第1章半導體器件義烏工商學院課件

義烏工商學院計算機工程系電子技術第1章半導體器件主要內(nèi)容：

1.1PN結(jié)1.2半導體二極管1.3特殊二極管1.4雙極型三極管1.5場效應晶體管目的和要求：1、深刻理解PN結(jié)基本特性；2、熟練掌握二極管的結(jié)構(gòu)和特性；3、熟練掌握三極管的結(jié)構(gòu)、類型和特性；4、掌握三極管的特性曲線和主要參數(shù)；5、熟練掌握場效應管結(jié)構(gòu)、類型和特性；6、掌握場效應管的特性曲線和主要參數(shù)。

1.1PN結(jié)半導體器件是用半導體材料制成的電子器件。常用的半導體器件有二極管、三極管、場效應晶體管等。半導體器件是構(gòu)成各種電子電路最基本的元件。1.1.1半導體的導電特征半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅(Si)、鍺(Ge)。硅和鍺是4價元素，原子的最外層軌道上有4個價電子。本征半導體:純凈的半導體。如硅、鍺單晶體。熱激發(fā)：熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴對。1、共價鍵：每個原子周圍有四個相鄰的原子，兩個相鄰原子共用一對電子，形成共價鍵，將原子之間通過緊密結(jié)合在一起。1．幾個概念共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子2、載流子：在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。3、自由電子、空穴：在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子

有了空穴，鄰近共價鍵中的價電子很容易過來填補這個空穴，這樣空穴便轉(zhuǎn)移到鄰近共價鍵中。新的空穴又會被鄰近的價電子填補。帶負電荷的價電子依次填補空穴的運動，從效果上看，相當于帶正電荷的空穴作相反方向的運動。本征半導體中有兩種載流子：帶負電荷的自由電子和帶正電荷的空穴。熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，電子和空穴又可能重新結(jié)合而成對消失，稱為復合。在一定溫度下自由電子和空穴維持一定的濃度。2．空穴的運動

（1）N型半導體

在純凈半導體硅或鍺中摻入磷、砷等5價元素，由于這類元素的原子最外層有5個價電子，故在構(gòu)成的共價鍵結(jié)構(gòu)中，由于存在多余的價電子而產(chǎn)生大量自由電子，這種半導體主要靠自由電子導電，稱為電子半導體或N型半導體，其中自由電子為多數(shù)載流子，熱激發(fā)形成的空穴為少數(shù)載流子。3.雜質(zhì)半導體——在純凈半導體中摻入某些微量雜質(zhì)，其導電能力將大大增強+4+4+5+4多余電子磷原子自由電子多數(shù)載流子（簡稱多子）空穴

少數(shù)載流子（簡稱少子）N型半導體中的載流子（2）P型半導體

在純凈半導體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價元素，由于這類元素的原子最外層只有3個價電子，故在構(gòu)成的共價鍵結(jié)構(gòu)中，由于缺少價電子而形成大量空穴，這類摻雜后的半導體其導電作用主要靠空穴運動，稱為空穴半導體或P型半導體，其中空穴為多數(shù)載流子，熱激發(fā)形成的自由電子是少數(shù)載流子。空穴多數(shù)載流子（簡稱多子）自由電子

少數(shù)載流子（簡稱少子）+4+4+3+4空穴硼原子2、P型半導體注意：1、無論是P型半導體還是N型半導體都是中性的，對外不顯電性。2、摻入的雜質(zhì)元素的濃度越高，多數(shù)載流子的數(shù)量越多。3、少數(shù)載流子是熱激發(fā)而產(chǎn)生的，其數(shù)量的多少決定于溫度?？偨Y(jié)2.N型半導體中電子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，N型半導體中空穴是少子，少子的遷移也能形成電流，由于數(shù)量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。3.P型半導體中空穴是多子，電子是少子。1.本征半導體中受激產(chǎn)生的電子很少。1.1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?．PN結(jié)的形成在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。半導體中載流子有擴散運動和漂移運動兩種運動方式。漂移運動：載流子在電場作用下的定向運動。擴散運動：在半導體中，如果載流子濃度分布不均勻，因為濃度差，載流子將會從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動。

