第1章半導體元件及其特性

04二月2023第1章半導體元件及其特性

二極管半導體基礎知識與PN結晶體管場效應管本章小結04二月20231.1

半導體基礎知識

與PN結主要要求：

1.了解半導體材料的基本知識2.理解關于半導體的基本概念3.理解PN結的形成4.掌握PN結的單向導電作用04二月2023

1.半導體的特點

半導體是制造電子器件的主要原料，它的廣泛應用不是因為它的導電能力介于導體和絕緣體之間，而是它的電阻率可以隨溫度、光照、雜質等因素的不同而呈現(xiàn)顯著的區(qū)別。

自然界中的物質按導電性能可以分為

半導體導電特性獨有的特點導體半導體熱敏性光敏性1.1.1

半導體的特點絕緣體雜敏性04二月2023

2.本征半導體

常用的半導體材料有硅（Si）和鍺（Ge），高純度的硅和鍺都是單晶結構，它們的原子整齊地按一定規(guī)律排列，原子間的距離不僅很小，而且是相等的。把這種純凈的、原子結構排列整齊的半導體稱為本征半導體。

硅和鍺的外層價電子都是4個，所以都是4價元素，右圖是硅和鍺的原子結構示意圖。（a）硅原子結構（b）鍺原子結構04二月2023

這四個價電子不僅受自身原子核的束縛，還受到相鄰原子核的吸引，從而形成了共價鍵結構，如下圖所示：價電子（熱激發(fā)）自由電子-空穴對（1）溫度越高，自由電子-空穴對數(shù)目越多；（2）自由電子-空穴數(shù)目相等，對外不顯電性。硅（鍺）原子在晶體中的共價鍵排列復合平衡04二月2023注意：半導體與導體不同，內部有兩種載流子參與導電——自由電子與空穴。在外加電場的作用下，有：

I=In（電子電流）+Ip（空穴電流）空穴導電的實質是價電子的定向移動！04二月2023

3.摻雜半導體本征半導體實際使用價值不大，但如果在本征半導體中摻入微量某種雜質元素，就形成了廣泛用來制造半導體元器件的N型和P型半導體。

根據(jù)摻入雜質的不同摻雜半導體可以分為N型半導體P型半導體04二月2023

（1）N型半導體——雜質為少量5價元素，如磷（P）；（2）P型半導體——雜質為少量3價元素，如硼（B）。N型磷原子自由電子自由電子——多數(shù)載流子空穴——少數(shù)載流子載流子數(shù)

電子數(shù)P型硼原子空穴空穴——多子自由電子——少子載流子數(shù)

空穴數(shù)兩種載流子運動演示04二月2023注意：無論是N型還是P型半導體都是電中性，對外不顯電性?。。?4二月20231.1.2

PN結形成與特性什么是PN結？

PN結是P型與N型半導體區(qū)域交界處的特殊帶電薄層，具有特殊的單向導電性，是半導體元器件制造的基礎單元。04二月2023載流子濃度差復合(耗盡層)內電場阻礙多子擴散幫助少子漂移擴散漂移動態(tài)平衡

注意：動態(tài)平衡的PN結交界面上無電流流過，即I=0。內電場

1.PN結的形成

多子擴散空間電荷區(qū)平衡PN結P區(qū)N區(qū)PN結的形成演示04二月2023

2.PN結的特性

（1）PN結的正向導通特性——正偏導通（P區(qū)電位高于N區(qū)）內電場外電場

所以，正偏時擴散運動增強，漂移運動幾乎減小為0，宏觀上形成很大的正向電流IF。

外電場越強，正向電流越大，PN結的正向電阻越小。P區(qū)N區(qū)多子空穴多子自由電子正向電流IF+UR04二月2023

+UR

2.PN結的特性

（1）PN結的反向截止特性——反偏截止（P區(qū)電位低于N區(qū)）P區(qū)N區(qū)少子自由電子

少子空穴反向電流IR內電場外電場PN結的單向導電性04二月2023要記住：（1）外加正向電壓時PN結的正向電阻很小，電流較大，是多子擴散形成的；（2）外加反向電壓時PN結的反向電阻很大，電流極小，是少子漂移形成的。PN結電路中要串聯(lián)限流電阻。要注意：04二月20231.2二極管主要要求：

1.了解半導體二極管的結構、類型、特性與參數(shù)2.掌握半導體二極管在電子技術中的應用04二月2023認識二極管

04二月20231.2.1

二極管的結構與類型

一個PN結加上相應的外引線，然后用外殼封裝就成為最簡單的二極管了，其中，從P區(qū)引出的引線叫做陽極或正極、從N區(qū)引出的引線叫做陰極或負極。常用D（Diode）表示二極管。

圖中的箭頭表示正偏時的正向電流方向。04二月2023分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結構分點接觸型面接觸型點接觸型金屬觸絲N型鍺P型層陽極陰極

