第1章、半導體器件

模擬電子技術基礎授課教師：李學夔主要參考書：清華大學出版社，霍亮生主編《電子技術基礎》1課程的難點：建立“工程的概念”、電子電路分析的合理近似課程要求：2第一章半導體器件§1.1半導體基礎知識§1.2二極管§1.3雙極型晶體管§1.4絕緣柵型場效應晶體管3§1.1半導體基礎知識1.1.1本征半導體自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬一般都是導體。有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。4半導體的導電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。比如：當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導電能力明顯改變。5現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。GeSi6通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。完全純凈的、結構完整的半導體晶體，稱為本征半導體。7硅和鍺的晶體結構在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。8硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子9共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+410本征半導體的導電機理在絕對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。+4+4+4+4束縛電子11+4+4+4+4本征半導體的導電機理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。12本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引臨近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。13本征半導體的導電機理本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。14半導體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。自由電子在運動中與空穴相遇就會填補空穴，使二者同時消失，這種現(xiàn)象稱為復合。本征半導體的載流子濃度+4+4+4+4自由電子空穴15一定溫度下，本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴對，與復合的自由電子和空穴對數(shù)目相等，達到動態(tài)平衡。理論分析表明：ni

和pi表示自由電子和空穴的濃度（cm－3）16注意：本征半導體的導電性很差，且與環(huán)境密切相關。本征半導體的這種對溫度的敏感性，既可用來制作熱敏和光敏器件，又是造成半導體器件溫度穩(wěn)定性差的原因。171.1.2雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。使自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體稱為N型半導體（電子半導體），使空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體稱為P型半導體（空穴半導體）。18+4+4+5+4N型半導體多余電子磷原子在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。19N型半導體N型半導體中的載流子是什么？1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征激發(fā)成對產(chǎn)生的電子和空穴。3、摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。？20+4+4+3+4空穴P型半導體硼原子在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。21P型半導體P型半導體中的載流子是什么？1、由受主原子提供的空穴，濃度與受主原子相同。2、本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。3、摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，空穴濃度遠大于自由電子濃度?？昭ǚQ為多數(shù)載流子（多子），自由電子稱為少數(shù)載流子（少子）。22總結1、N型半導體中電子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，本征半導體中受激產(chǎn)生的電子只占少數(shù)。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。2、P型半導體中空穴是多子，電子是少子。23雜質(zhì)半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體24§1.1.3PN結及其單向?qū)щ娦砸弧N結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。25P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E空間電荷區(qū)PN結處載流子的運動26擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，內(nèi)電場E加強。漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場EPN結處載流子的運動內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。27漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場EPN結處載流子的運動所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。28－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VUho29空間電荷區(qū)內(nèi)正負電荷相等，因此，當P區(qū)和N區(qū)雜質(zhì)濃度相等時，正離子區(qū)和負離子區(qū)寬度相等，稱為對稱結；當P區(qū)和N區(qū)雜質(zhì)濃度不同時，濃度高一側(cè)的離子區(qū)寬度低于濃度低的一側(cè)，稱為不對稱PN結。絕大部分空間電荷區(qū)內(nèi)自由電子和空穴數(shù)目都非常少，在分析PN結特性時常忽略載流子的作用，只考慮離子區(qū)的電荷，這種方法稱為“耗盡層近似”，故稱空間電荷區(qū)為耗盡層。301、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。3、P中的電子和N中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。請注意31二、

PN結的單向?qū)щ娦援斖饧与妷菏筆N結中P區(qū)的電位高于N區(qū)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。32PN結正向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。33PN結加正向電壓時的導電情況低電阻大的正向擴散電流PN結的伏安特性PN結正向偏置34PN結反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。35PN結加反向電壓時的導電情況高電阻很小的反向漂移電流PN結的伏安特性PN結反向偏置

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，這個電流也稱為反向飽和電流。36

PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；

PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結論：PN結具有單向?qū)щ娦浴?7

(3)PN結V-I特性表達式其中PN結的伏安特性IS——反向飽和電流UT——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）381.2二極管