P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。擴散與漂移達到動態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)

多子擴散

形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場

促使

少子漂移阻止①外加正向電壓（也叫正向偏置）外加電場與內(nèi)電場方向相反，內(nèi)電場削弱，擴散運動大大超過漂移運動，N區(qū)電子不斷擴散到P區(qū)，P區(qū)空穴不斷擴散到N區(qū)，形成較大的正向電流，這時稱PN結(jié)處于導通狀態(tài)。2．PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)

加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)。外電場削弱內(nèi)電場→耗盡層變窄→擴散運動＞漂移運動→多子擴散形成正向電流IF（導通）

外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。

正向電流2．PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2)

加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū)。

外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。外電場加強內(nèi)電場→耗盡層變寬→漂移運動＞擴散運動→少子漂移形成反向電流IR（截止）PN反向飽和電流結(jié)論1、PN結(jié)加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導通；2、PN結(jié)加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。3、PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?.2半導體二極管1.2.1半導體二極管的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)

一個PN結(jié)加上相應的電極引線并用管殼封裝起來，就構(gòu)成了半導體二極管，簡稱二極管。半導體二極管按其結(jié)構(gòu)不同可分為點接觸型和面接觸型兩類。

點接觸型二極管PN結(jié)面積很小，結(jié)電容很小，多用于高頻檢波及脈沖數(shù)字電路中的開關元件。面接觸型二極管PN結(jié)面積大，結(jié)電容也小，多用在低頻整流電路中。引線外殼線觸絲線基片PN結(jié)1.2.2半導體二極管的伏安特性（1）正向特性

外加正向電壓較小時，外電場不足以克服內(nèi)電場對多子擴散的阻力，PN結(jié)仍處于截止狀態(tài)。正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流隨著正向電壓增大迅速上升。通常死區(qū)電壓硅管約為0.5V，鍺管約為0.2V。導通電壓:UD(on)=(0.6

0.8)V―――硅管0.7V(0.1

0.3)V―――鍺管0.2V（2）反向特性

外加反向電壓時，PN結(jié)處于截止狀態(tài)，反向電流

很小。反向電壓大于擊穿電壓時，反向電流急劇增加。（3）反向擊穿類型電擊穿—PN結(jié)未損壞，斷電即恢復。熱擊穿—PN結(jié)燒毀。（1）最大整流電流IOM：指管子長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。（2）反向擊穿電壓UB：指管子反向擊穿時的電壓值。（3）最大反向工作電壓UDRM：二極管運行時允許承受的最大反向電壓（約為UB的一半）。（4）最大反向電流IRM：指管子未擊穿時的反向電流，其值越小，則管子的單向?qū)щ娦栽胶谩＃?）最高工作頻率fm：主要取決于PN結(jié)結(jié)電容的大小。1.2.3半導體二極管的主要參數(shù)

影響工作頻率的原因：主要取決于PN結(jié)結(jié)電容的大小。

1.低頻時，因結(jié)電容很小，對PN結(jié)影響很小。高頻時，因容抗增大，使結(jié)電容分流，導致單向?qū)щ娦宰儾睢?.結(jié)面積小時結(jié)電容小，工作頻率高。二極管的恒壓降模型：

理想二極管：正向電阻為零，正向?qū)〞r為短路特性，正向壓降忽略不計；反向電阻為無窮大，反向截止時為開路特性，反向漏電流忽略不計。【例1】硅二極管，R=2k

，分別用二極管理想模型和恒壓降模型求出

VDD=2V和VDD=10V時IO和UO的值。[解]：VDD=2V理想UO=VDD=2VIO=VDD/R=2/2=1(mA)恒壓降UO=VDD–UD(on)=2

0.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2=0.65(mA)VDD=10V理想IO=VDD/R=10/2=5(mA)恒壓降UO=100.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)【結(jié)論】VDD大，采用理想模型；VDD小，采用恒壓降模型。例2二極管構(gòu)成“門”電路，設V1、V2均為理想二極管，當輸入電壓UA、UB為低電壓0V和高電壓5V的不同組合時，求輸出電壓UO的值。【課堂練習】習題1-1（a）、1-2(a)