面接觸型P型擴散層錫支架N型硅SiO2保護層陰極陽極04二月20231.2.2

二極管的特性與參數(shù)

1.二極管的伏安特性

半導體二極管的內部就是一個PN結，因此二極管具有和PN結相同的單向導電性，實際的二極管伏安特性曲線如下圖所示：u/Vi/mA正向特性

死區(qū)電壓反向特性IS0μA擊穿電壓擊穿特性反向電流硅管2CP12鍺管2AP904二月2023

一般小功率硅二極管與鍺二極管幾個典型參數(shù)的比較：死區(qū)電壓硅管——0.5V鍺管——0.2V正向導通壓降UF硅管——0.7V鍺管——0.3V反向電流IR硅管——幾μA以下鍺管——幾十到幾百μA04二月2023PN結的正向和反向電流與外加電壓的關系可以用公式表示為：反向飽和電流溫度的電壓當量，常溫下：

UT

=26mV當U>0時為正向特性；當U<0時為反向特性。04二月2023

2.二極管的主要參數(shù)

（1）最大整流電流IFM——指二極管長期工作時允許通過的最大正向平均電流值。（2）最高反向工作電壓URM——指二極管不擊穿時所允許加的最高反向電壓，URM通常是反向擊穿電壓的一半，以確保二極管安全工作。（3）最大反向電流IRM——在常溫下承受最高反向工作電壓URM時的反向漏電流，一般很小，但受溫度影響很大。（4）最高工作頻率fM——指二極管保持單向導電性時外加電壓的最高頻率。04二月20231.2.3

二極管的應用電路舉例

二極管是電子電路中常用的半導體器件，利用其單向導電性和正向壓降很小的特點，可應用于整流、檢波、鉗位、限幅、開關以及元件保護等各項工作。

1.整流——整流就是利用二極管的單向導電特性將交流電變成單方向脈動的直流電的過程，這部分內容將在第6章作詳細介紹。

04二月2023

2.鉗位

——利用二極管正向導通時壓降很小的特性，可以組成鉗位電路，如下圖所示。

圖中若A點UA=0，二極管D正偏導通，壓降很小，所以F點的電位也被鉗制在0V左右，即UF近似為0。04二月2023

3.限幅

——利用二極管正向導通后兩端電壓很小且基本不變的特性可以構成各種限幅電路，使輸出電壓限制在某一電壓值以內。下圖為一正、負對稱限幅電路:ui=10sinωt（V），US1=US2=5V?？梢?，如忽略二極管正向導通壓降，輸出被限制在大約±5V之間。OtuO/V55-10ui

/VOt105-504二月2023

4.元件保護

——在電子線路中，經(jīng)常利用二極管來保護其他元器件免受過高電壓的損害。下圖所示電路是利用二極管來保護開關S的保護電路。

當開關S斷開時，由于電流的突然中斷，電感L將產(chǎn)生一個高于電源電壓很多倍的自感電動勢eL，eL與U疊加作用于開關S上，使開關S的壽命縮短。

二極管D的接入，使eL通過二極管產(chǎn)生放電電流以釋放能量，從而保護了開關S。04二月2023

除以上用途外，還有許多特殊結構的二極管，例如發(fā)光二極管、熱敏二極管等，隨著半導體技術的發(fā)展，二極管的應用范圍越來越廣，其中發(fā)光二極管是應用較多的一種二極管。

不同用途、結構的二極管普通二極管整流二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管光電二極管檢波二極管等等……04二月20231.2.4

發(fā)光二極管及其應用

1.發(fā)光二極管的符號及特性

發(fā)光二極管是一種將電能直接轉換成光能的固體器件，簡稱LED（LightEmittingDiode）。

和普通二極管相似，LED也是由一個PN結組成的，當正向導通時可以發(fā)出一定波長的可見光，常有紅、綠、黃等顏色。也有可以發(fā)出紅外光等不可見光的發(fā)光二極管。04二月2023

發(fā)光二極管具有驅動電壓低、工作電流小、具有很強的抗振動和抗沖擊能力、體積小、可靠性高、耗電省和壽命長等優(yōu)點，廣泛應用于信號指示等電路中。

一般LED的工作電流為幾十mA，正向導通壓降為（12)V，安全使用電壓應選擇5V以下。04二月2023

2.發(fā)光二極管的應用

（1）做電源通斷指示電路。但要保證LED的正向工作電流在規(guī)定的范圍之內，具體型號LED的工作電流可查閱手冊等資料。供電電源可以是直流也可以是交流04二月2023

（2）發(fā)光數(shù)碼管?！l(fā)光數(shù)碼管是電子技術中的主要顯示器件，常用的七段顯示數(shù)碼管是用LED經(jīng)過一定的排列組成的，如圖所示。1404二月2023

