1、第1章 半导体器件 第第1章章 半导体材料及常用半导体器件半导体材料及常用半导体器件 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 1.2PN结结 1.3 半导体二极管半导体二极管 1.4 晶体管晶体管1.5 场效应管场效应管 1.6 常用半导体器件的应用与电路设常用半导体器件的应用与电路设计计第1章 半导体器件 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 1.1.1 导体、绝缘体和半导体。自然界中很容易导电的物质称为导体，导体大多为低价元素,其最外层电子受原子核的束缚力很小,因此容易挣脱原子核的束缚成为自由电子。在外电场作用下,这些自由电子产生定向运动形成电流，呈现出良好的导电性能。金属一般都是良好的导体
2、，如银、铜、铝和铁等金属。有的物质几乎不导电，称为绝缘体。另外还有一类物质的导电能力处于导体和绝缘体之间，称为半导体。半导体的导电机理具有不同于其它物质的特点，它有三个很重要的特性，即热敏特性、光敏特性和掺杂特性。第1章 半导体器件 1.1.2 本征半导体本征半导体 纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和锗,它们都是四价元素,在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。为便于讨论,采用图 1.1.1所示的简化原子结构模型。把硅或锗材料拉制成单晶体时,相邻两个原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子,它们一方面围绕自身的原子核运动,另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不
3、仅受到自身原子核的作用,同时还受到相邻原子核的吸引。于是,两个相邻的原子共有一对价电子,组成共价键结构。故晶体中,每个原子都和周围的个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来,如图1.1.2所示。第1章 半导体器件 4硅和锗简化原子结构模型 4共价键价电子44444444本征半导体共价键晶体结构示意图 第1章 半导体器件 444444444自由电子空穴 共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量,其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子,同时必然在共价键中留下空位,称为空穴。空穴带正电,如图所示。本征半导体中的自由电子和空穴 第1章 半导体器件 由此可见,半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电
4、子和带正电的空穴。本征半导体中,自由电子与空穴是同时成对产生的,因此,它们的浓度是相等的。我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度,即ni=pi,下标i表示为本征半导体。对于特定的半导体材料而言，本征载流子的浓度主要取决于温度。随着温度的升高,基本上按指数规律增加。理论分析表明，本征半导体载流子的浓度为：/(2)3/2gEkTiinpATe第1章 半导体器件 可以看出，当温度等于热力学温度0K时，本征半导体中虽然有大量的价电子，但载流子的浓度等于零，半导体不导电，相当于绝缘体。通过上面分析知道,半导体载流子浓度对温度十分敏感。一方面可以利用此特性做成光敏元件和热敏元件，另一方面此特性也是造成半导体
5、器件温度稳定性差的原因。因此,半导体载流子浓度对温度十分敏感。对于硅材料,大约温度每升高,本征载流子浓度ni增加 1 倍；对于锗材料,大约温度每升高,增加 1 倍。除此之外,半导体载流子浓度还与光照有关,人们正是利用此特性,制成光敏器件。第1章 半导体器件 1.1.3 杂质半导体杂质半导体 1.型半导体型半导体 在本征半导体中,掺入微量价元素,如磷、锑、砷等,则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有个价电子,因此它与周围个硅(锗)原子组成共价键时,还多余 1 个价电子。它不受共价键的束缚,而只受自身原子核的束缚,因此,它只要得到较少的能量就能成为自由电子,并留下带正
