第1章半導(dǎo)體器件義烏工商學(xué)院課件

義烏工商學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系電子技術(shù)第1章半導(dǎo)體器件主要內(nèi)容：

1.1PN結(jié)1.2半導(dǎo)體二極管1.3特殊二極管1.4雙極型三極管1.5場(chǎng)效應(yīng)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?qǐng)鲂?yīng)管結(jié)構(gòu)、類型和特性；6、掌握?qǐng)鲂?yīng)管的特性曲線和主要參數(shù)。

1.1PN結(jié)半導(dǎo)體器件是用半導(dǎo)體材料制成的電子器件。常用的半導(dǎo)體器件有二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。半導(dǎo)體器件是構(gòu)成各種電子電路最基本的元件。1.1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特征半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅(Si)、鍺(Ge)。硅和鍺是4價(jià)元素，原子的最外層軌道上有4個(gè)價(jià)電子。本征半導(dǎo)體:純凈的半導(dǎo)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(duì)。1、共價(jià)鍵：每個(gè)原子周圍有四個(gè)相鄰的原子，兩個(gè)相鄰原子共用一對(duì)電子，形成共價(jià)鍵，將原子之間通過緊密結(jié)合在一起。1．幾個(gè)概念共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子2、載流子：在絕對(duì)0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)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(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)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(jià)鍵中的價(jià)電子很容易過來填補(bǔ)這個(gè)空穴，這樣空穴便轉(zhuǎn)移到鄰近共價(jià)鍵中。新的空穴又會(huì)被鄰近的價(jià)電子填補(bǔ)。帶負(fù)電荷的價(jià)電子依次填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)，從效果上看，相當(dāng)于帶正電荷的空穴作相反方向的運(yùn)動(dòng)。本征半導(dǎo)體中有兩種載流子：帶負(fù)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(duì)出現(xiàn)的，電子和空穴又可能重新結(jié)合而成對(duì)消失，稱為復(fù)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(yùn)動(dòng)

（1）N型半導(dǎo)體

在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入磷、砷等5價(jià)元素，由于這類元素的原子最外層有5個(gè)價(jià)電子，故在構(gòu)成的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中，由于存在多余的價(jià)電子而產(chǎn)生大量自由電子，這種半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)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(dǎo)體——在純凈半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力將大大增強(qiáng)+4+4+5+4多余電子磷原子自由電子多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子）空穴

少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）N型半導(dǎo)體中的載流子（2）P型半導(dǎo)體

在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價(jià)元素，由于這類元素的原子最外層只有3個(gè)價(jià)電子，故在構(gòu)成的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中，由于缺少價(jià)電子而形成大量空穴，這類摻雜后的半導(dǎo)體其導(dǎo)電作用主要靠空穴運(yùn)動(dòng)，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)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?？昭ǘ鄶?shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子）自由電子

少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）+4+4+3+4空穴硼原子2、P型半導(dǎo)體注意：1、無論是P型半導(dǎo)體還是N型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)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?zèng)Q定于溫度?？偨Y(jié)2.N型半導(dǎo)體中電子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，N型半導(dǎo)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(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。3.P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。1.本征半導(dǎo)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(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。半導(dǎo)體中載流子有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式。漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：在半導(dǎo)體中，如果載流子濃度分布不均勻，因?yàn)闈舛炔?，載流子將會(huì)從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)。

P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)

多子擴(kuò)散

形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)

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(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，內(nèi)電場(chǎng)削弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大大超過漂移運(yùn)動(dòng)，N區(qū)電子不斷擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)空穴不斷擴(kuò)散到N區(qū)，形成較大的正向電流，這時(shí)稱PN結(jié)處于導(dǎo)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(fù)極接N區(qū)。外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)→耗盡層變窄→擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)＞漂移運(yùn)動(dòng)→多子擴(kuò)散形成正向電流IF（導(dǎo)通）

外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)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(fù)極接P區(qū)。

外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同。外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)→耗盡層變寬→漂移運(yùn)動(dòng)＞擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)→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(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；2、PN結(jié)加反向電壓時(shí)，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(dǎo)體二極管1.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)

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

點(diǎn)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(guān)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(dǎo)體二極管的伏安特性（1）正向特性

外加正向電壓較小時(shí)，外電場(chǎng)不足以克服內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散的阻力，PN結(jié)仍處于截止?fàn)顟B(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(dǎo)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(shí)，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，反向電流