七段顯示數(shù)碼管有共陽極和共陰極之分，如下圖所示。

共陽極LED分布

共陰極LED分布04二月20231.3

晶體管主要要求：

1.了解半導體三極管的結構、類型與參數(shù)3.掌握半導體三極管的電流分配關系4.掌握半導體三極管的特性曲線的含義2.理解三極管的放大作用5.了解復合三極管的概念與意義04二月2023認識三極管04二月2023

1.三極管的結構1.3.1

晶體管的結構和類型NNP發(fā)射極E基極B集電極C發(fā)射結集電結—基區(qū)NPN型ECB

三區(qū)三極兩結集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)集電極Collector基極Base發(fā)射極Emitter集電結發(fā)射結—集電區(qū)—發(fā)射區(qū)PPNPNP型04二月2023

三極管的分類按材料分按頻率特性分按功率分硅管鍺管高頻管低頻管大功率管中功率管小功率管按結構分NPN管PNP管04二月2023

下面以NPN管為例討論三極管的電流分配與放大作用，所得結論一樣適用于PNP三極管。1.3.2晶體管電流分配和放大作用注意：三極管放大的條件內部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結面積大外部條件發(fā)射結正偏集電結反偏04二月2023使發(fā)射結正偏使集電結反偏1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子，形成發(fā)射極電流IE的主要成份。IE2.基區(qū)中電子的復合形成基極電流IB的主要成份。IB3.集電區(qū)收集電子形成集電極電流IC的主要成份。IC04二月2023綜上所述，得到三極管的電流分配關系：（1）IE=IC+IB（2）IC=βIB（3）IE=IC+IB=（1+β

）IB≈IC

三極管中還有一些少子電流，比如ICBO

，通?？梢院雎圆挥?，但它們對溫度十分敏感。04二月20231.3.3晶體管的特性曲線

因為三極管有三個電極，因此，分別將三極管的三個電極作為輸入端、輸出端和公共端，有三種不同的三極管電路的組成方式。根據(jù)公共電極的不同，分別叫做共發(fā)射極電路、共集電極電路和共基極電路。04二月2023

下圖是測試三極管共發(fā)射極電路伏安特性曲線的電路圖：04二月2023

1.輸入特性曲線

uCE≧1V，集電結反偏，電場足以將發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的載流子吸收到集電區(qū)形成IC，uCE再增大曲線也幾乎不變死區(qū)電壓與導通電壓UBE硅管分別約為0.5V和0.7V鍺管分別約為0.1V和0.3V04二月2023（1）截止區(qū)——iB=0曲線以下的區(qū)域：

iC=ICEO≈

0，兩結均反偏，三極管各電極電流均約等于0，所以可以等效為斷開的開關；

2.輸出特性曲線

放大區(qū)截止區(qū)ICEO飽和區(qū)（2）放大區(qū)——在iB=0的特性曲線上方，近似平行于橫軸的曲線族部分：

iC基本不隨uCE變化僅受iB控制，iC=βiB，發(fā)射結正偏、集電結反偏，相當于受控電流源。

uCE

/ViC

/mA100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O246810252015105（3）飽和區(qū)——輸出特性曲線近似直線上升部分：三極管飽和時管壓降uCE很小，叫做飽和壓降uCES，兩結均正偏，相當于閉合開關。

04二月20231.3.4晶體管的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)直流電流放大系數(shù)

交流、直流電流放大系數(shù)的意義不同，但在輸出特性線性良好的情況下，兩個數(shù)值的差別很小，一般不作嚴格區(qū)分。常用小功率三極管的β約為20~150左右。

04二月20232.極間反向電流集、基間反向飽和電流集、射間反向飽和電流（穿透電流）

測試電路測試電路反向電流受溫度影響大越小越好04二月202304二月20231.3.5復合晶體管

復合三極管是把兩個三極管的引腳適當?shù)剡B接起來等效為一個三極管，從而獲得對電流放大系數(shù)等參數(shù)的改變。04二月2023

可以證明：復合管的電流放大系數(shù)近似為兩個管子電流放大系數(shù)的乘積，但復合管的穿透電流也較大。04二月20231.4

場效應管主要要求：

1.了解場效應管的結構、特點2.了解場效應管的原理、特性曲線與參數(shù)

場效應管是一種利用電場效應來控制其電流大小的半導體三極管，是利用一種載流子導電的單極型器件。特點：具有輸入電阻高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、耗電省等優(yōu)點，制作工藝簡單、便于集成。04二月2023

1.N溝道增強型絕緣柵場效應管MOSFET的結構

(MentalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)1.4.1

絕緣柵場效應晶體管的原理和特性P型硅襯底S—源極SourceG—柵極Gate

D—漏極DrainDSGSiO2絕緣體金屬鋁N溝道DGS

還有多種其他類型的