1.2.1

二極管的結構

1.2.2

二極管的伏安特性

1.2.3

二極管的主要參數(shù)1.2.4

穩(wěn)壓管39

1.2.1

二極管的結構

在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點接觸型二極管

PN結面積小，結電容小，用于高頻電路和小功率整流。(a)點接觸型

二極管的結構示意圖40(3)平面型二極管采用擴散法制成，往往用于集成電路制造工藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。(2)面接觸型二極管

PN結面積大，結電容大，一般為僅作為整流管。(b)面接觸型(c)平面型(4)二極管的代表符號41半導體二極管圖片424344

1.2.2

二極管的伏安特性

一、與PN結伏安特性類似

正偏：體電阻、外引線——同樣電壓，I偏小

反偏：表面漏電流——Is數(shù)值增大45二極管的伏安特性表達式可用PN結伏安特性表達式表示：硅二極管2CP10的V-I特性UON鍺二極管2AP15的V-I特性UON正向特性反向特性反向擊穿特性46

二、溫度對二極管伏安特性的影響

溫度升高，正向特性左移，反向特性下移。

室溫附近，溫度每升高1℃，正向壓降減少2—2.5mV。

室溫附近，溫度每升高10℃，反向電流增大一倍。47

1.2.3

二極管的參數(shù)(1)最大整流電流If(2)反向擊穿電壓UBR和最大反向工作電壓UR(3)反向電流IR(4)最高工作頻率fM48（1）最大整流電流IF二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。（2）反向擊穿電壓UBR和最高反向工作電壓UR二極管反向擊穿時的電壓值為UBR

。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。最高反向工作電壓UR一般是UBR的一半。主要參數(shù)說明49（3）反向電流IR指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流，此時二極管未被擊穿。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應用是主要利用它的單向?qū)щ娦园ㄕ?、限幅、保護等。下面介紹兩個交流參數(shù)。（4）最高工作頻率fM

超過此值時，由于結電容的作用，二極管不能很好地體現(xiàn)單向?qū)щ娦浴?01.2.4穩(wěn)壓二極管1.符號及穩(wěn)壓特性利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。51(1)穩(wěn)定電壓UZ(2)動態(tài)電阻rZ

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。rZ=UZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax

和最小穩(wěn)定工作電流IZmin(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——2.穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)UZ523.穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時VO=UZ#

穩(wěn)壓條件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以嗎？53例：已知圖中電路穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ＝6V。計算UI為12V、30V三種情況下輸出電壓UO的值。解：UI為12V，經(jīng)兩個電阻分壓，URL=4V<UZ，DZ截止，故UO＝4V。UI為30V，兩個電阻分壓，URL能得到10V電壓>UZ

，DZ反向擊穿，穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，UO鉗位在6V。54§1.3雙極型晶體管（BJT)55

結構特點：?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，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。管芯結構剖面圖561.3.1結構和類型becNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP型PNP集電極基極發(fā)射極bce57becNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高58becNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結集電結591.3.2晶體管的電流控制作用放大是對模擬信號最基本的處理。晶體管是放大電路的核心元件。此圖為基本放大電路，稱為共射放大電路。共射放大電路的的工作條件是發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置。60一晶體管內(nèi)部載流子的運動becNNPVBBRBVCC發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，是發(fā)射極電流IE的主要組成部分。IEIBN1進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IBN，多數(shù)擴散到集電結。基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散形成空穴電流IEP。IEP61becNNPVBBRBVCCIE集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBOIC=ICN+ICBOICNIBN2ICN從基區(qū)擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICN。IEP要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結正偏，集電結反偏。62IBbecNNPVBRBVCCIEICBOICNIC=ICN+ICBOICNIBNIE=IBN+IEP+ICN=IB+ICIEPIB=IBN+IEP-ICBO=IB’-ICBO

IBN+IEP634ICN與IB’之比稱為共射直流電流放大倍數(shù)ICEO為穿透電流。物理意義是，當基極開路（IB=0）時，在集電極電源VCC作用下集電極和發(fā)射極之間形成的電流。ICBO為發(fā)射極開路時，集電結的反向飽和電流。整理得：IC=βIB+（1+β）ICBO

