电子技术 课件 第一章 半导体器件

第一章半导体器件主要内容1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管1.3晶体管1.4场效应晶体管主要内容1.1半导体的基础知识半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的物体半导体材料：Ⅳ族元素硅（Si）、锗（Ge），III-V族元素的化合物砷化镓（GaAs）等。

半导体的特性半导体特点：温度升高，导电能力增强热敏效应增强光照，导电能力增强光敏效应掺入微量元素，导电能力增强掺杂效应半导体知识及二极管本征半导体：纯净的具有整齐晶体结构的半导体+14

硅原子结构

4+简化模型4价元素（硅、锗）价电子本征半导体半导体知识及二极管本征半导体的晶格结构共价键晶格结构：纯净半导体原子排列整齐＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4半导体知识及二极管本征激发由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的情况，叫做本征激发。半导体中的自由电子和空穴都能参与导电，半导体具有两种载流子。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4电子空穴半导体知识及二极管半导体导电原理：本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断进行复合。在一定条件下，载流子的产生与复合会达到动态平衡。载流子数目就愈多，导电性能就愈好。光照温度加入杂质本征激发杂质半导体导电半导体知识及二极管在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少的，其导电能力相当低。如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素，将得到掺杂半导体，而掺杂半导体的导电能力将大大提高。杂质半导体半导体知识及二极管N型半导体:掺入五价杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目大量增加。自由电子是这种半导体的导电方式，称之为电子半导体或N型半导体。+五价元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P半导体知识及二极管P型半导体:掺三价半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数目。空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三价元素硼(B)B+半导体知识及二极管PN结及导电特性杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它们并不能称为半导体器件。在电子技术中，PN结是一切半导体器件的“元概念”和技术起点。

PN结的形成：P区N区扩散运动：浓度差造成的运动。半导体知识及二极管内电场浓度差→多子扩散运动→复合→产生内电场→阻碍多子扩散→有利少子漂移运动→扩散运动和漂移运动达到动态平衡→形成一定宽度PN结空间电荷区（耗尽层）产生漂移运动：载流子在电场力作用下的运动。半导体知识及二极管内电场外电场限流,防止电流太大外电场抵削内电场,有利于多子的扩散多子中和部分离子，使空间电荷区变窄外加正向电压很大

PN结的导电性：半导体知识及二极管很小少子背离PN结移动，使空间电荷区变宽外电场增强内电场,有利于少子的漂移内电场外电场外加反向电压半导体知识及二极管

注意：不论是N型半导体还是P型半导体，都只有一种多数载流子。然而整个半导体晶体仍是。电中性半导体知识及二极管主要内容1.2半导体二极管

PN结正向导通，反向截止的作用，是它构成半导体器件的基础。负极正极二极管的结构：二极管的符号：二极管的结构、类型及符号半导体知识及二极管点接触型面接触型结面积大，用于低频整流结面积小，用于高频检波，小功率整流，或数字电路的开关电源二极管的分类：半导体知识及二极管R

（一）外加正向电压——EID

二极管单向导电性导通，ID大（二）外加反向电压——截止，I反很小EI反电流不为零R限流,防止电流太大半导体知识及二极管死区：外加正向电压很小时，外电场无法克服PN结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，此时正向电流很小，几乎为零。正向导通区：外加正向电压超过死区电压（硅管0.7V，锗管0.31V），内电场大大削弱，正向电流迅速增长。非线性反向截止区：反向饱和电流很小，可视为零值。反向击穿区：外加反向电压超过反向击穿电压UBR，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，进入反向击穿区。二极管的伏安特性半导体知识及二极管击穿：电击穿热击穿齐纳击穿：U反大到一定值时,把共价键中的价电子强行拉出雪崩击穿：强电场引起自由电子加速与原子碰撞，将价电子从共价键中轰出

PN结上功耗大，热量高，PN结因过热烧毁。此过程不可逆。半导体知识及二极管IDUR-+UD-+导通电压:硅管取0.7V锗管取0.2V[例]分别用二极管理想模型和恒压降模型求出IO

和UO

的值。IO=E

/R=6/6

=1(mA)UO=V

=6VUO=E

–UD=6

0.7=5.3(V)IO=UO/R=5.3/6

=0.88(mA)解:1、理想模型2、恒压降模型ER6V6KΩ半导体知识及二极管1、稳压管

正向运用：相当导通二极管UZ=0.7V反向运用：UZ＝U击，起稳压作用原理：工作在反向击穿区域，∆I大变化,∆U基本不变。特殊用途的二极管符号：半导体知识及二极管2、发光二极管：电能光能3、光电二极管：电能光能半导体知识及二极管uOtO1、整流：改变信号波形，正弦波变脉动波。已知：二极管理想化求：uO波形ui+-二极管应用举例uitOuO-+–+分两个半周分析

