1、半导体基础与器件第一章本章导读自然界中的物质，按导电能力的不同，可分为导体和绝缘体。人们又发现还有一类物质，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，那就是半导体。电子技术是利用半导体器件完成对电信号处理的技术，它包括模拟电子技术和数字电子技术两大部分。当被处理的电信号在时间和数值上都是连续变化的信号时，我们称为模拟信号；处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。当被处理的电信号为不连续变化、只有在其高低电平中包含有信号时，我们称电路为数字信号；处理数字信号的电子电路称为数字电路。组成模拟电路和数字电路的最基本的器件都是二极管、三极管和场效应管等半导体器件。半导体基础与器件半导体的基本特性1.1半导体二极
2、管1.2半导体三极管1.3场效应管1.4第一章半导体的基本特性1.11.1.1半导体半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。目前用来制造半导体器件的材料主要是锗和硅，它们都是4价元素，具有晶体结构，如图1-1所示。在常温下，大多数的价电子均被束缚在原子周围，不易自由移动，只有少量的价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，自由电子逸出的空位就形成空穴。完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。由于在常温状况下，纯净半导体内的自由电子和空穴浓度很低，所以导电能力也较弱。图1-1 半导体晶体结构示意图半导体的基本特性1.11.1.2N型半导体和P型半导体N型半导体是在纯净半导体硅或锗中掺入微量磷
3、、砷等5价元素，这类杂质半导体特点是：自由电子数量多，空穴数量少，参与导电的主要是带负电的自由电子，故又称为电子型半导体。P型半导体是在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素。这类掺杂导体的特点是：空穴数量多，自由电子数量少，参与导电的主要是带正电的空穴，故又称为空穴型半导体。半导体的基本特性1.11.1.3PN结及单向导电特性采用掺杂工艺，使硅或锗的一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体区域，在P区和N区的交界面形成一个具有特殊电性能的空间电荷区薄层，称为PN结。PN结正偏：PN结P区的电位高于N区的电位称为正向偏置，简称正偏。PN结反偏：PN结P区的电位低于N区的电位称为反向偏置，简称反
4、偏。图1-2 PN结示意图 半导体的基本特性1.11.1.3PN结及单向导电特性PN结正向偏置时，呈现低阻性，可称为导通；PN结反向偏置时，呈现高阻性，可称为截止。这种特性称为PN结的单向导电性。单向导电性PN结两端外加的反向电压增加到一定值时，反向电流急剧增大，称为PN结的反向击穿。若反向电流增大并超过允许值，会使PN结烧坏，称为热击穿。PN结具有一定的电容效应，该电容称为PN结的结电容。反向击穿热击穿结电容半导体二极管1.21.2.1二极管的结构与符号电子产品中有各种不同封装形式的二极管，二极管通常用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳，外壳上一般印有标记以便区别正负电极。如图1-3、图1-4
5、、图1-5、图1-6所示。外形1半导体二极管1.21.2.1二极管的结构与符号电子产品中有各种不同封装形式的二极管，二极管通常用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳，外壳上一般印有标记以便区别正负电极。如图1-3、图1-4、图1-5、图1-6所示。外形1半导体二极管1.21.2.1二极管的结构与符号由于管芯结构不同，二极管又分为点接触型(如图1-7a)、面接触型(如图1-7b)和平面型(如图1-7c)。结构2半导体二极管1.21.2.1二极管的结构与符号如图1-8所示，箭头表示正向导通电流的方向。符号3图1-8 二极管的正负极半导体二极管1.21.2.1二极管的结构与符号导电特性4为了观察二极管的