6、电的杂质离子,它不能参与导电,如图.1.3所示。显然,这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度,即nnpn(下标表示是型半导体),主要靠电子导电,所以称为型半导体。由于价杂质原子可提供自由电子,故称为施主杂质。型半导体中,自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。第1章 半导体器件 444454444键外电子施主原子N型半导体共价键结构第1章 半导体器件 杂质半导体中多数载流子浓度主要取决于掺入的杂质浓度。由于少数载流子是半导体材料共价键提供的,因而其浓度主要取决于温度。此时电子浓度与空穴浓度之间,可以证明有如下关系：212111pnpnpnnn 即在一定温度下,电子浓度与空穴浓度的乘积是
7、一个常数,与掺杂浓度无关。第1章 半导体器件 2.P型半导体型半导体 在本征半导体中,掺入微量价元素,如硼、镓、铟等,则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。444444444空位受主原子P型半导体的共价键结构 第1章 半导体器件 v注意:杂质半导体（N型半导体或P型半导体）虽然存在两种载流子（多子和少子）参与导电，但半导体整体显电中性。多数载流子的浓度主要所掺杂质的浓度，少数载流子的浓度取决于本征激发（和光照和温度密切相关），温度是影响半导体器件性能的一个很重要的因素之一。当半导体中的同一区域中既有施主杂质又有受主杂质时，则半导体的类型取决于浓度大的杂质浓度。因此，当P型半导体中掺入浓
8、度更大的施主杂质时将变为N型半导体,反之亦然。第1章 半导体器件 v单纯的杂质半导体和本征半导体相比仅仅是提高了导电性能，一般只能制作电阻器件，而无法制成半导体器件。如果采用一定的掺杂工艺，在一块本征半导体的两边分别掺入不同的杂质，则半导体的一边成为N型半导体，另一边就成为P型半导体了。由于两种杂质半导体的相互作用在其交界出形成了一个很薄（数量级）的特殊导电层，这就是PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。1.结结 第1章 半导体器件 1.2.1 PN结的形成结的形成一、多数载流子的扩散运动和空间电荷区的建立一、多数载流子的扩散运动和空间电荷区的建立二、内电场的建立及其作用二、内电场的建立及
9、其作用 P(a)多数载流子的扩散运动NP(b)平衡时阻挡层形成N耗尽层空间电荷区自建场PN结的形成 第1章 半导体器件 1.2.2 结的单向导电特性结的单向导电特性 1.结外加正向电压结外加正向电压 若将电源的正极接区,负极接区,则称此为正向接法或正向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相反,削弱了自建场,使阻挡层变窄,如图.2.2()所示。显然,扩散作用大于漂移作用,在电源作用下,多数载流子向对方区域扩散形成正向电流,其方向由电源正极通过区、区到达电源负极。第1章 半导体器件 此时,结处于导通状态,它所呈现出的电阻为正向电阻,其阻值很小。正向电压愈大,正向电流愈大。其关系是指数
10、关系：TUUSDeII式中,为流过结的电流；U为结两端电压；,称为温度电压当量,其中k为玻耳兹曼常数,为绝对温度,q为电子的电量,在室温下即时,；为反向饱和电流。电路中的电阻是为了限制正向电流的大小而接入的限流电阻。qkTUT第1章 半导体器件 NP外电场(a)外加正向电压PN(b)外加反向电压自建场IDR外电场自建场RUU图 1.2.2 PN结单向导电特性 第1章 半导体器件 2.结外加反向电压结外加反向电压 若将电源的正极接区,负极接区,则称此为反向接法或反向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相同,增强了自建场,使阻挡层变宽,如图.2.2()所示。此时漂移作用大于扩散作用,
11、少数载流子在电场作用下作漂移运动,由于其电流方向与正向电压时相反,故称为反向电流。由于反向电流是由少数载流子所形成的,故反向电流很小,而且当外加反向电压超过零点几伏时,少数载流子基本全被电场拉过去形成漂移电流,此时反向电压再增加,载流子数也不会增加,因此反向电流也不会增加,故称为反向饱和电流,即。第1章 半导体器件 此时,结处于截止状态,呈现的电阻称为反向电阻,其阻值很大,高达几百千欧以上。三、结的单向导电性三、结的单向导电性综上所述：结加正向电压,处于导通状态；加反向电压,处于截止状态,即结具有单向导电特性。此方程称为伏安特性方程,如图.2.3所示,该曲线称为伏安特性曲线。)1(TSDUUe
