第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)

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電路與模擬電子技術(shù)教程（第三版）第六章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)

左全生主編PublishingHouseofElectronicsIndustryPublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)本章要點(diǎn)半導(dǎo)體基本知識(shí)半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體三極管絕緣柵場PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.1半導(dǎo)體基本知識(shí)6.1.1半導(dǎo)體及其特點(diǎn)熱敏性光敏性雜敏性6.1.2本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體就是純凈(不含雜質(zhì))且具有完整晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。對共有價(jià)電子所形成的束縛作用叫做共價(jià)鍵。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)可以參與導(dǎo)電的帶電粒子，稱為載流子。

圖6.1.1硅晶體平面結(jié)構(gòu)示意圖

圖6.1.2自由電子-空穴對的產(chǎn)生

自由電子和空穴總是相伴而生、成對出現(xiàn)的，稱為自由電子-空穴對。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.1.3N型半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體硅晶體內(nèi)摻入微量的五價(jià)元素磷構(gòu)成。自由電子數(shù)遠(yuǎn)超過空穴數(shù)，以電子導(dǎo)電為主的雜質(zhì)半導(dǎo)體為電子型半導(dǎo)體(

N型半導(dǎo)體)。

自由電子是多數(shù)載流子，簡稱多子。

空穴是少數(shù)載流子，簡稱少子。在N型半導(dǎo)體中，整個(gè)晶體呈電中性。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.1.4P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體硅晶體內(nèi)摻入微量的三價(jià)元素硼構(gòu)成。以空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體，稱為空穴型半導(dǎo)體(P型半導(dǎo)體)?？昭ㄊ嵌鄶?shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。整個(gè)晶體呈電中性。

圖6.1.3N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖

圖6.1.4P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖

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6.2PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管6.2.1PN結(jié)的形成通過摻雜工藝，使一塊完整的半導(dǎo)體晶片的一邊為P型半導(dǎo)體，另一邊為N型半導(dǎo)體，兩種半導(dǎo)體的交界處形成一個(gè)具有特殊物理性質(zhì)的帶電薄層，稱為PN結(jié)。交界處兩側(cè)，因濃度差作用產(chǎn)生的定向運(yùn)動(dòng)稱為多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。帶異性電荷的薄層，稱為空間電荷區(qū)，或稱為PN結(jié)?？臻g電荷區(qū)內(nèi)部電荷產(chǎn)生一個(gè)電場，稱為內(nèi)電場。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)圖6.2.1多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)圖6.2.2空間電荷區(qū)

PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦詧D6.2.3PN結(jié)加正向電壓圖6.2.4PN結(jié)加反向電壓PN結(jié)外加正向電壓時(shí)(又稱正向偏置)，正向電阻較小，正向電流較大，處于導(dǎo)通狀態(tài)；PN結(jié)外加反向電壓時(shí)(又稱反向偏置)，反向電阻很大，反向電流很小，處于截止?fàn)顟B(tài)。PN結(jié)的這種特性稱為單向?qū)щ娦?，它是PN結(jié)最重要的特性。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.2.3PN結(jié)電容PN結(jié)有一定的電容效應(yīng)。外加電壓改變時(shí)，空間電荷區(qū)的電荷量將隨著改變，這些現(xiàn)象都和電容器的作用類似，稱之為結(jié)電容。

PN結(jié)外加電壓的變化，電子濃度和N型半導(dǎo)體區(qū)的空穴擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)變化，這和電容的充、放電作用類似，稱為擴(kuò)散電容。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.2.4二極管的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管是將PN結(jié)外加封裝、引線構(gòu)成(圖6.2.5)。從P區(qū)引出的電極稱為正極或陽極，從N區(qū)引出的電極稱為負(fù)極或陰極。二極管的電路符號(hào)如圖6.2.6，表示二極管具有單向?qū)щ娦浴?/p>

圖6.2.5二極管的結(jié)構(gòu)示意圖

圖6.2.6二極管的電路符號(hào)

二極管的種類：按材料分有硅二極管和鍺二極管；按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型和面接觸型二極管。