6、导电特性，将二极管(如1N4004)联到电池和小灯泡组成的电路中。如图1-9所示。图1-9 二极管的单向导电性实验c半导体二极管1.2 1.2.2二极管的特性与参数二极管的导电性能由加在二极管两端的电压和流过二极管的电流来决定，这两者之间的关系称为二极管的伏安特性。图1-10 二极管伏安特性测试电路半导体二极管1.2 1.2.2二极管的特性与参数1 1二极管的正向特性(1)当正向电压较小时，正向电流极小，称为死区，死区电压：硅0.5 V，锗0.2 V。(2)当正向电压大于死区电压时，电流随电压增大而急剧增大，二极管导通。(3)二极管导通后，两端电压基本稳定，一般硅为0.7 V，锗为0.3 V。
7、半导体二极管1.2 1.2.2二极管的特性与参数2 2二极管的反向特性(1)当加反向电压时，二极管反向电阻很大，电流极小，此时电流称为反向饱和电流。(2)当反向电压不超过反向击穿电压时，反向饱和电流几乎与反向电压无关。(3)当反向电压不断增大到一定数值时，反向电流就会突然增大，这种现象称为反向击穿。普通二极管不允许出现此种状态。有一种专用二极管(习称稳压二极管)可工作于此状态。图1-11 硅二极管的伏安特性曲线半导体二极管1.2 1.2.2二极管的特性与参数3 3半导体二极管的主要参数(1)最大整流电流 IFM：二极管允许通过的最大正向工作电流平均值。(2)最高反向工作电压 VRM：二极管允许
8、承受的反向工作电压峰值，也叫反向击穿电压。(3)反向漏电流 IR：是指在规定的反向电压和环境温度下的二极管反向电流值。IR越小，二极管的单向导电性能越好。3121RMV半导体二极管1.2 1.2.2二极管的特性与参数例1-1 有同型号的二极管三只,测得数据如下表1-1所示,试问哪个管子性能好?解:甲管单向导电性能最好,因为它耐压高,反向电流小,正向电压相同的情况下,正向电流大。表1-1 二极管性能比较半导体二极管1.21.2.3特殊二极管及应用1 1稳压二极管图1-13 稳压管电路符号图1-12 稳压管外形 半导体二极管1.21.2.3特殊二极管及应用2 2发光二极管图1-15 发光二极管电路
9、符号图1-14 发光二极管实物图半导体三极管1.31.2.3特殊二极管及应用1晶体三极管的基本结构(1)外形。近年来生产的小、中功率管多采用硅酮塑料封装；大功率三极管多采用金属封装，通常做成扁平形状并有安装孔。图1-16所示，为各种不同封装的晶体三极管。图1-16 晶体三极管的各种外形半导体三极管1.31.3.1三极管的结构1晶体三极管的基本结构(2)三极管的结构。三极管的核心是两个互相联系的PN结，PN结的组合方式不同，构成不同极性的三极管，即PNP型和NPN型两类。见图1-17。图1-17 三极管的结构示意图半导体三极管1.31.3.1三极管的结构1晶体三极管的基本结构(3)特点发射区掺杂
10、浓度较大，以利于发射区向基区发射载流子。基区很薄，掺杂少，载流子易于通过。集电区比发射区体积大且掺杂少，收集载流子。注意：三极管并不是两个PN结的简单组合，不能用两个二极管代替。半导体三极管1.31.3.1三极管的结构2分类三极管的种类很多，通常按以下方法进行分类：(1)按半导体制造材料可分为：硅管和锗管。硅管受温度影响较小、工作稳定，因此在电子产品中常用硅管。(2)按三极管内部基本结构可分为：NPN型和PNP型两类。(3)按工作频率可分为：高频管和低频管。工作频率高于3MHz为高频管，工作频率在3MHz以下为低频管。(4)按功率可分为：小功率管和大功率管。耗散功率小于1W为小功率管，耗散功率
11、大于1W为大功率管。(5)按用途可分为：普通放大三极管和开关三极管等。半导体三极管1.31.3.1三极管的结构3图形符号三极管的图形符号如图1-18所示。图1-18 三极管的图形符号半导体三极管1.31.3.2三极管的电流放大作用1电流分配关系三极管的特殊构造，使三极管具有特殊作用。(1)NPN型三极管电流分配实验电路如图1-21所示。图1-21 三极管电流分配实验电路半导体三极管1.31.3.2三极管的电流放大作用1电流分配关系三极管的特殊构造，使三极管具有特殊作用。(1)三极管三个电极上的电流分配实验数据如表1-2。表1-2三极管三个电极上的电流分配半导体三极管1.31.3.2三极管的电流
12、放大作用 2电流放大作用由表 1-2 的数据可看出，当基极电流 IB 由 0.03 mA 变到 0.04 mA 时，集电极电流IC由 1.74 mA 变到 2.33 mA。上面两个变化量之比为(1)当IB有较小变化时，IC就有较大变化。(2)直流电流放大系数(3)交流电流放大系数95mA01.0mA95.0BCII BCIIBCII半导体三极管1.31.3.2三极管的电流放大作用 2电流放大作用显然,(1-2)和(1-3)两式的意义是不同的。前者反映的是静态(直流工作状态)时集电极与基极电流之比，而后者反映的是动态(交流工作状态)时三极管的电流放大特性。即(4)IC与IB之间的关系为：IC I
