常用半導(dǎo)體器件1

第二章常用半導(dǎo)體器件一半導(dǎo)體基本知識(shí)二二極管三三極管四場(chǎng)效應(yīng)管1半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)單晶：純凈、沒有雜質(zhì)，排列有序。一半導(dǎo)體基本知識(shí)導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。2

本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)?？昭ā矁r(jià)鍵中的空位。自由電子——掙脫共價(jià)鍵束縛而產(chǎn)生的電子。空穴的移動(dòng)——空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。本征激發(fā)――由熱激發(fā)而產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象。3

雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。

（1）N型半導(dǎo)體因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。

（2）P型半導(dǎo)體因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。

摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31以上兩個(gè)濃度基本上相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3（3）雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

（1）PN結(jié)的形成4PN結(jié)的基本原理

在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:因濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場(chǎng)的方向←對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。不對(duì)稱結(jié)P區(qū)、N區(qū)摻雜濃度相等，交界面兩邊電荷區(qū)的寬度相等。P區(qū)、N區(qū)摻雜濃度不相等，交界面兩邊電荷區(qū)的寬度也就不相等。實(shí)際使用的PN結(jié)，較多為兩邊摻雜濃度相差懸殊的，故空間電荷區(qū)主要伸向輕摻雜區(qū)一邊。

（2）PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。

①PN結(jié)加正向電壓時(shí)PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況低電阻大的正向擴(kuò)散電流PN結(jié)的伏安特性內(nèi)電場(chǎng)減弱，擴(kuò)散電流增強(qiáng)。

②PN結(jié)加反向電壓時(shí)PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況高電阻很小的反向漂移電流外電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)一致，耗盡層加寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。只存在少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。

③PN結(jié)伏安

特性表達(dá)式其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）

（3）

PN結(jié)的反向擊穿當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆

（4）

PN結(jié)的電容效應(yīng)

a勢(shì)壘電容CBb擴(kuò)散電容CD即結(jié)電容。由耗盡層引起，耗盡層正負(fù)離子，相當(dāng)于存儲(chǔ)的電荷。外加電壓改變時(shí)，耗盡層的電荷量隨之改變，與電容的作用相似。變?nèi)荻O管的原理。由載流子擴(kuò)散過程中的積累引起，與擴(kuò)散電流的大小成比例。二半導(dǎo)體二極管1

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)2

二極管的伏安特性3

二極管的參數(shù)4

穩(wěn)壓二極管1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點(diǎn)接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(3)平面型二極管往往用于集成電路制造藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(4)二極管的代表符號(hào)2二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性3

二極管的參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3)反向電流IR(4)正向壓降VF(6)極間電容CB(5)二極管的正向電阻4

穩(wěn)壓二極管（1）

符號(hào)及穩(wěn)壓特性(a)符號(hào)(b)伏安特性利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。(a)穩(wěn)定電壓VZ(b)動(dòng)態(tài)電阻rZ

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。rZ=

VZ/

IZ(c)最大耗散功率

PZM(d)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax

和最小穩(wěn)定工作電流

IZmin（2）

穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)3.穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時(shí)VO=VZ#

穩(wěn)壓條件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以嗎？1

三極管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)三半導(dǎo)體三極管2

三極管的工作原理3

三極管的特性曲線4

三極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。兩種類型的三極管發(fā)射結(jié)(Je)

集電結(jié)(Jc)

基極，用B或b表示（Base）

發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；集電極，用C或c表示（Collector）。

發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)三極管符號(hào)1

三極管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：?發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高；?集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大；?基區(qū)很薄，一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米，且摻雜濃度最低。管芯結(jié)構(gòu)剖面圖（1）

內(nèi)部載流子的傳輸過程

三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過載流子傳輸體現(xiàn)出來的。外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子

（以NPN為例）

載流子的傳輸過程2

三極管的工作原理載流子的傳輸過程①發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子，形成發(fā)射極電流IE;②電子在基區(qū)擴(kuò)散和復(fù)合，電源EB拉走電子，提供空穴，形成基極電流IB;③電子被集電區(qū)收集，形成集電極電流IC。電子從發(fā)射區(qū)出發(fā)，大部分越過基區(qū)，到達(dá)集電區(qū)。實(shí)際上還存在少數(shù)載流子空穴的運(yùn)動(dòng)，即存在ICB0