12、II第1章 半导体器件 UIOUB图 1.2.3 PN结伏安特性 第1章 半导体器件 四、结的反向击穿四、结的反向击穿 PN结处于反向偏置时,在一定电压范围内,流过结的电流是很小的反向饱和电流。但是当反向电压超过某一数值()后,反向电流急剧增加,这种现象称为反向击穿,如图所示。称为击穿电压。结的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。第1章 半导体器件 当反向电压足够高时,阻挡层内电场很强,少数载流子在结区内受强烈电场的加速作用,获得很大的能量,在运动中与其它原子发生碰撞时,有可能将价电子“打”出共价键,形成新的电子、空穴对。这些新的载流子与原先的载流子一道,在强电场作用下碰撞其它原子打出更多的电子、空穴
13、对,如此链锁反应,使反向电流迅速增大。这种击穿称为雪崩击穿。所谓“齐纳”击穿,是指当结两边掺入高浓度的杂质时,其阻挡层宽度很小,即使外加反向电压不太高(一般为几伏),在结内就可形成很强的电场(可达2106 V/cm),将共价键的价电子直接拉出来,产生电子-空穴对,使反向电流急剧增加,出现击穿现象。第1章 半导体器件 对硅材料的结,击穿电压大于V时通常是雪崩击穿,小于V时通常是齐纳击穿；在V和V之间时两种击穿均有。由于击穿破坏了结的单向导电特性,因而一般使用时应避免出现击穿现象。发生击穿并不一定意味着结被损坏。当PN结反向击穿时,只要注意控制反向电流的数值(一般通过串接电阻实现),不使其过大,以
14、免因过热而烧坏结,当反向电压(绝对值)降低时,结的性能就可以恢复正常。稳压二极管正是利用了结的反向击穿特性来实现稳压的,当流过结的电流变化时,结电压保持基本不变。第1章 半导体器件 1.2.3 结的电容效应结的电容效应 按电容的定义 dUdQCUQC或即电压变化将引起电荷变化,从而反映出电容效应。而结两端加上电压,结内就有电荷的变化,说明结具有电容效应。结具有两种电容：势垒电容和扩散电容。第1章 半导体器件 1.势垒电容势垒电容 势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的,均具有一定的电荷量,所以在结储存了一定的电荷,当外加电压使阻挡层变宽时,电荷量增加,
15、如图所示；反之,外加电压使阻挡层变窄时,电荷量减少。即阻挡层中的电荷量随外加电压变化而改变,形成了电容效应,称为势垒电容,用B表示。理论推导 BdQSCdUW第1章 半导体器件 WW WU U图 1 .2.4 结的势垒电容 第1章 半导体器件 OUCj势垒电容和外加电压的关系 第1章 半导体器件 2扩散电容扩散电容CD xO2Qnp1图 1.2.5 P区中电子浓度的分布曲线及电荷的积累第1章 半导体器件 2扩散电容扩散电容CD当结在正偏电压作用下,区和区的多数载流子分别向对方区域扩散，在扩散过程中不断和对方的多子复合，直到复合完毕。引起电荷积累而产生的。因此在结的交界处(x),载流子的浓度最高
16、,离交界处愈远,载流子浓度愈低。如图1.2.5所示，图中横轴表示离耗尽层的距离，表示平衡少子浓度。在扩散过程中结两侧的电荷积累随着外加电压而变化的现象可以用扩散电容来表述，扩散电容是多子在扩散过程中的积累所引起的,扩散电容正比于正向电流。第1章 半导体器件 v综上所述，结的结电容包括两部分,即。一般说来,结正偏时,扩散电容起主要作用,；当结反偏时,势垒电容起主要作用,即。扩散电容和势垒电容都随外加电压而变化，因此都是非线性电容。结的结电容的数值很小，只有几皮法或者几十皮法。当结工作在较高频率时往往需要考虑结的结电容。第1章 半导体器件 1.3 半导体二极管半导体二极管 半导体二极管是由结加上引
17、线和管壳构成的。二极管的类型很多,按制造二极管的材料分,有硅二极管和锗二极管。从管子的结构来分,有以下几种类型：(1)点接触型二极管。(2)面接触型二极管。(3)硅平面型二极管。第1章 半导体器件 阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)面接触型阴极阳极(d)符号图图 1.3.3 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 第1章 半导体器件 132二极管伏安特性二极管伏安特性v由于二极管的核心是PN结，因此从理论上说，二极管的伏安特性和PN结的伏安特性几乎相同，可以用
18、式1.2.2来描述。实际上，由于PN结封装成二极管时引线电阻和耗尽层外的半导体体电阻的存在，在相同电压偏置下，二极管的电流较小；另外，由于表面漏电流的存在，二极管的反偏电流也较大，随反偏电压增大而略微增加。第1章 半导体器件 一、二极管的伏安特性曲线一、二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线 第1章 半导体器件 (1)正向特性：正向电压低于某一数值时,正向电流很小,只有当正向电压高于某一值后,才有明显的正向电流。该电压称为导通电压,又称为门限电压或死区电压,用表示。在室温下,硅管的约为.V,锗管的约为.V。通常认为,当正向电压on时,二极管截止；时,二极管导通。(2)反向特性：二极管加反向电