13、BICEO上式中，当基极开路，IB=0时，集电极有一个小于1微安的电流流向发射极，这个电流称为穿透电流，用 ICEO表示。IBICEO,故 ICEO 一般可忽略,即 ICIB。半导体三极管1.31.3.3三极管在放大电路中的三种连接方式1三极管的工作电压(1)三极管工作在放大状态时，发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压。如图1-19所示。(2)偏置电压：基极与发射极之间的电压。图1-19 三极管工作电路示意图半导体三极管1.31.3.3三极管在放大电路中的三种连接方式2三极管在电路中的基本连接方式在实际放大电路中，除了共发射极连接方式外，还有共集电极和共基极连接方式，这三种连接方法即构成
14、单管放大器的三种组态，其差异是采用了不同电极作为公共端。图1-20 三极管的三种基本连接方式半导体三极管1.31.3.4三极管的伏安特性曲线及工作区图1-22为三极管特性测试电路。左边为基极和发射极组成的回路称输入回路，右边由集电极和发射极组成的回路称为输出回路。图1-22 三极管输入、输出特性测试实验电路半导体三极管1.31.3.4三极管的伏安特性曲线及工作区三极管的特性曲线分为输入特性曲线和输出特性曲线两种。三极管的特性曲线可根据实验数据绘出，也可由晶体管特性图示仪直接测绘出。图1-23 输入特性曲线图1-24 输出特性曲线半导体三极管1.31.3.4三极管的伏安特性曲线及工作区三极管工作
15、状态由偏置情况决定。见表1-3。工作状 态放 大截 止饱 和PN结发射结正偏集电结反偏发射结反偏或零偏发射结正偏集电结正偏NPNVCVBVEVBVEVBVE，VCVEPNPVCVBVEVBVEVBVE，VCVE表1-3三极管的不同工作状态半导体三极管1.3 1.3.5三极管的参数及选用1三极管的主要性能参数(1)共发射极电流放大系数。(2)反向饱和电流。2三极管的主要极限参数(1)集电极最大允许电流ICM。(2)集电极最大允许耗散功率PCM。(3)集电极发射极反向击穿电压UCEO。3.国产半导体器件的命名方法第一部分：用阿拉伯数字表示器件的电极数目；第二部分：用英文字母表示器件的材料和极性；第
16、三部分：用汉语拼音字母表示器件的类型；第四部分：用阿拉伯数字表示序号；第五部分：用汉语拼音字母表示规格号。场效应管1.41.4.1结型场效应管1 1分类、符号及外形图图1-31 结型场效晶体管的电路符号图1-32 结型场效晶体管外形图场效应管1.41.4.1结型场效应管2 2工作原理图1-33 N沟道结型场效应晶体管工作电路示意图(1)电路连接。N沟道结型场效应晶体管工作电路连接见图1-33。(2)工作原理。当UGS=0，N沟道在 作用下，形成电流ID，此时，电流ID最大。当UGS PN结受反向偏压PN结加宽N沟道变窄电阻变大ID减小。当UGS 达到一定值，PN结变得较宽，以至N沟道被两边PN
17、结夹断，则ID=0。结论：通过调节 可控制漏极电流ID的变化；P沟道与N沟道工作原理相同(UGS 0，UGS 0)；使PN结反偏；场效应晶体管只有多数载流子导电，称为单极晶体管。场效应管1.41.4.1结型场效应管3 3结型场效应晶体管的特性曲线(1)结型场效应晶体管测试电路如图1-34(N沟道为例)。(2)转移特性曲线。反映ID 随 变化关系的曲线称为转移特性曲线。N沟道结型场效应晶体管的转移特性曲线见图1-35。(3)输出特性曲线。当 一定时，ID 与 的关系曲线，称为输出特性曲线。N沟道结型场效应晶体管的转移特性曲线见图1-36。图1-34 场效应晶体管测试电路场效应管1.41.4.1结
18、型场效应管3 3结型场效应晶体管的特性曲线(1)结型场效应晶体管测试电路如图1-34(N沟道为例)。(2)转移特性曲线。反映ID 随 变化关系的曲线称为转移特性曲线。N沟道结型场效应晶体管的转移特性曲线见图1-35。(3)输出特性曲线。当 一定时，ID 与 的关系曲线，称为输出特性曲线。N沟道结型场效应晶体管的转移特性曲线见图1-36。图1-35 转移特性曲线场效应管1.41.4.1结型场效应管3 3结型场效应晶体管的特性曲线(1)结型场效应晶体管测试电路如图1-34(N沟道为例)。(2)转移特性曲线。反映ID 随 变化关系的曲线称为转移特性曲线。N沟道结型场效应晶体管的转移特性曲线见图1-3