IC=InC+ICBOIB=IB’-ICBO由于ICBO、ICEO均較小，常被忽略。IE=IC+IB以上看出，三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導(dǎo)電，故稱為雙極型三極管。

（2）

電流分配關(guān)系根據(jù)傳輸過程可知IE=IB+IC設(shè)三極管的電流放大系數(shù)由于ICBO、ICEO均較小，常被忽略。從這些關(guān)系式中，可以看出：IB改變,可以改變IC，即IB控制了IC。三極管使用過程中，經(jīng)常改變IB，來控制IC的大小。由于IB由EB決定，EB稱為控制電壓。EB加在be結(jié)上，控制IB、IC的，所以be結(jié)又稱為三極管的控制結(jié)。三極管的電流關(guān)系，我們只須記住上述三個(gè)關(guān)系。當(dāng)然還存在少數(shù)載流子空穴形成的電流成分ICBO和ICEO且ICEO=(1+β)ICBO（3）

三極管的三種組態(tài)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(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極；BJT的三種組態(tài)+-bceRL1k

共射極放大電路

共射極放大電路VBBVCCVBEIBIEIC+-

vI+vBE

vO+-+iC+iE+iB

vI

=20mV

設(shè)若則電壓放大倍數(shù)

iB

=20uA

vO=-iC?

RL=-0.98V，

=49使（4）

放大作用綜上所述，三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達(dá)集電極而實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)這一傳輸過程的兩個(gè)條件是：（1）內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄。（2）外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。輸入特性曲線的三個(gè)部分①死區(qū)

②非線性區(qū)③線性區(qū)

（1）

輸入特性曲線（以共射極放大電路為例）

iB=f(vBE)

vCE=const3

三極管的特性曲線+-bce共射極放大電路VBBVCCvBEiCiB+-vCE飽和區(qū)：iC明顯受vCE控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，一般vCE＜0.7V(硅管)。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。iC=f(vCE)

iB=const（2）輸出特性曲線輸出特性曲線的三個(gè)區(qū)域:截止區(qū)：iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)，vBE小于死區(qū)電壓。放大區(qū)：iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。（1）

電流放大系數(shù)

4

三極管的主要參數(shù)(a)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)

=

IC/

IB

vCE=const

(b)共基極交流電流放大系數(shù)α

α=

IC/

IE

VCB=const當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)，直流放大系數(shù)和交流放大系數(shù)，可以不加區(qū)分。

(b)集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

（2）

極間反向電流ICEO

(a)集電極基極間反向飽和電流ICBO

發(fā)射極開路時(shí)，集電結(jié)的反向飽和電流。

即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對(duì)應(yīng)的Y坐標(biāo)的數(shù)值。ICEO也稱為集電極發(fā)射極間穿透電流。(a)集電極最大允許電流ICM(b)集電極最大允許功率損耗PCM

PCM=ICVCE

（3）

極限參數(shù)(c)反向擊穿電壓

V(BR)CBO——發(fā)射極開路時(shí)的集電結(jié)反 向擊穿電壓。

V(BR)EBO——集電極開路時(shí)發(fā)射結(jié)的反 向擊穿電壓。

V(BR)CEO——基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。幾個(gè)擊穿電壓有如下關(guān)系

V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO

（3）

極限參數(shù)N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)分類：利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制電流的半導(dǎo)體器件。特點(diǎn)：控制端基本上不需要電流，受溫度等外界條件影響小，便于集成。四

場(chǎng)效應(yīng)管

源極，用S或s表示N型導(dǎo)電溝道漏極，用D或d表示

P型區(qū)P型區(qū)柵極，用G或g表示柵極，用G或g表示符號(hào)符號(hào)（a）

結(jié)構(gòu)#

符號(hào)中的箭頭方向表示什么？（1）

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（b）工作原理①UGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)UGS＜0時(shí)，UDS=0（以N溝道JFET為例）當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵源電壓UGS稱為夾斷電壓VP

（或VGS(off)）。對(duì)于N溝道的JFET，VP<0。PN結(jié)反偏耗盡層加厚溝道變窄。

UGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄②UDS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)UGS=0時(shí)，UDS

ID

G、D間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。當(dāng)UDS增加到使UGD=VP時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時(shí)UDS

夾斷區(qū)延長(zhǎng)