19、压,反向电流数值很小,且基本不变,称反向饱和电流。硅管反向饱和电流为纳安()数量级,锗管的为微安数量级。当反向电压加到一定值时,反向电流急剧增加,产生击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上(高反压管可达几千伏)。第1章 半导体器件 二、温度对二极管的伏安特性曲线的影响第1章 半导体器件 二极管的温度特性：二极管的特性对温度很敏感,温度升高,正向特性曲线向左移,反向特性曲线向下移。其规律是：在室温附近,在同一电流下,温度每升高,正向压降减小.V；温度每升高,反向电流约增大 1 倍。第1章 半导体器件 1.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 (1)最大整流电流。它是二极管允许通过的最大
20、正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于,如超过,二极管将过热而烧毁。此值取决于结的面积、材料和散热情况。(2)最大反向工作电压。这是二极管允许的最大工作电压。当反向电压超过此值时,二极管可能被击穿。为了留有余地,通常取击穿电压的一半作为。第1章 半导体器件 (3)反向电流。指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小,二极管的单向导电性越好。由于反向电流是由少数载流子形成,所以值受温度的影响很大。(4)最高工作频率。的值主要取决于结结电容的大小,结电容越大,则二极管允许的最高工作频率越低。第1章 半导体器件 (5)二极管的直流电阻。加到二极管两端的直流电压与流过二极管的电流之比,称为二极管的直流电
21、阻,即此值可由二极管特性曲线求出,如图.3.6所示。工作点电压为.V,电流,则FFDIUR 3010505.13FFDIUR第1章 半导体器件 图 1 .3.6 求直流电阻 第1章 半导体器件 (6)二极管的交流电阻。在二极管工作点附近,电压的微变值与相应的微变电流值之比,称为该点的交流电阻,即 IUrd从其几何意义上讲,当时 dIdUrd第1章 半导体器件 就是工作点处的切线斜率倒数。显然,和工作点的位置有关。交流电阻既可以从特性曲线上求出也可以从式1.2.2求出，将式1.2.2对U微分，则得交流电导(1)TTUUUUSdSTTI edIdIgIedUdUUU当温度时,可以得到交流电阻：12
22、6TddUmVrgII第1章 半导体器件 图1.3.7求交流电阻第1章 半导体器件 通过分析可以知道，对同一工作点，直流电阻大于交流电阻；对不同工作点来说，工作点愈高,直流电阻和交流电阻越低。例例1.3.1 二极管电路如图1.3.8所示，设二极管为硅管，计算电路中的电流和输出电压。100.71150DI 100.70OU求出输出电压:10.7OUV 第1章 半导体器件 134半导体二极管的等效模型半导体二极管的等效模型二极管的工作条件不同对应的等效电路就不同，下面考虑实际中二极管的常用等效模型，假设二极管都不在反向击穿区域。v一、理想化的等效模型v这是最简单一种模型，即把二极管看成是理想二极管
23、，即把二极管看成一个理想开关，正偏时看做理想开关的闭合，反偏时看做是理想开关的断开。用这种模型来等效分析实际二极管电路带来的误差不算很大，但给具体的分析和计算带来极大的方便。v二、考虑二极管导通电压时的等效模型v在这种模型中，把二极管看成是理想二极管和一个电压源（其值等于二极管的开启电压）的串联。当正偏电压超过时，二极管导通，其两端电压等于常量，否则，二极管截止，流过的电流等于零。第1章 半导体器件 v三、低频时微变等效模型v当二极管的工作信号是低频小信号时，即，二极管两端电压在某工作点Q点附近作微小变化时，可以采用微变等效模型。在这种模型中，二极管等效成一个交流电阻（微变等效电阻），应该注意
24、，Q点不同微变等效电阻也不同，但在低频小信号条件下，非线性器件二极管已经近似当成线性电阻来处理了，给分析问题和处理问题带来了极大的方便。v最后指出，在具体电路实践中还有其它的等效模型，比如高频等效模型必须考虑结电容的影响和引线电阻和半导体的体电阻等，这将在后续课程中介绍。上述各种等效电路模型都是在一定的条件下的近似，在具体使用时一定要注意实际条件，不可乱用。第1章 半导体器件 1.3.5 稳压二极管稳压二极管 v上面介绍普通二极管及其相关特性，在实践中有一些特殊类二极管也得到广泛的应用，比如稳压二极管、发光二极管、和变容二极管等。稳压二极管是一种特殊面接触型硅二极管，由于它在电路中起到稳压作用
