半导体器件课件8

半導體器件1.1半導體與二極體

1.1.1半導體半導體

—導電能力介於導體和絕緣體之間的物質。本征半導體

—純淨的半導體。如矽、鍺單晶體。載流子

—自由運動的帶電粒子。半導體中的載流子包括電子和空穴

根據物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。一、半導體典型的半導體有矽Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導體之所以得到廣泛應用是因為其具有如下特性：（1）摻雜特性（2）熱敏特性（3）光敏特性二.雜質半導體

在本征半導體中摻入某些微量雜質元素後的半導體稱為雜質半導體。1.

N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，砷等，稱為N型半導體。

在N型半導體中自由電子是多數載流子，它主要由雜質原子提供；空穴是少數載流子,由熱激發形成。

在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵等。2.

P型半導體

在N型半導體中自由電子是多數載流子，它主要由雜質原子提供；空穴是少數載流子,由熱激發形成。三.PN結及其單向導電性

1.PN結的形成

對於P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。在空間電荷區，由於缺少多子，所以也稱耗盡層。

2.

PN結的單向導電性

當外加電壓使PN結中P區的電位高於N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

PN結加正向電壓時，呈現低電阻，PN結導通；

PN結加反向電壓時，呈現高電阻，PN結截止。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。1.1.2二極體的結構和符號

二極體=PN結+管殼+引線NP結構符號陽極+陰極-

二極體按結構分三大類：(1)點接觸型二極體

PN結面積小，結電容小，用於檢波和變頻等高頻電路。(3)平面型二極體

用於積體電路製造工藝中。PN結面積可大可小，用於高頻整流和開關電路中。(2)面接觸型二極體

PN結面積大，用於工頻大電流整流電路。半導體二極體的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：2AP9用數字代表同類器件的不同規格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極體，3代表三極管。半導體二極體圖片1.1.3二極體的伏安特性

矽：0.5V

鍺：

0.1V(1)正向特性導通壓降反向飽和電流(2)反向特性死區電壓擊穿電壓UBR實驗曲線uEiVmAuEiVuA鍺

矽：0.7V鍺：0.3V二極體的近似分析計算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串聯電壓源模型測量值9.32mA理想二極體模型RI10VE1kΩ0.7V1.1.3二極體的主要參數

(3)反向電流IR——在室溫下，在規定的反向電壓下的反向電流值。矽二極體的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極體在微安(

A)級。（2）最高反向工作電壓URM———是指二極體在使用時所允許加的最大反向電壓。為了確保二極體安全運動，通常取二極體反向擊穿電壓UBR的一半作為URM(1)最大整流電流IF——是指二極體長期運動時允許通過的最大正向平均電流，

小技巧

二極體的簡易測量

根據二極體的單向導電性可知，二極體正向電阻小，反向電阻大。利用這一特點，可以用萬用表的電阻擋大致測量出二極體的好壞和正負極性當穩壓二極體工作在反向擊穿狀態下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時,其兩端電壓近似為常數穩定電壓1.2.1穩壓二極體

穩壓二極體是應用在反向擊穿區的特殊二極體正向同二極體反偏電壓≥UZ

反向擊穿＋UZ－1.2特殊二極體

穩壓二極體的主要參數

(1)穩定電壓UZ——(2)動態電阻rZ

——

在規定的穩壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。

rZ=

U

/

I

rZ愈小，反映穩壓管的擊穿特性愈陡。

(3)最小穩定工作電流IZmin——

保證穩壓管擊穿所對應的電流，若IZ＜IZmin則不能穩壓。

(4)最大穩定工作電流IZmax——

超過Izmax穩壓管會因功耗過大而燒壞。1.2.2變容二極體

PN結具有電容效應，二極體存在結電容。二極體結電容的大小除了與本身結構工藝有關，還與外加電壓有關。

變容二極體的結電容Cj與反偏電壓

uD的關係曲線

變容二極體常用於高頻電路中，例如，電調諧電路和自動頻率控制電路

1.2.3光電二極體

光電二極體的結構與一般的二極體類似，在它的PN結處，通過管殼上的一個玻璃管窗口能接收外部的光照。這種器件的PN結在反向偏置狀態下工作，它的反向電流隨光照強度的增加而上升。光電二極體的符號及其特性曲線

光電二極體可用於光的測量，是將光信號轉換為電信號的常用器件。1.2.4發光二極體

發光二極體（簡稱LED）是一種光發射器件，它是由砷化鎵、磷化鎵等材料製成。當這種管子通以電流時將發出光來。光的顏色主要取決於製造所用的材料。發光二極體的電路符號和伏安特性曲線