1.3特殊二極管穩(wěn)壓管是一種用特殊工藝制造的半導體二極管，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓就是反向擊穿電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于：電流增量很大，只引起很小的電壓變化。1.3.1穩(wěn)壓管

（1）穩(wěn)定電壓UZ：反向擊穿后穩(wěn)定工作的電壓。

（2）穩(wěn)定電流IZ：工作電壓等于穩(wěn)定電壓時的電流。

（3）動態(tài)電阻rZ：穩(wěn)定工作范圍內(nèi)，管子兩端電壓的變化量與相應電流的變化量之比。即：rZ=ΔUZ/ΔIZ

（4）額定功率PZ和最大穩(wěn)定電流IZM：額定功率PZ是在穩(wěn)壓管允許結(jié)溫下的最大功率損耗。最大穩(wěn)定電流IZM是指穩(wěn)壓管允許通過的最大電流。它們之間的關系是：PZ=UZIZM穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術參數(shù):解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax?！匠?要求當輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動時，負載電壓基本不變。求：電阻R和輸入電壓ui的正常值。穩(wěn)壓二極管的應用舉例令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin?！匠?uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程1、2，可解得：1.3.2發(fā)光二極管

當發(fā)光二極管的PN結(jié)加上正向電壓時，電子與空穴復合過程以光的形式放出能量。不同材料制成的發(fā)光二極管會發(fā)出不同顏色的光。發(fā)光二極管具有亮度高、清晰度高、電壓低（1.5～3V）、反應快、體積小、可靠性高、壽命長等特點，是一種很有用的半導體器件，常用于信號指示、數(shù)字和字符顯示。光電二極管的又稱為光敏二極管，反向偏置時光照導通。反向電流隨光照強度的增加而上升。1.3.3光電二極管IU照度增加1.4雙極型三極管1.4.1

三極管的結(jié)構(gòu)、類型及符號

半導體三極管是由兩個背靠背的PN結(jié)構(gòu)成的。在工作過程中，兩種載流子（電子和空穴）都參與導電，故又稱為雙極型晶體管，簡稱晶體管或三極管。

兩個PN結(jié)，把半導體分成三個區(qū)域。這三個區(qū)域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三極管有兩種類型：NPN型和PNP型。NPN型PNP型箭頭方向表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時的電流方向三極管的分類：按材料分：硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分：NPN、PNP按使用頻率分：低頻管、高頻管按功率分：小功率管<500mW中功率管0.5

1W大功率管>1W1.4.2電流分配和電流放大作用（1）產(chǎn)生放大作用的條件內(nèi)部：a）發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度>>基區(qū)>>集電區(qū)b）基區(qū)很薄外部：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏（2）三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程a）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成發(fā)射極電流iEb）電子在基區(qū)中的擴散與復合，形成基極電流iBc）集電區(qū)收集擴散過來的電子，形成集電極電流iC（3）電流分配關系：iE=iC+iB

實驗表明IC比IB大數(shù)十至數(shù)百倍，因而有IB雖然很小，但對IC有控制作用，IC隨IB的改變而改變，即基極電流較小的變化可以引起集電極電流較大的變化，表明基極電流對集電極具有小量控制大量的作用，這就是三極管的電流放大作用。1.4.3三極管的特性曲線1．輸入特性曲線與二極管類似2．輸出特性曲線（1）放大區(qū)：發(fā)射極正向偏置，集電結(jié)反向偏置（2）截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置

（3）飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置1.4.4三極管的主要參數(shù)1、電流放大系數(shù)β：iC=βiB2、極間反向電流iCBO、iCEO：iCEO=（1+β）iCBO3、極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM：下降到額定值的2/3時所允許的最大集電極電流。（2）反向擊穿電壓U（BR）CEO：基極開路時，集電極、發(fā)射極間的最大允許電壓。（3）集電極最大允許功耗PCM。