25、，即稳压管工作在反向击穿区时，在一定工作电流范围内，其端电压几乎保持不变，即具有稳压特性，所以称为稳压二极管，简称稳压管。第1章 半导体器件(b)符号UIOU(a)伏安特性IVDz图 1 .3.9 稳压管伏安特性和符号 一、稳压管的伏安特性第1章 半导体器件 稳压管在使用的时候要注意反向偏置，并且工作时的电流要在允许范围内，即满足 。为避免反向电流过大而发生热击穿现象，在实际电路中必须串联合适的限流电阻。二、稳压管的主要参数minmaxZZZIII第1章 半导体器件 1.稳定电压稳定电压Uz 稳定电压是稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。由于稳定电压随着工作电流的不同而略有变化,因而测试U
26、z时应使稳压管的电流为规定值。稳定电压是根据要求挑选稳压管的主要依据之一。不同型号的稳压管,其稳定电压值不同。同一型号的管子,由于制造工艺的分散性,各个管子的值也有差别。例如稳压管DW7C,其.1.V,表明均为合格产品,其稳定值有的管子是.V,有的可能是.V等等,但这并不意味着同一个管子的稳定电压的变化范围有如此大。第1章 半导体器件 2.稳定电流稳定电流Iz 稳定电流是使稳压管正常工作时的最小电流,低于此值时稳压效果较差。工作时应使流过稳压管的电流大于此值。一般情况是,工作电流较大时,稳压性能较好。但电流要受管子功耗的限制,即 Iz max=Pz/Uz。第1章 半导体器件 3.电压温度系数电
27、压温度系数 指稳压管温度变化时,所引起的稳定电压变化的百分比。一般情况下,稳定电压大于V的稳压管,为正值,即当温度升高时,稳定电压值增大。如CW,10.5V,.%/,说明当温度升高时,稳定电压增大0.09%。而稳定电压小于V的稳压管,为负值,即当温度升高时,稳定电压值减小,如CW11,.V,(.%.%),若.%,表明当温度升高时,稳定电压减小0.05%。稳定电压在V间的稳压管,其值较小,稳定电压值受温度影响较小,性能比较稳定。第1章 半导体器件 4.动态电阻动态电阻rz 是稳压管工作在稳压区时,两端电压变化量与电流变化量之比,即。值越小,则稳压性能越好。同一稳压管,一般工作电流越大时,值越小。
28、通常手册上给出的值是在规定的稳定电流之下测得的。第1章 半导体器件 5.额定功耗额定功耗Pz 由于稳压管两端的电压值为,而管子中又流过一定的电流,因此要消耗一定的功率。这部分功耗转化为热能,会使稳压管发热。取决于稳压管允许的温升。三、使用稳压管的注意事项1、稳压管必须工作在反偏(正偏时当成普通二极管)。2、稳压管工作时的电流要在允许范围内。3、稳压管可以串联使用，串联后稳压值等于各管稳压值之和。稳压管一般不能并联使用，否则由于稳压管的稳压值的差异性将造成各个管子的分流不均损坏稳压管。第1章 半导体器件 二极管的应用二极管的应用 二极管的运用基础,就是二极管的单向导电特性,因此,在应用电路中,关
29、键是判断二极管的导通或截止。二极管导通时一般用电压源.V(硅管,如是锗管用.V)代替,或近似用短路线代替。截止时,一般将二极管断开,即认为二极管反向电阻为无穷大。二极管的整流电路放在第9章直流电源中讨论。第1章 半导体器件 1.限幅电路限幅电路 当输入信号电压在一定范围内变化时,输出电压随输入电压相应变化；而当输入电压超出该范围时,输出电压保持不变,这就是限幅电路。通常将输出电压uo开始不变的电压值称为限幅电平,当输入电压高于限幅电平时,输出电压保持不变的限幅称为上限幅；当输入电压低于限幅电平时,输出电压保持不变的限幅称为下限幅。限幅电路如图所示。改变值就可改变限幅电平。第1章 半导体器件 V
30、DuiuoRE并联二极管上限幅电路 第1章 半导体器件 V,限幅电平为V。u时二极管导通,uoV；uiV,二极管截止,uou。波形如图-19(a)所示。如果Um,则限幅电平为。u,二极管截止,uou；u,二极管导通,uo。波形图如图所示。如果m,则限幅电平为-E,波形图如图所示。第1章 半导体器件 tuiO(b)EuotOEtui(a)UmuoOtUmOtuiO(c)EuoEOt二极管并联上限幅电路波形关系第1章 半导体器件 VDuiuoER并联下限幅电路 第1章 半导体器件 VDuiuoR(a)上限幅EVDuiuoR(b)下限幅E串联限幅电路第1章 半导体器件 VD1uiuoRE1VD2E2
31、双向限幅电路 第1章 半导体器件 2二极管门电路二极管门电路 UAUoVD1RUCCVD2VD3UBUC二极管“与”门电路 第1章 半导体器件 1.3.6 其它特殊二极管其它特殊二极管1.发光二极管发光二极管工作在正向偏置状态，一般只需讨论其正向特性。只有当外加正偏电压产生足够大的电流时二极管才发光，电流大则发光越强。发光二极管的开启电压通常在之间，正向工作电流在几毫安到十几毫安之间，如果流过的电流太大，同样可能烧毁管子。第1章 半导体器件 2.光电二极管光电二极管光电二极管工作在反向偏置状态，在没有光照的情况下，反向电流（此时通常称为暗电流）很小，一般在左右，光电二极管等效为几十的反向电阻。