發光二極體是一種新型冷光源。由於它體積小、用電省、工作電壓低、壽命長、單色性好和回應速度快，因此，常用來作為顯示器。

1.3半導體三極管

1.3.1三極管的結構與分類

半導體三極管，也叫晶體三極管。由於工作時，多數載流子和少數載流子都參與運行，因此，還被稱為雙極型電晶體。雙極型電晶體是由兩個PN結組成的。一.三極管的結構NPN型PNP型符號:

三極管的結構特點:（1）發射區的摻雜濃度＞＞集電區摻雜濃度。（2）基區要製造得很薄且濃度很低。--NNP發射區集電區基區發射結集電結ecb發射極集電極基極--PPN發射區集電區基區發射結集電結ecb發射極集電極基極三極管分類：按材料分：矽管、鍺管按功率分：小功率管<500mW按結構分：NPN、PNP按使用頻率分：低頻管、高頻管大功率管>1W中功率管0.5

1W1.3.2三極管的電流分配關係與放大作用1.放大的概念

電子電路中所說的放大，有兩方面含義：一是放大的對象是變化量，不是一個恒定量。例如，擴音機是把人講話時聲音的輕重和高低放大出來；二是指對能量的控制作用，即在輸入端用一個小的變化量去控制能源，使輸出端產生一個與輸入變化量相應的大的變化量，體現了對能量的控制作用2.三極管實現放大作用的條件三極管實現放大作用的外部條件：

發射結加正向電壓（正向偏置），在集電結加反向電壓（反向偏置）對於NPN管，要求UC>UB>UE；PNP型管的情況正好相反，即UE>UB>UC。

發射結正偏，集電結反偏3.三極管的電流分配關係與放大作用µAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE3DG6電晶體電流測量數據IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05由此實驗及測量結果可得出如下結論：（1）IE=IC+IB符合基爾霍夫電流定律。（2）IE和IC比IB大的多。（3）

IC與

IB的比值幾乎是一個常數，我們將這個比值稱為共發射極交流電流放大係數，

三極管集電極直流電流IC和相應的基極電流IB的比值稱為直流放大係數，用表示，即一般情況下，

與很接近，即

≈，通常

與無須嚴格區分，可以混用。1.3.3三極管在電路中的基本連接方式

三極管的三種組態共集電極接法，集電極作為公共電極;共基極接法，基極作為公共電極。共發射極接法，發射極作為公共電極；三極管在電路中的三種基本連接方式

1.3.4三極管的伏安特性1.輸入特性曲線

iB=f(uBE)

uCE=const（1）uCE=0V時，相當於兩個PN結並聯。（3）uCE

≥1V再增加時，曲線右移很不明顯。

（2）當uCE=1V時，集電結已進入反偏狀態，開始收集電子，所以基區複合減少，在同一uBE

電壓下，iB

減小。特性曲線將向右稍微移動一些。死區電壓矽0.5V鍺0.1V導通壓降矽0.7V鍺0.3V

2.輸出特性曲線iC=f(uCE)

iB=const

現以iB=60uA一條加以說明。

（1）當uCE=0

V時，因集電極無收集作用，iC=0。（2）uCE↑→Ic

↑

。

（3）當uCE

＞1V後，收集電子的能力足夠強。這時，發射到基區的電子都被集電極收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不變。同理，可作出iB=其他值的曲線。

輸出特性曲線可以分為三個區域:飽和區——iC受uCE顯著控制的區域，該區域內uCE＜0.7

V。此時發射結正偏，集電結也正偏。截止區——iC接近零的區域，相當iB=0的曲線的下方。此時，發射結反偏，集電結反偏。放大區——

曲線基本平行等距。此時，發射結正偏，集電結反偏。該區中有：飽和區放大區截止區1.3.5三極管的主要參數

1.電流放大係數iCE△=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAI△BBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20~200之間2.31.5（1）共發射極電流放大係數：2.反向飽和電流

（2）集電極發射極間的穿透電流ICEO

基極開路時，集電極到發射極間的電流——穿透電流。其大小與溫度有關。

（1）集電極基極間反向飽和電流ICBO

發射極開路時，在其集電結上加反向電壓，得到反向電流。它實際上就是一個PN結的反向電流。其大小與溫度有關。鍺管：ICBO為微安數量級，矽管：ICBO為納安數量級。++ICBOecbICEO

3.極限參數

Ic增加時，

要下降。當

值下降到線性放大區

值的70％時，所對應的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。（1）集電極最大允許電流ICM（2）集電極最大允許功率損耗PCM

集電極電流通過集電結時所產生的功耗，

PC=ICUCE

PCM<PCM

（3）反向擊穿電壓

BJT有兩個PN結，其反向擊穿電壓有以下幾種：

①

U（BR）EBO——集電極開路時，發射極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般幾伏～十幾伏。