溝道電阻

ID基本不變（b）工作原理（以N溝道JFET為例）（以N溝道JFET為例）③

UGS和UDS同時(shí)作用時(shí)導(dǎo)電溝道更容易夾斷，當(dāng)VP<UGS<0時(shí)，對(duì)于同樣的UDS，

ID的值比UGS=0時(shí)的值要小。在預(yù)夾斷處UGD=UGS-UDS=VPID和UDS的關(guān)系畫成曲線如右圖。（b）工作原理綜上分析可知溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，

所以場(chǎng)效應(yīng)管也稱為單極型三極管。JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。#

為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多？

JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因

此iG0，輸入電阻很高。#

JFET有正常放大作用時(shí)，溝道處于什么狀態(tài)？（2）

JFET的特性曲線及參數(shù)（b）

轉(zhuǎn)移特性VP（a）

輸出特性①夾斷電壓VP(或VGS(off))：②飽和漏極電流IDSS：

③

低頻跨導(dǎo)gm：或（3）

主要參數(shù)漏極電流約為零時(shí)的VGS值。VGS=0時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流。低頻跨導(dǎo)反映了vGS對(duì)iD的控制作用。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得，單位是mS(毫西門子)。④輸出電阻rd：⑤直流輸入電阻RGS：對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107Ω。⑧最大漏極功耗PDM⑥

最大漏源電壓V(BR)DS⑦最大柵源電壓V(BR)GS2、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，有感應(yīng)電荷的多少改變導(dǎo)電溝道來控制電流。（1）結(jié)構(gòu)與符號(hào)N溝道為例襯底：雜質(zhì)濃度較低的P型硅片源極S：高摻雜濃度的N型區(qū)域絕緣層：電極柵極G:金屬鋁漏極D：高摻雜濃度的N型區(qū)域N溝道又分為增強(qiáng)型、耗盡型兩種類型：增強(qiáng)型:時(shí)，漏源之間沒有導(dǎo)電溝道；耗盡型：時(shí)，漏源之間存在導(dǎo)電溝道；絕緣層中摻入大量正離子。（2）工作原理以N溝道增強(qiáng)型MOS管為例因此，有4種類型的場(chǎng)效應(yīng)管，其符號(hào)分別為：N溝道增強(qiáng)型N溝道耗盡型P溝道增強(qiáng)型P溝道耗盡型UDS=0，UGS變化①UGS=0，漏源之間為兩個(gè)背向的PN結(jié)，不存在導(dǎo)電溝道。②UGS逐漸增大，柵極充電聚集正電荷，P區(qū)靠近絕緣層的空穴被排斥向體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，表面上留下帶負(fù)電的受主離子，形成耗盡層。隨著電壓增加，耗盡層加寬。③UGS

超過某值（UGS(th)），襯底中的電子被吸引到表面，在耗盡層和絕緣層之間形成一個(gè)N型薄層，稱為反型層。反型層構(gòu)成了漏源之間的導(dǎo)電溝道。反型層隨著UGS增加，反型層加寬。我們可以用UGS的大小來控制導(dǎo)電溝道的寬度。UGS>UGS(th)

，UDS變化①導(dǎo)電溝道形成后，D、S之間加正向電壓。UGS≠UGD，溝道從源極到漏極逐漸變窄。

②UDS=UGS(th)，即UDS=UGS-UGS(th)，溝道在漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。預(yù)夾斷點(diǎn)③.繼續(xù)加大UDS，夾斷區(qū)向源極方向加長(zhǎng)，溝道電流基本上保持與夾斷時(shí)的數(shù)值。如果改變不同的UGS，就可得到一組ID～UDS的曲線。就是它的輸出特性曲線。（3）

特性曲線和電流方程下圖是N溝道增強(qiáng)型MOS管的漏極特性和轉(zhuǎn)移特性曲線。與的近似關(guān)系為：恒流區(qū)，即三極管的放大區(qū)。模擬電路放大就在該區(qū)域?？勺冸娮鑵^(qū)，相當(dāng)于三極管的飽和區(qū)。夾斷區(qū)，相當(dāng)于三極管的截止區(qū)。數(shù)字電路，工作在可變電阻區(qū)和夾斷區(qū)之間。（4）

N溝道耗盡型和P溝道MOS管在SiO2絕