32、有光照时的反向电流称为光电流，当光照（在光学上用照度表示）增强时，本征激发的少子浓度增加，在反偏电压达到一定值时，反向电流随之增大，光电二极管的反向电阻下降。大面积光电二极管制作可以看成是一种电源，称为光电池，正极为二极管的阳极，负极为二极管的阴极，短路电流基本和照度成正比。第1章 半导体器件 v除了上述特殊二极管外，还有变容二极管和隧道二极管。PN结反偏时主要存在势垒电容，变容二极管是利用PN结的势垒电容（和反偏电压的变化相反，即反偏电压增大，势垒电容减小）制成的变容二极管。变容二极管的容量很小，一般在几十至几百皮法。变容二极管广泛用于自动调谐、调频调幅、频率的自动控制和调相滤波等电路中。第
33、1章 半导体器件 v隧道二极管是利用PN结的隧道效应制成的。当PN结的两侧都是高掺杂时，则PN结中正负离子密度很高，耗尽层必然很薄，外加正偏电压比较低时PN结就存在有载流子的通道（像隧道）形成电流，这就是隧道效应。当外加正偏电压较高时，隧道效应将减退直到消失，相应流过二极管的正向电流逐渐减小，在按普通二极管的正向特性变化。隧道二极管的符号和伏安特性如图1.3.13所示。第1章 半导体器件 3.光电耦合器件光电耦合器件 输入输出光电耦合器件 第1章 半导体器件 4.变容二极管变容二极管 变容二极管符号第1章 半导体器件 1.4 半导体三极管半导体三极管 几种半导体三极管的外形 双极型晶体管（英文
34、简称为BJT）是半导体三极管的一种，又称晶体管或三极管。由于半导体三极管有两种载流子参与导电，所以称为双极型。半导体三极管的种类很多，按材料分为硅管和锗管，按工作频率分为低频管和高频管，按功率可以分为小功率管、中功率管和大功率管。第1章 半导体器件 1.4.1 三极管的结构及类型三极管的结构及类型 三极管的结构示意图和符号 第1章 半导体器件 无论是NPN型或是PNP型的三极管,它们均包含三个区:发射区、基区和集电区,并相应地引出三个电极：发射极（e)、基极(b)和集电极(c)。同时,在三个区的两两交界处,形成两个PN结,分别称为发射结和集电结。常用的半导体材料有硅和锗,因此共有四种三极管类型
35、。它们对应的型号分别为：3A(锗PNP)、3B(锗NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四种系列。第1章 半导体器件 三极管的三种连接方式三极管的三种连接方式 becIBIEIC(a)共基极beIBIEIC(b)共发射极beIBIEIC(c)共集电极cc三极管的三种连接方式第1章 半导体器件 1.4.2晶体管的工作原理晶体管的工作原理二二.载流子的传输过程载流子的传输过程(1)发射。(2)扩散和复合。(3)收集。IBRbUBBeIENPNICRcUCCcb三极管中载流子的传输过程一、晶体管处于放大状态时的偏一、晶体管处于放大状态时的偏置条件置条件为了使晶体管具有电流放大作用，为了使晶体管
36、具有电流放大作用，除了具有上述的结构工艺特点外，除了具有上述的结构工艺特点外，还必须满足一定外加电压偏置条还必须满足一定外加电压偏置条件，即保证发射结正偏，集电结件，即保证发射结正偏，集电结反偏。因此，外加偏置电路的连反偏。因此，外加偏置电路的连接如图接如图1.4.3所示。所示。第1章 半导体器件 3.电流分配电流分配 IBRbUBBeIENPNICRcUCCcICnICBObIBn三极管电流分配 第1章 半导体器件 集电极电流由两部分组成：和,前者是由发射区发射的电子被集电极收集后形成的,后者是由集电区和基区的少数载流子漂移运动形成的,称为反向饱和电流。于是有 第1章 半导体器件 发射极电流
37、也由两部分组成：和。为发射区发射的电子所形成的电流,是由基区向发射区扩散的空穴所形成的电流。因为发射区是重掺杂,所以忽略不计,即。又分成两部分,主要部分是,极少部分是。是电子在基区与空穴复合时所形成的电流,基区空穴是由电源提供的,故它是基极电流的一部分。BnCnEnEIIII基极电流是与之差：CBOBnBIII第1章 半导体器件 发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极,形成集电极电流,即要求。通常用共基极直流电流放大系数衡量上述关系,用来表示,其定义为ECnEnCnIIII(1-9)一般三极管的值为0.970.99。将(-)式代入(-)式,可得 CBOECBOCnCIIIII(1-10)第1章