例已知:ICM=20mA,PCM=100mW，U(BR)CEO=20V，當UCE=10V時，則IC<10mA當UCE=1V時，則IC<20mA當IC=2mA時，則UCE<20V

1.5場效應晶體管1.5.1絕緣柵型場效應管的結(jié)構(gòu)DSG襯底DSG襯底N溝道絕緣柵型場效應管的結(jié)構(gòu)N溝道耗盡型場效應管的符號N溝道增強型場效應管的符號DSG襯底DSG襯底P溝道絕緣柵型場效應管的結(jié)構(gòu)P溝道耗盡型場效應管的符號P溝道增強型場效應管的符號耗盡型：UGS=0時漏、源極之間已經(jīng)存在原始導電溝道。增強型：UGS=0時漏、源極之間才能形成導電溝道。無論是N溝道MOS管還是P溝道MOS管，都只有一種載流子導電，均為單極型電壓控制器件。MOS管的柵極電流幾乎為零，輸入電阻RGS很高。1.5.2

絕緣柵型場效應管的工作原理與特性曲線1、N溝道耗盡型場效應管的特性曲線

UGS=0時：耗盡型場效應管存在原始導電溝道，漏、源極之間就可以導電。這時在外加電壓UDS作用下的漏極電流稱為漏極飽和電流IDSS。UGS>0時：溝道內(nèi)感應出的負電荷增多，溝道加寬，溝道電阻減小，ID增大。UGS<0時：會在溝道內(nèi)產(chǎn)生出正電荷與原始負電荷復合，溝道變窄，溝道電阻增大，ID減小。UGS達到一定負值時，溝道內(nèi)載流子全部復合耗盡，溝道被夾斷，ID=0，這時的UGS稱為夾斷電壓UGS(off)。2、N溝道增強型場效應管的特性曲線

UGS=0時：增強型場效應管不存在原始導電溝道，場效應管不能導通，ID=0。

UGS>0時：會產(chǎn)生垂直于襯底表面的電場。P型襯底與絕緣層的界面將感應出負電荷層，UGS增加，負電荷數(shù)量增多，積累的負電荷足夠多時，兩個N+區(qū)溝通，形成導電溝道，漏、源極之間有ID出現(xiàn)。在一定的漏、源電壓UDS下，使管子由不導通轉(zhuǎn)為導通的臨界柵、源電壓稱為開啟電壓UGS(th)。

UGS<UGS(th)時，ID=0；

UGS>UGS(th)時，隨UGS的增加ID增大。漏極特性曲線的兩個區(qū)域：在虛線左邊的區(qū)域：漏、源電壓UDS相對較小，漏極電流ID隨UDS的增加而增加，輸出電阻ro較小，且可以通過改變柵、源電壓UGS的大小來改變輸出電阻ro的阻值，這一區(qū)域稱為可變電阻區(qū)。在虛線右邊的區(qū)域：當柵、源電壓UGS為常數(shù)時，漏極電流ID幾乎不隨漏、源電壓UDS的變化而變化，特性曲線趨于與橫軸平行，輸出電阻ro很大，在柵、源電壓UGS增大時，漏極電流ID隨UGS線性增大，這一區(qū)域稱為放大區(qū)。綜上所述，場效應管的漏極電流ID受柵、源電壓UGS的控制，即ID隨UGS的變化而變化，所以場效應管是一種電壓控制器件。場效應管柵、源電壓UGS對漏極ID控制作用的大小用跨導gm表示：1.5.3絕緣柵型場效應管的主要參數(shù)場效應管的主要參數(shù)除輸入電阻RGS、漏極飽和電流IDSS、夾斷電壓UGS(off)和開啟電壓UGS(th)外，還有以下重要參數(shù)：（1）跨導gm。gm表示場效應管柵、源電壓UGS對漏極ID控制作用的大小，單位是μA/V或mA／V