=βIB+ICEO

β為共射直流電流放大倍數(shù)。所以，IC≈βIB，

IE≈（1+β）IB。64若有輸入交流電壓信號△UI作用，則晶體管的基極電流在IB基礎上疊加動態(tài)電流△iB，集電極電流在IC基礎上疊加動態(tài)電流△iC，△iC與△iB之比為交流放大系數(shù)β。65若以發(fā)射極電流作為輸入電流，以集電極電流作為輸出電流，則定義ICN與IE之比為共基直流電流放大系數(shù)。共基交流電流放大系數(shù)：66beciBiEiCNPN型三極管beciBiEiCPNP型三極管Vc>Vb>VeVc<Vb<Ve67例：分別判斷圖中所示各電路中晶體管是否有可能工作在放大狀態(tài)。

68例：已知兩只晶體管的電流放大系數(shù)β分別為50和100，現(xiàn)測得放大電路中這兩只管子兩個電極的電流如圖所示。分別求另一電極的電流，標出其實際方向，并在圓圈中畫出管子。

NPN管

b

e

cPNP管

c

be691.3.3晶體管的共射特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBVCCVBBUBE是發(fā)射結壓降UCE是管壓降70（1）輸入特性IB(A)UBE(V)204060800.60.8UCE=0NPNbec71（1）輸入特性iB(A)uBE(V)204060800.60.8UCE=00.5vNPNbec72（1）輸入特性IB(A)UBE(V)204060800.60.8UCE1VUCE=00.5vNPNbec73（1）輸入特性

開啟電壓UON，硅管0.5V,鍺管0.1V。IB(A)UBE(V)204060800.60.8UCE1V工作壓降：硅管UBE0.7V,鍺管UBE0.2V。UCE=00.5vNPNbec74（2）輸出特性iC(mA)1234UCE(V)IB=0IB1IB2IB3IB4IB5此區(qū)域滿足iC=IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。特征是：發(fā)射結正向偏置，uBE>UON，集電結反偏，uCE

>uBE。NPNbec75iC(mA)1234UCE(V)IB=0IB1IB2IB3IB4IB5此區(qū)域稱為飽和區(qū)。發(fā)射結正偏，uBE>UON，集電結正偏，UCEUBE,IB>IC，UCE<0.3V。NPNbec76iC(mA)1234UCE(V)IB=0IB1IB2IB3IB4IB5UBE<UON，IB=0,此區(qū)域集電結反偏，UCE>UBE,IC≤ICEO,稱為截止區(qū)。NPNbec77例：電路如圖所示，晶體管導通時UBE＝0.7V，β=50。試分析uI為1.5V、3V情況下晶體管的工作狀態(tài)及輸出電壓uO的值。所以晶體管處于放大狀態(tài)。78例：電路如圖所示，晶體管導通時UBE＝0.7V，β=50。試分析uI為1.5V、3V情況下晶體管的工作狀態(tài)及輸出電壓uO的值。791.3.4晶體管的主要參數(shù)前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接法，相應地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數(shù)：1.電流放大倍數(shù)becIBIEICNPN型三極管80工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號。基極電流的變化量為iB，相應的集電極電流變化為iC，則交流電流放大倍數(shù)為：812.集-基極反向飽和電流ICBOAICBOICBO是集電結反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。823.集-射極穿透電流ICEOAICEO83ICEO＝（1＋β）ICBO而ICEO受溫度影響很大，當溫度上升時，ICEO增加很快，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。選管子時，ICBO、ICEO應盡量小。硅管的ICBO和ICEO比鍺管小，所以溫度穩(wěn)定性好。844.集電極最大電流ICM集電極電流IC在一定范圍內(nèi)不變，但大到一定數(shù)值會導致三極管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。855.集-射極反向擊穿電壓當集---射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)CEO。NPNbec晶體管的某一電極開路時，另兩個電極間所允許加的最高反向電壓即為極間反向擊穿電壓，超過此值的管子會發(fā)生擊穿現(xiàn)象。866.集電極最大允許功耗PCM集電極電流IC流過三極管，所發(fā)出的焦耳熱為：PC=ICUCE必定導致結溫上升，所以PC有限制。PCPCM87ICUCEICU