很小。反向電壓大于擊穿電壓時(shí)，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(fù)。熱擊穿—PN結(jié)燒毀。（1）最大整流電流IOM：指管子長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，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(shí)的電壓值。（3）最大反向工作電壓UDRM：二極管運(yùn)行時(shí)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(shí)的反向電流，其值越小，則管子的單向?qū)щ娦栽胶?。?）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(dǎo)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(shí)，因結(jié)電容很小，對(duì)PN結(jié)影響很小。高頻時(shí)，因容抗增大，使結(jié)電容分流，導(dǎo)致單向?qū)щ娦宰儾睢?.結(jié)面積小時(shí)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(shí)為短路特性，正向壓降忽略不計(jì)；反向電阻為無窮大，反向截止時(shí)為開路特性，反向漏電流忽略不計(jì)?！纠?】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(shí)IO和UO的值。[解]：VDD=2V理想U(xiǎn)O=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(shè)V1、V2均為理想二極管，當(dāng)輸入電壓UA、UB為低電壓0V和高電壓5V的不同組合時(shí)，求輸出電壓UO的值?！菊n堂練習(xí)】習(xí)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(dǎo)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(shí)的電流。

（3）動(dòng)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(yīng)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(guān)系是：PZ=UZIZM穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax?！匠?要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動(dòng)時(shí)，負(fù)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(yīng)用舉例令輸入電壓降到下限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin。——方程2uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程1、2，可解得：1.3.2發(fā)光二極管

當(dāng)發(fā)光二極管的PN結(jié)加上正向電壓時(shí)，電子與空穴復(fù)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(huì)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(yīng)快、體積小、可靠性高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，是一種很有用的半導(dǎo)體器件，常用于信號(hào)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(shí)光照導(dǎo)通。反向電流隨光照強(qiáng)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(hào)

半導(dǎo)體三極管是由兩個(gè)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(dǎo)電，故又稱為雙極型晶體管，簡(jiǎn)稱晶體管或三極管。

兩個(gè)PN結(jié)，把半導(dǎo)體分成三個(gè)區(qū)域。這三個(gè)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(shí)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(kuò)散與復(fù)合，形成基極電流iBc）集電區(qū)收集擴(kuò)散過來的電子，形成集電極電流iC（3）電流分配關(guān)系：iE=iC+iB

實(shí)驗(yàn)表明IC比IB大數(shù)十至數(shù)百倍，因而有IB雖然很小，但對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)，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(dāng)UCE=10V時(shí)，則IC<10mA當(dāng)UCE=1V時(shí)，則IC<20mA當(dāng)IC=2mA時(shí)，則UCE<20V

1.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.5.1絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)DSG襯底DSG襯底N溝道絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)DSG襯底DSG襯底P溝道絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)P溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)耗盡型：UGS=0時(shí)漏、源極之間已經(jīng)存在原始導(dǎo)電溝道。增強(qiáng)型：UGS=0時(shí)漏、源極之間才能形成導(dǎo)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(dǎo)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(chǎng)效應(yīng)管的工作原理與特性曲線1、N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線

UGS=0時(shí)：耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管存在原始導(dǎo)電溝道，漏、源極之間就可以導(dǎo)電。這時(shí)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(shí)：溝道內(nèi)感應(yīng)出的負(fù)電荷增多，溝道加寬，溝道電阻減小，ID增大。UGS<0時(shí)：會(huì)在溝道內(nèi)產(chǎn)生出正電荷與原始負(fù)電荷復(fù)合，溝道變窄，溝道電阻增大，ID減小。UGS達(dá)到一定負(fù)值時(shí)，溝道內(nèi)載流子全部復(fù)合耗盡，溝道被夾斷，ID=0，這時(shí)的UGS稱為夾斷電壓UGS(off)。2、N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線

UGS=0時(shí)：增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管不存在原始導(dǎo)電溝道，場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通，ID=0。

UGS>0時(shí)：會(huì)產(chǎn)生垂直于襯底表面的電場(chǎng)。P型襯底與絕緣層的界面將感應(yīng)出負(fù)電荷層，UGS增加，負(fù)電荷數(shù)量增多，積累的負(fù)電荷足夠多時(shí)，兩個(gè)N+區(qū)溝通，形成導(dǎo)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(dǎo)通轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的臨界柵、源電壓稱為開啟電壓UGS(th)。

UGS<UGS(th)時(shí)，ID=0；

UGS>UGS(th)時(shí)，隨UGS的增加ID增大。漏極特性曲線的兩個(gè)區(qū)域：在虛線左邊的區(qū)域：漏、源電壓UDS相對(duì)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(dāng)柵、源電壓UGS為常數(shù)時(shí)，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(shí)，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(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制器件。場(chǎng)效應(yīng)管柵、源電壓UGS對(duì)漏極ID控制作用的大小用跨導(dǎo)gm表示：1.5.3絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)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(dǎo)gm。gm表示場(chǎng)效應(yīng)管柵、源電壓UGS對(duì)漏極ID控制作用的大小，單位是μA/V或mA／V