信号正半周时：D导通uO=ui

信号负半周时：D截止uO=0分析思路RL半导体知识及二极管２、检波作用：从载波信号中检出音频信号。讨论ui+-uO-+–+RLC旁路高频信号载波信号经二极管后负半波被削去检出音频信号ttt３、限幅：把输出信号的幅度限制在某电平范围内。已知：二极管UD＝0.7V求：uO波形5uito3.7讨论+-3V+-uiuO-+–+uOtoUaUa=UOUb=3VUbB、分两个半周分析

信号正半周时：

ui<3.7V：D截止

uO＝ui。

ui>3.7V：D导通

uO＝3.7V。

信号负半周时：D截止

uO＝ui。A、二极管有导通电压

导通——UD=0.7V。

截止——视为开路。分析思路讨论uAuBuO已知:UD＝0.7V求：uA、

uB

分别为0.3V、3V不同组合时的uO４、钳位与隔离

讨论

隔离作用——二极管D截止时，相当于断路，阳极与阴极被隔离。

钳位作用——二极管D导通时，管压降小，强制阳极与阴极电位基本相同。

-12VRDADBFAB（1）uA与uB为相同电平时，DA、DB均导通。uO=0.3-0.7=-0.4V当uA=uB=3V时:uO=3-0.7=2.3V-0.4V0.3V0.3V3V3V2.3V当uA=uB=0.3V时:分析思路-12VRDADBuAuBuOFAB0.3V3V2.3V（2）uA与uB为不同电平时：DA管的钳位作用：高电平使DA管优先导通，把uO钳位在2.3V,DB管加上反向电压，不再导通。二极管钳位作用分析思路DB管的隔离作用：把输入端A和输出端F隔离开。-12VRDADBuAuBuOFAB硅稳压二极管及其特性

（一）稳压作用

工作在反向击穿区域。

∆I大变化,∆U基本不变。（二）稳压管符号＋－阳极阴极正向运用：相当导通二极管UZ=0.7VUZ▵IZIZmaxIZ▵UZ＋－反向运用：

UZ＝U击，起稳压作用DzU/VI/mAO(三)应用稳压管反向击穿不会损坏:

①经特殊工艺处理。②加限流电阻,保证IZ≤IZmax

。+UI-UOUZ+-

UI增加,UO基本不变,增加量由R承担。限流电阻调节电阻RDＺRLUo=UZ半导体知识及二极管OI/mAU/V∆UZ∆IZUZIZ1、稳定电压

UZ：反向击穿时电压值。2、稳定电流

IZ和最大稳定电流IZmax

：

IZ指对应稳定电压时的反向电流。

IZmax指稳压管允许通过的最大反向电流。4、动态电阻

rZ＝

：愈小稳压效果好。硅稳压二极管主要参数IZmax3、最大耗散功耗：

PZM=UZIZmax半导体知识及二极管UZ>5~6V

正温度系数UZ<5~6V

负温度系数5V<UZ<6V

温度系数最小5、电压温度系数α：说明稳定电压随温度的变化程度。

电压温度系数——当环境温度变化1℃时稳定电压变化的百分比。例：2CW15的αU=0.07%/℃温度提高，稳定电压增加OI/mAU/V∆UZ∆IZUZIZIZmax归纳二极管1、二极管的特性：单向导电性。2、特性曲线：

导通电压、反向饱和电流、反向击穿电压。3、应用：整流、限幅、开关。

等效电路：理想化型、恒压降型。4、二极管的主要参数。

二极管的结电容。5、稳压管：二极管工作在反向击穿区域。主要内容1.3晶体管三极管的结构、原理分析二极管三极管NNPPPN基极集电极发射极集电区基区发射区集电结发射结三极管的结构与符号e区掺杂浓度最高b区薄,掺杂浓度最低c区面积最大低频小功率管低频大功率管高频小功率管高频大功率管开关管三极管的结构、原理分析常见的三极管：三极管的结构、原理分析1、电流通路2、电流流向NPN型：IC、IB流入，IE流出PNP型：IC、IB流出，IE流入IBIEICRCRB+-ECEB+-电流分配及放大作用三极管的结构、原理分析三极管的结构、原理分析PNPNNPN型Ve<Vb<VcPNP型Vc<Vb<Ve（1）IE=IB+IC（2）IC≫IBIE≈IC结论符合基尔霍夫电流定律3、电流关系（3）IB与IC的比例为常数(4)I