點(diǎn)接觸型二極管結(jié)面積小，結(jié)電容也小，高頻性能好，允許通過的電流較小。面接觸型二極管結(jié)面積較大，結(jié)電容也大，可通過較大的電流。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.2.5二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線是流過二極管的電流隨外加偏置電壓變化的關(guān)系曲線，它定量表示了二極管的單向?qū)щ娦?。圖6.2.7二極管的伏安特性曲線PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.2.6二極管的參數(shù)最大整流電流IVDM，是指二極管長時(shí)間使用時(shí)所允許通過的最大正向平均電流值。最高反向工作電壓URM，是指二極管上允許外加的最大反向電壓瞬時(shí)值。

最大反向電流IRM，是指在一定的環(huán)境溫度下，二極管上外加最高反向工作電壓時(shí)流過的電流，常稱為反向飽和電流。

最高工作頻率，當(dāng)二極管的工作頻率超過這個(gè)數(shù)值時(shí)，二極管將失去單向?qū)щ娦浴ublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.2.7特種二極管肖特基二極管變?nèi)荻O管發(fā)光二極管光電二極管光電池穩(wěn)壓二極管PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.3半導(dǎo)體三極管6.3.1半導(dǎo)體三極管的基本結(jié)構(gòu)3個(gè)區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)；3個(gè)電極：發(fā)射極、基極、集電極。發(fā)射區(qū)與基區(qū)間的PN結(jié)叫發(fā)射結(jié)，集電區(qū)與基區(qū)間的PN結(jié)叫集電結(jié)。

3個(gè)半導(dǎo)體區(qū)的不同組合方式，三極管又可分為NPN型和PNP型。圖6.3.1NPN型晶體管

圖6.3.2PNP型晶體管

PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：基區(qū)很薄，一般只有幾微米的寬度，而且雜質(zhì)濃度很低。發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)高于基區(qū)的雜質(zhì)濃度，以便于有足夠的載流子供“發(fā)射”。集電區(qū)的面積較大，以利于收集載流子。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.3.2三極管的電流放大原理多數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)多數(shù)載流子越過發(fā)射結(jié)向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。

進(jìn)入基區(qū)的電子，向集電結(jié)方向擴(kuò)散，由于集電結(jié)反偏，在內(nèi)電場作用下，大量漂移到集電區(qū)，形成集電極電流IC。

在基區(qū)中，擴(kuò)散到集電區(qū)的電子數(shù)與復(fù)合的電子數(shù)的比例決定晶體管的放大能力。復(fù)合電子數(shù)只占很小的一部分，即IB遠(yuǎn)小于IC。晶體管的電流放大原理就是用較小的基極電流IB去控制較大的集電極電流IC。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)圖6.3.3三極管的電流放大原理示意圖

少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)發(fā)射結(jié)兩邊的少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)較弱，不考慮其影響，但由于集電結(jié)反偏，其內(nèi)電場增強(qiáng)，集電結(jié)兩邊的少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，所形成的電流用ICBO表示，稱為反向飽和電流。晶體管是一種雙極型半導(dǎo)體器件。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.3.3晶體管的伏安特性曲線輸入特性曲線：UCE為一定值時(shí)，基極電流IB與基-射極電壓UBE之間的關(guān)系曲線。數(shù)學(xué)表達(dá)式：晶體管的輸入特性曲線與二極管伏安特性曲線相似，也有一段死區(qū)，硅管約為0.5V，鍺管約為0.1V。晶體管正常工作時(shí)UBE變化很小，硅管約0.6V～0.8V，鍺管約0.2V～0.3V。圖6.3.5晶體管的輸入特性曲線

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輸出特性曲線:指基極電流IB為一定值時(shí)，集電極電流IC與集-射極間電壓UCE之間的關(guān)系曲線。數(shù)學(xué)表達(dá)式：工程上一般把輸出特性曲線分為三個(gè)區(qū)域：截止區(qū)：IB=0以下的區(qū)域。集電極只有很小的穿透電流ICEO，晶體管可截止。飽和區(qū)：IC與IB的關(guān)系呈飽和狀態(tài)。放大區(qū)：UCE在1V以上，集電極電流IC基本上不隨UCE變化，晶體管具有近似恒流源的特性。晶體管工作于放大區(qū)，有電流放大作用，是許多放大電路的核心。晶體管工作于飽和區(qū)與載止區(qū)，有開關(guān)作用，可構(gòu)成各種脈沖數(shù)字開關(guān)電路。