②

U（BR）CBO——發射極開路時，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般為幾十伏～幾百伏。③U（BR）CEO——基極開路時，集電極與發射極之間允許的最大反向電壓。

在實際使用時，還有U（BR）CER、U（BR）CES等擊穿電壓。--(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU

半導體三極管的型號第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C矽PNP管、D矽NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關管用字母表示材料用字母表示器件的種類用數字表示同種器件型號的序號用字母表示同一型號中的不同規格三極管國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：3DG110B2025-3-16

1.4場效應管

三極管是一種電流控制元件(iB~iC)，工作時，多數載流子和少數載流子都參與運行，所以被稱為雙極型器件。增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道FET分類：

絕緣柵場效應管結型場效應管

場效應管（簡稱FET）是一種電壓控制器件(uGS~iD)，工作時，只有一種載流子參與導電，因此它是單極型器件。

FET因其製造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優點，得到了廣泛應用。1.4.1絕緣柵場效應管簡介

絕緣柵型場效應管(FET)，簡稱MOSFET。分為：

增強型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道

1.N溝道增強型MOS管

（1）結構

4個電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底B。符號：

當uGS＞0V時→縱向電場→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。（2）工作原理

當uGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的二極體，在d、s之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。

再增加uGS→縱向電場↑→將P區少子電子聚集到P區表面→形成導電溝道，如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。①柵源電壓uGS的控制作用

定義：開啟電壓UGS(th)——剛剛產生溝道所需的柵源電壓UGS

N溝道增強型MOS管的基本特性：

uGS

＜UGS(th)

，管子截止，

uGS

＞UGS(th)

，管子導通。

uGS

越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流ID越大。

②漏源電壓uDS對漏極電流id的控制作用

當uGS＞UT，且固定為某一值時，來分析漏源電壓uDS對漏極電流ID的影響。（設UGS(th)=2V，uGS=4V）

（a）uDS=0時，iD=0。（b）uDS↑→iD↑；同時溝道靠漏區變窄。（c）當uDS增加到使uGD=UGS(th)時，溝道靠漏區夾斷，稱為預夾斷。（d）uDS再增加，預夾斷區加長，uDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，id基本不變。（3）特性曲線

四個區：（a）可變電阻區（預夾斷前）。

①輸出特性曲線：iD=f(uDS)

uGS=const（b）恒流區也稱飽和區（預夾斷後）。

（c）夾斷區（截止區）。

（d）擊穿區。可變電阻區恒流區截止區擊穿區

②轉移特性曲線：iD=f(uGS)

uDS=const

可根據輸出特性曲線作出移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉移特性曲線：UGS(th)

一個重要參數——跨導gm：gm=

iD/

uGS

uDS=const(單位mS)

gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。

在轉移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。在輸出特性曲線上也可求出gm。

2.N溝道耗盡型MOSFET特點：

當uGS=0時，就有溝道，加入uDS，就有iD。當uGS＞0時，溝道增寬，iD進一步增加。

當uGS＜0時，溝道變窄，iD減小。

在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當uGS=0時，這些正離子已經感應出反型層，形成了溝道。

定義：夾斷電壓（UP）——溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS。N溝道耗盡型MOSFET的特性曲線輸出特性曲線轉移特性曲線1GSu01D(V)-12-2(mA)432i42uu310V=+2V1DSGSD(mA)i=-1VuGSGSGS=0V=+1Vuu(V)=-2V＝UPGSuUP

3、P溝道耗盡型MOSFET

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道

MOSFET完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。1.4.2場效應管的主要參數和使用注意事項1.主要參數(1）直流參數①開啟電壓UGS(th),UGS(th)值是增強型場效應管的重要參數。②夾斷電壓UGS(off),它是耗盡型場效應管的重要參數③飽和漏電極電流IDSS,它也是耗盡型場效應管的重要參數。④直流輸入電阻RGS,它是指柵源極間電壓UGS與對應的柵極電流IG之比。場效應管輸入電阻RGS值很大，結型場效應管一般在107

以上；絕緣柵型場效應管RGS值則更大，一般在109

以上。(2）交流參數①跨導gm,跨導反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力，它是標誌場效應管放大能力的重要參數，單位為mS或

S。值得注意的是，gm與工作點有關，它隨工作點的變化而變化。②極間電容指場效應管3個電極之間的等效電容CGS、CGD、CDS，一般為0.1～3pF，是影響管子高頻性能的參數。（3）極限參數①漏極最大允許耗散功率PDM,,,指ID與UDS的乘積不應超過的極限值。②漏源擊穿電壓U(BR)DS,指ID開始急