19、5。(3)输出特性曲线。当 一定时，ID 与 的关系曲线，称为输出特性曲线。N沟道结型场效应晶体管的转移特性曲线见图1-36。图1-36 输出特性曲线场效应管1.41.4.2绝缘栅场效应管1 1分类、符号及外形图(1)分类。分为N沟道增强型、P沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道耗尽型四种类型。(2)电路符号。四种场效晶体管的电路符号如图1-25所示。图1-25 四种绝缘栅场效应晶体管的电路符号场效应管1.41.4.2绝缘栅场效应管2 2结构和工作原理图1-27 N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管图1-28 工作原理示意图场效应管1.41.4.2绝缘栅场效应管3 3N沟道增强型MOSFET的转移特性和
20、输出特性图1-29 转移特性曲线(1)转移特性。在漏源电压 为确定值时，漏极电流 与栅源电压 之间的关系曲线，称为转移特性。N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线如图1-29所示。当 VT 时，ID=0；当 VT 时，ID随 的。(2)N沟道增强型MOSFET的输出特性曲线如图1-30所示。场效应管1.41.4.2绝缘栅场效应管3 3N沟道增强型MOSFET的转移特性和输出特性图1-30 输出特性曲线(1)转移特性。在漏源电压uDS为确定值时，漏极电流 iD与栅源电压uGS之间的关系曲线，称为转移特性。N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线如图1-29所示。当 UGSVT 时，ID=0；当 U
21、GS VT 时，ID随 的。(2)N沟道增强型MOSFET的输出特性曲线如图1-30所示。场效应管1.41.4.2绝缘栅场效应管3 3N沟道增强型MOSFET的转移特性和输出特性当 UGS UT且一定时，三个区域特点比较见表1-5。表1-5 输出特性曲线的三个区域特点场效应管1.41.4.3场效应晶体管的主要参数和特点1 1场效应晶体管的主要参数(1)开启电压UT：指UDS为定值时，使增强型绝缘栅场效应管开始导通的栅源电压。(2)夹断电压UP：指UDS为定值时，使耗尽型绝缘栅场效应管处于刚开始截止的栅源电压，N沟道管子的UP为负值，属耗尽型场效应管的参数。(3)跨导gm：指 为定值时，栅源输入
22、信号UGS与由它引起的漏极电流ID之比，这是表征栅源电压UGS对漏极电流ID控制作用大小的重要参数。(4)最高工作频率fM：它是保证管子正常工作的频率最高限额。场效应管三个电极间存在极间电容，极间电容小的管子最高工作频率高，工作速度快。(5)漏源击穿电压U(BR)DS：指漏源极之间允许加的最大电压，实际电压值超过该参数时，会使PN结反向击穿。(6)最大耗散功率PDSM：指ID与UDD的乘积不应超过的极限值，是从发热角度对管子提出的限制条件。场效应管1.41.4.3场效应晶体管的主要参数和特点2 2场效应晶体管与普通三极管特点比较半导体基础与器件第一章本 章 小 结半导体具有热敏性、光敏性和掺杂
23、性，因而成为制造电子元器件的关键材料。二极管是由一个PN结构成，其最主要的特性是具有单向导电性，二极管的特性可由伏安特性曲线准确描述。选用二极管必须考虑最大整流电流、最高反向工作电压两个主要参数，工作于高频电路时还应考虑最高工作频率。特殊二极管主要有稳压二极管、发光二极管、光电二极管等。稳压管是利用它在反向击穿状态下的恒压特性来构成稳定工作电压的电路。发光二极管起着将电信号转换为光信号的作用，而光电二极管则是将光信号转换为电信号。半导体基础与器件第一章本 章 小 结三极管是一种电流控制器件，有NPN型和PNP型两大类型。三极管内部有发射结、集电结两个PN结，外部有基极、集电极、发射极三个电极。
24、在发射结正偏、集电结反偏的条件下，具有电流放大作用；在发射结和集电结均反偏时处于截止状态。在发射结和集电结均正偏时处于饱和状态。三极管的放大功能和开关功能得到广泛的应用。三极管的特性曲线和参数是正确运用器件的依据，根据它们可以判断管子的质量以及正确使用的范围。表示电流放大能力大小；PCM、ICM、V(BR)CEO 规定了三极管的安全运用范围；ICEO、ICBO反映了管子温度稳定性。半导体基础与器件第一章本 章 小 结场效晶体管是一种电压控制器件，分为绝缘栅型和结型两大类，每类又有P沟道和N沟道的区分。场效晶体管用转移曲线和输出曲线来表征管子的性能。场效晶体管的三个工作区域是：可调电阻区、放大区(或饱和区)和击穿区。MOS 管是一种电压控制器件。MOS 管的优点是：输入阻抗高、受幅射和温度影响小、集成工艺简单。超大规模集成电路主要用 MOS 管。