晶體管的應(yīng)用PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.3.4晶體管的主要參數(shù)共發(fā)射極電流放大系數(shù)，用表示：共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)，用表示：溫度每升高1℃，

值約增加0.5%～1%

共發(fā)射極電流PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)極間反向電流集電極-基極反向飽和電流ICBO是發(fā)射極開路時(shí)，集電極-基極間的反向電流。它受溫度變化的影響特別大。集電極-發(fā)射極反向電流ICEO是基極開路（IB=0）時(shí)，集電結(jié)反偏、發(fā)射結(jié)正偏時(shí)的電流。又稱為穿透電流。溫度穩(wěn)定性差是晶體管的一個(gè)主要缺點(diǎn)。圖6.3.7ICEO與ICBO的關(guān)系PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)晶體管的極限參數(shù)集電極最大允許電流ICM，集電極電流IC超過一定數(shù)值后，電流放大系數(shù)顯著下降。當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流，稱為集電極最大允許電流ICM。集-射極擊穿電壓U(BR)CEO，它是基極開路時(shí)(IB=0)，能加在集-射極之間的最大允許電壓。

集電極最大允許耗散功率PCM，集電極消耗的功率可用集電極耗散功率PC=ICUCE表示，根據(jù)晶體管工作時(shí)允許的集電結(jié)最高溫度(鍺管約為70℃，硅管約為150℃)，定出了集電極最大允許耗散功率PCM，晶體管工作時(shí)應(yīng)滿足ICUCE<PCM的條件。晶體管的頻率特性參數(shù)PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)圖6.3.8晶體管的安全工作區(qū)

圖6.3.9晶體管的頻率特性曲線

特種三極管肖特基三極管、

光電三極管、光電耦合管PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.4場效應(yīng)管場效應(yīng)管也是一種半導(dǎo)體器件，它利用電場的效應(yīng)來控制固體材料的導(dǎo)電能力。它的最大優(yōu)點(diǎn)是具有極高的輸入電阻，其噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、制造工藝簡單。6.4.1N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理

UGS=0，P型襯底上不能形成可以導(dǎo)電的溝道。圖6.4.1N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)圖6.4.2N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的工作原理UGS超過某一臨界值以后，形成N型導(dǎo)電溝道。柵極電壓UGS愈大，N型溝道愈厚，溝道電阻愈小。在漏、源之間接上電源，如圖6.4.2(b)，形成漏極電流ID，管子導(dǎo)通。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.4.2N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的伏安特性和主要參數(shù)當(dāng)漏源電壓UDS一定時(shí)，漏極電流ID和柵源電壓UGS之間的關(guān)系曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。ID與UGS之間的關(guān)系為說明柵源輸入電壓UGS對漏極輸出電流ID的控制特性，如圖6.4.3(b)。

圖6.4.3N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的伏安特性曲線

PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)當(dāng)柵源電壓一定時(shí)，漏極電流ID和漏源電壓UDS之間的關(guān)系曲線，叫做漏極特性曲線。ID與UDS之間的關(guān)系為Ⅰ區(qū)，UDS對溝道的影響較小。導(dǎo)電溝道主要受柵源電壓的控制。ID基本上與UDS成線性關(guān)系。可把該區(qū)看作是一個(gè)受柵源電壓UGS控制的可變電阻區(qū)，也稱非飽和區(qū)。Ⅱ區(qū)，當(dāng)UDS增大到UDS=UGS-UT時(shí)，UGD=UT，ID基本不變，趨于飽和，稱為飽和區(qū)或恒流區(qū)。ID的大小僅受UGS的控制。Ⅲ區(qū)，UDS進(jìn)一步增大，在柵、漏和柵、源間都可能擊穿，稱擊穿區(qū)。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.4.3MOS管的4種基本類型及其特點(diǎn)圖6.4.44種絕緣柵型場效應(yīng)管的電路符號(hào)P溝道MOS管，稱為PMOS。N溝道MOS管，稱為NMOS。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)6.4.4使用場效應(yīng)管的注意事項(xiàng)使用場效應(yīng)管時(shí)，要注意各電極電壓的極性不能搞錯(cuò)，要注意各電壓、電流、耗散功率等數(shù)值不能超過最大允許值。絕緣柵管保存和使用不當(dāng)時(shí)，極易造成管子