38、 半导体器件 通常CBO,可将忽略,由上式可得出 ECII三极管的三个极的电流满足节点电流定律,即BCEIII得CBOBCCIIII)(第1章 半导体器件 经过整理后得 CBOBCIII1111BCII令 称为共发射极直流电流放大系数。当ICICBO时,又可写成第1章 半导体器件 CEOBCBOBCIIIII)1(则其中ICEO称为穿透电流,即 CBOCEOII)1(一般三极管的约为几十几百。太小,管子的放大能力就差,而过大则管子不够稳定。第1章 半导体器件 常数CEUBCII常数CBUECII1/1/ECECCECBCIIIIIIIII相应地,将集电极电流与发射极电流的变化量之比,定义为共基
39、极交流电流放大系数,即故第1章 半导体器件 显然与,与其意义是不同的,但是在多数情况下,。从上面电流分配关系可以看出共射直流电流放大系数 的物理意义，即当有一个载流子在基区被复合掉，则必有 个载流子到达集电区边缘。这表征了晶体管基极电流对集电极电流的控制能力，所以通常可以把晶体管看成是一个电流控制器件，利用这一性质实现电路的放大作用。第1章 半导体器件 1.4.3 晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线 AmAVVIBICUCCUBBRcRbuBEUCE三极管共发射极特性曲线测试电路 第1章 半导体器件 1.输入特性输入特性 当不变时,输入回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输入特性,即 常数CEU
40、BEBUfI)(三极管的输入特性 第1章 半导体器件 2.输出特性输出特性 当不变时,输出回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输出特性,即常数BICECUfI)(UCE/V5101501234饱和区截止区IB 80 A60 A放大区IC/mA40 A20 A0 A三极管的输出特性 第1章 半导体器件 (1)截止区。截止区。一般将的区域称为截止区,在图中为的一条曲线的以下部分。此时也近似为零。由于各极电流都基本上等于零,因而此时三极管没有放大作用。其实时,并不等于零,而是等于穿透电流ICEO。一般硅三极管的穿透电流小于A,在特性曲线上无法表示出来。锗三极管的穿透电流约几十至几百微安。当发射结反向
41、偏置时,发射区不再向基区注入电子,则三极管处于截止状态。所以,在截止区,三极管的两个结均处于反向偏置状态。对三极管,BC。第1章 半导体器件 (2)放大区。放大区。此时发射结正向运用,集电结反向运用。在曲线上是比较平坦的部分,表示当一定时,的值基本上不随CE而变化。在这个区域内,当基极电流发生微小的变化量时,相应的集电极电流将产生较大的变化量,此时二者的关系为 该式体现了三极管的电流放大作用。对于三极管,工作在放大区时.V,而。第1章 半导体器件 (3)饱和区。饱和区。曲线靠近纵轴附近,各条输出特性曲线的上升部分属于饱和区。在这个区域,不同值的各条特性曲线几乎重叠在一起,即当较小时,管子的集电
42、极电流基本上不随基极电流而变化,这种现象称为饱和。此时三极管失去了放大作用,或关系不成立。一般认为CENE,即CB时,三极管处于临界饱和状态,当CEBE时称为过饱和。三极管饱和时的管压降用CES表示。在深度饱和时,小功率管管压降通常小于.V。三极管工作在饱和区时,发射结和集电结都处于正向偏置状态。对NPN三极管,。第1章 半导体器件 晶体管的三种状态的特性（NPN硅管）上面的结论是以NPN硅管共射电路为例，由于PNP管的电压极性和NPN管正好相反，所以只要将输入和输出特性曲线的坐标轴分别用和替换后既可以得到相类似的特性曲线，这里不仔细讨论。第1章 半导体器件 1.4.4 晶体管的主要参数晶体管
43、的主要参数 (1)共发射极交流电流放大系数。体现共射极接法之下的电流放大作用。常数CEUBCII(2)共发射极直流电流放大系数。由式(1-15)得BCEOCIII 当ICICEO时,IC/IB。第1章 半导体器件 (3)共基极交流电流放大系数。体现共基极接法下的电流放大作用。ECII (4)共基极直流电流放大系数。在忽略反向饱和电流时,ECII第1章 半导体器件 2.极间反向电流极间反向电流 A(a)ICBOICBOAICEO(b)ICEO三极管极间反向电流的测量 第1章 半导体器件 3极限参数极限参数(1)集电极最大允许电流。OIC与IC关系曲线 第1章 半导体器件 (2)集电极最大允许功率