B微小变化引起了IC较大变化三极管的结构、原理分析【例题】判断三极管的电极、类型、材料。类型：材料：

电极：UBE硅0.6-0.8取0.7V锗0.1-0.3取0.3V电位居中—b极两电位靠得近—e极剩下－c极NPN:VC最高PNP:VC最低解题思路三极管的结构、原理分析0V-0.3V5VIBICUCE+-+-UBE管子各电极电压与电流的关系曲线，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。可调电源限流电阻限流电阻EB+-RBRC+-ECµAmAVV三极管的伏安特性三极管的结构、原理分析三极管的结构、原理分析输入特性曲线e结相当一个二极管,但要受输出UCE的影响UCE≽1VIB/mAUBE/VOUCE=3VUCE=0VIB/mAUBE/VOIBICUCE+-+-UBERBRC+-ECEB+-µAmAVV近似重合三极管的结构、原理分析截止区饱和区IBICUCE+-+-UBERBRC+-ECEB+-µAmAVVIB1=0IB2=20μAIB3=40IB4=60IB5=80IB6=1000UCE/VIC/mA123436912放大区输出特性曲线放大区饱和区截止区发射结正向偏置正向偏置反向偏置集电结反向偏置正向偏置反向偏置此时UCE<UBE+-UCB+-UCE+-UBEEB+-EC+-RCRBbce三极管的结构、原理分析三极管工作状态区分放大区饱和区截止区发射结正向偏置正向偏置反向偏置集电结反向偏置正向偏置反向偏置+-UCB+-UCE+-UBEEB+-EC+-RCRBbce硅管UBE<死区电压0.7V已开始截止，为使e结可靠截止,令UBE≤0（发射结零偏或反偏）。三极管的结构、原理分析[例]判断三极管的电极、类型、材料。3.5V2.8V12V+-UCB+-UCE+-UBEEB+-EC+-RCRBbce解题思路-3.2mA-0.03mA3.23mA【例】根据各个电极的电位，说明图所示三极管的工作状态。解：根据三极管各个电极的电位，可知图（a）的发射结和集电结都反向偏置，所以这个三极管工作在截止状态。图（b）的发射结正向偏置，集电结反向偏置，所以这个三极管工作在放大状态。三极管的结构、原理分析三极管主要参数

主要内容1.4场效应晶体管1.4.1结型场效应管（JFET） 1、结构和符号漏极源极栅极2、工作原理（1）UDS=0时（栅源电压UGS对导电沟道的控制作用）夹断电压2、工作原理（2）UGS固定时，UDS对漏极电流的影响（a）DS呈现电阻特性。（b）ID呈现恒流状态，即与UDS基本无关，只受UGS的控制。预夹断3、特性曲线输出特性夹断区（截止区）夹断电压IDSS饱和漏极电流预夹断轨迹，UDG＝|UGS(off)

|可变电阻区ΔiD恒流区iD几乎仅决定于uGS低频跨导：击穿区3、特性曲线夹断电压UGS(off)

饱和漏极电流IDSS结型场效应管转移特性曲线可用以下肖克莱方程（Shockley’sequation）表示：转移特性1、N沟道增强型MOS管（1）结构和符号漏极D金属电极栅极G源极SSiO2绝缘层P型硅衬底

高掺杂N区符号：1.4.2金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET） 1、N沟道增强型MOS管（2）工作原理UGS对导电沟道的控制(UDS=0)反型层耗尽层耗尽层形成反型层形成开启电压UGS(th)1、N沟道增强型MOS管（2）工作原理UDS对ID的控制

iD随uDS的增大而增大，可变电阻区

uGD＝UGS(th)，预夹断iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区1、N沟道增强型MOS管（3）特性曲线1、N沟道增强型MOS管（4）电流方程其中IDO为uGS=2UGS(th)时的iD值2、P沟道增强型MOS管N型衬底P+P+GSD符号：结构SiO2绝缘层加电压才形成

P型导电沟道

增强型场效应管只有当UGS

UGS(th）时才形成导电沟道。N沟道耗尽型MOS管SiO2绝缘层中掺有正离子预埋了N型导电沟道GSD符号：（1）结构和符号1.4.3耗尽型场效应管

N沟道耗尽型MOS管（1）特性曲线漏极饱和电流夹断电压

UGS(off)转移特性曲线0ID/mA

UGS/V-1-2-348121612UDS=常数IDSSUDSUGS=0UGS<0UGS>0输出特性曲线0ID/mA162012481216481.4.4场效应管的主要参数1、直流参数饱和漏极电流IDSS：耗尽型场效应管，当UGS=0时所对应的漏极电流。夹断电压UGS(off)：耗尽型FET的参数。开启电压UGS(th)：

增强型MOS管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值，

场效应管不能导通。直流输入电阻RGS：场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应管，反偏时RGS约大于107Ω，对于绝缘栅型场效应管，RGS约是109～10