大，用于大电流整流

PN结两端引出引线并进行封装，就做成了半导体二极管。6.3二极管一、基本结构下一页上一页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管A-阳极K-阴极二极管的符号下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管反向特性正向特性死区正向导通正向压降击穿特性下一页上一页节首页章目录二、伏安结构电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管温度升高，正向特性左移，反向特性下移下一页上一页节首页章目录温度变化时的特性曲线电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管1.最大整流电流IOM（IF）2.最大反向工作电压URM3.最高工作频率fmax三、主要参数下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流保证二极管不被击穿而给出的最大反向电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或2/3。因PN结电容效应，当工作频率超过fmax后，二极管的单向导电性变坏。五、二极管应用

1.在电路中电压较高时，往往忽略零点几伏的二极管导通压降，将其看作理想开关。

2.在电路中信号电压较小时，零点几伏二极管导通压降不能忽略，正向导通时相当于零点几伏电压源串联。二极管电路分析中注意：正向导通反向截止正向导通反向截止下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管二极管根据其单向导电性，主要用于整流和限幅电路。

判断二极管导通还是截止方法:将二极管两端断开，求余下电路对二极管两端开路电压UKA。若UKA

>

UON硅管:0.6~0.8V锗管:0.2~0.3V若UKA<UONUON--二极管的导通压降若二极管近似为理想开关时，UON

=0二极管导通二极管截止下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管二极管起钳位作用下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管[例题3]

为防止信号幅度超过所允许的值，常采用二极管单向导通性进行限幅处理。双向限幅电路如图，输入为正弦波，US1>0,US2<0。试画出输入-输出信号波形和电路传输特性。（a）双向限幅电路图（b）输入信号波形图下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管[解]当ui

处于正半周时，D2由于加反向电压而始终截止。在ui<US1时D1也截止，两二极管支路断开，uo=ui；在ui>US1时，D1导通，输出被限幅在uo=US1；当ui

处于负半周时，D1由于加反向电压而始终截止。在ui>US2时，D2也截止，此时两二极管支路断开，uo=ui

；在ui<

US2时，D2导通，输出限幅在uo=US2。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管

对上述输入-输出关系用分区域对应的函数关系表示，称为电路的电压传输特性。电压传输特性图≥≤下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管

整流电路作用是把交流电变成直流电，分为半波、全波和桥式整流等。

当输入为正半周时二极管D导通，负载上得到正弦波正半周信号。当输入为负半周时二极管D截止，在负载上得到是一个单向脉动的电压。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管

试求输出电压平均值，并选择整流二极管。

[例题]如图中

[解]（1）由于整流后的输出电压是脉动直流电压，通常它的大小是用平均值来表示，记为UO，根据半波整流波形在一个周期内积分的平均有在本题中因为Ui=10V，所以下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管

（2）选择整流二极管主要是选择其参数，由于在负半周时二极管不导通，这时加在二极管上的最大反向电压为10V的电压。在二极管导通期间流过二极管的电流就是流过负载电阻的电流下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——二极管

在稳压管刚击穿时，如电流变化，其两端电压易于变化；当电流增大到工作电流IZ后，电流有很大的变化，其两端电压几乎不变，保持在稳定电压UZ附近。工作在反向击穿区的二极管

稳压管符号中折角表示稳压管工作在反向击穿区。它工作时是在阴极接高电压，阳极接低电压。一、稳压二极管6.4特殊二极管原理下一页上一页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——

特殊二极管主要参数使稳压管具有稳定稳压作用时其工作电流所要达到量值稳压管正常工作，两端电压值稳压管不因为过热而损坏的最大功率损耗值（电流值），它取决于PN结面积和散热条件。稳定工作电流IZ稳定电压UZ最大耗散功率PZM（电流IZM

）IZm=PZM／UZ下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——

特殊二极管电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——

特殊二极管二、光电二极管

光电二极管是利用二极管光敏感性进行光检测，将光信号转为电信号器件，结构与二极管类似，但在PN结处，通过管壳上玻璃窗口能接收外部光照。这种器件PN结在反向偏置状态下工作，它的反向电流随着光照强度增加而上升。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——

特殊二极管发光二极管符号三、发光二极管

发光二极管将电信号变为光信号，光缆传输，光电二极管接收，复现电信号。

发光二极管是将电信号转变为光信号器件，是用元素周期表中IV、Ⅴ族元素化合物（如砷化镓、磷化镓等）制成。

发光二极管用作显示器件，七段数码管和矩阵阵列应用，工作电压2V左右发光，电流几毫安到十几毫安之间。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——

特殊二极管下一页上一页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——

晶体管6.5晶体管下一页上一页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——

晶体管下一页上一页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——

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晶体管下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——

晶体管常用双极晶体管外形及管脚EBCECBEBCBECEBC下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——

晶体管6.6场效应晶体管二氧化硅绝缘层O半导体层S金属电极层M反型区PN结P型衬底下一页上一页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——

场效应晶体管一、绝缘栅场效应晶体管

MOS管是通过栅源电压uGS控制漏源之间导电通道而工作。导电通道是依靠衬底中少数载流子将漏源两区沟通而形成的，根据形成电子还是空穴的通道分别称为N型和P型沟道器件。如果漏源都是N型区，形成是N型沟道。下一页上一页节首页章目录工作原理电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——场效应晶体管

（2）当uDS增大到一定数值(uDS－uGS=UT)，在漏极端开启电场强度将被全部抵消,沟道出现“夹断”现象，iD进入临界值

（3）当uDS继续增大，沟道被夹断长度增加，但漏极电流iD基本维持不变。

（1）靠近栅极下方的P型半导体中电子被吸引到靠近栅极下方，形成N型沟道，将漏极和源极沟通。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——场效应晶体管输出特性：输出回路反映漏源电压uDS与漏极电流iD关系。特性转移特性：描述漏极电流受栅源电压控制的特性曲线。该特性的斜率gm称为跨导,量纲为mA/V或mS。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——场效应晶体管符号

符号中栅极有两道线隔开表示“绝缘栅”，构成MOS管。

用靠右第二道栅极线以实线和虚线区分耗尽型和增强型管。增强型管子在做好后沟道还未形成，用虚线表示；耗尽型管子在做好后沟道已经形成，用实线表示。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——场效应晶体管主要参数下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件——场效应晶体管双极晶体管和场效晶体管的比较名称双极晶体管场效晶体管结构NPN型，PNP型P沟道，N沟道耗尽型，增强型结型，绝缘栅电极应用C、E一般不倒置使用D、S一般可倒置使用控制电流控制电流源CCCS(β)电压控制电流源VCCS(gm)噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，并有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺集成度较低集成度高，适合大规模集成下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础郑航电工电子类课程组第6章半导体器件—