44、损耗。当三极管工作时,管子两端电压为,集电极电流为,因此集电极损耗的功率为CECCUIP IB0.2 mA01020304050IC/mA102030UCE/V过流区0.81.00.60.4过压区过损耗区安全区工作区图 1 -38 三极管的安全工作区第1章 半导体器件 4.反向击穿电压反向击穿电压 CBO发射极开路时,集电极-基极间的反向击穿电压。CEO基极开路时,集电极-发射极间的反向击穿电压。CER基射极间接有电阻时,集电极-发射极间的反向 击穿电压。CES基射极间短路时,集电极-发射极间的反向击穿电压。EBO集电极开路时,发射极-基极间的反向击穿电压,此 电压一般较小,仅有几伏左右。上述
45、电压一般存在如下关系：EBOCEOCESCBOBUBUBUBU第1章 半导体器件 1.4.5 温度对晶体管特性及参数的影响温度对晶体管特性及参数的影响1.温度对温度对UBE的影响的影响 CmVTUBE/5.2 2.温度对温度对ICBO的影响的影响 是由少数载流子形成的。当温度上升时,少数载流子增加,故CBO也上升。其变化规律是,温度每上升10,CBO约上升 1 倍。CEO随温度变化规律大致与CBO相同。在输出特性曲线上,温度上升,曲线上移。第1章 半导体器件 3温度对温度对的影响的影响 随温度升高而增大,变化规律是：温度每升高,值增大.%。在输出特性曲线图上,曲线间的距离随温度升高而增大。综上
46、所述：温度对、的影响,均将使随温度上升而增加,这将严重影响三极管的工作状态,为保证电路的正常工作必须采取一定的措施稳定晶体管的静态工作点，这部分内容将在第二章介绍。第1章 半导体器件 146晶体管的交流小信号模型晶体管的交流小信号模型v晶体管是非线性器件，但在一定条件下可以用一个线性模型来等效替代，这样非线性电路就转换成线性电路了。等效变换的概念我们在电路课程中已经学过，对于工作在放大区晶体管，由于应用场合不同，同一个晶体管可以等效成不同的电路形式。第1章 半导体器件 晶体管可以看成是双口网络，在低频交流小信号可以看成是线性双口网络 v双口网络示意图 H参数等效电路 简化微变等效电路 第1章
47、半导体器件 一、输入回路的等效电路v在如图1.4.12的输入特性曲线上，适当选取晶体管的工作点Q点，在信号足够小的情况下，即在Q点附近区域输入曲线可以看成是线性的，所以可以求出此时晶体管的输入电阻：v 00CEcebeBEbeBbuuuurii第1章 半导体器件 v很显然，就是Q点处输入曲线的斜率的倒数。只要晶体管满足在Q点附近的线性工作，输入回路用代替后晶体管的输入回路的VAR关系不变。在实际工程计算中，通常用式1.4.22来估算。(1)beebbrrrber第1章 半导体器件 v由于流过正偏发射结的电流就是发射极v电流，所以结电阻 ，其中为管子的发射极电流的直流分量，因此式1.4.22可以
48、改写成：v 26()()eEmVrImA26()(1)()bebbEmVrrImA第1章 半导体器件 输出回路的等效电路 v假设晶体管工作在图1.4.13输出特性的Q点附近，则可以算出电流放大系数：v在图1.4.13输出特性的Q点附近，由于电流和基本无关，主要受基极电流的控制，电流放大系数可以看成是常数，所以输出回路可以等效成一个线性受控电流源。00CEceCcBbuuiiii第1章 半导体器件 15场效应管 v前面介绍的半导体三极管又称为双极型三极管，它有两种载流子（多子和少子）参与导电，由于少子浓度和温度密切相关，因此它热稳定性较差。本节将介绍另外一种三极管，它们只有一种载流子（多子）参与
49、导电，被称为单极型三极管，又因为这种管子是利用电场效应来控制电流的半导体器件（被看成是电压控制器件），因此也称为场效应管（简称FET）。场效应管具有输入阻抗高、热稳定性好、噪声低和抗辐射能力强等优点，便于大规模集成，因此在工程实践中得到广泛应用。根据结构不同，场效应管可以分为结型场效应管（简称JFET）和绝缘栅场效应管（简称IGFET）两类。第1章 半导体器件 结型场效应管结型场效应管 DGSDGS(a)N 型沟道PPN型沟道源极栅极漏极DGS(b)P 型沟道NNP型沟道源极栅极漏极DGS(c)N 沟道(d)P 沟道结型场效应管的结构示意图和符号第1章 半导体器件 2.ID与与UDS、UGS之
50、间的关系之间的关系 NDGS(a)UGS0,UDG|UP|UDSIDUGSNDGSUDSUGSIDPPPPISIS(b)UGS0,UDG|UP|预夹断DGSUDSUGSIDPPIS(c)UGSUP,UDG|UP|夹断UDS对导电沟道和ID的影响 第1章 半导体器件 特性曲线特性曲线 1.输出特性曲线输出特性曲线 常数GSUDSDUfI)(iD/mA654321uDS/V048123 V2 V1VuGS0 V162024RDS小RDS大击穿区UP4 VBUDSS截止区可变电阻区恒流区(放大区)uDS uGS UP4N沟道结型场效应管的输出特性 第1章 半导体器件 根据工作情况,输出特性可划分为4
