1、第第1章章 半导体器件半导体器件 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 半导体三极管半导体三极管 1.4 场效应三极管场效应三极管 学习要点：学习要点：PN结及其单向导电性 半导体二极管电路分析 半导体三极管及其特性曲线 场效应管的原理及特性 1.1.1 半导体基础知识1.1.2 本征半导体和杂质半导体 1.1.3 PN结及其特性半导体特性半导体特性 导电能力介乎导体和绝缘体之间的物质，如硅，锗，硫化镉等就称为半导体。在半导体器件中，用得最多的材料是硅（Si）和锗（Ge），它们都是四价元素。半导体所特有的性质：(1)热敏性；(2)光敏性；(3)掺杂性。
2、本征半导体和杂质半导体本征半导体和杂质半导体 1本征半导体 将锗、硅等半导体材料提纯后形成的完全纯净、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。本征半导体在温度为零开尔文（0 K，相当于-273.15）时，每一个原子的外围电子被共价键所束缚，不能自由移动,此时半导体是不导电的。当外界条件改变时，由于半导体共价键中的价电子不像绝缘体中那样被束缚得很紧，价电子从外界获得一定的能量，少数价电子受到激发会摆脱共价键的束缚，成为自由电子；同时在共价键相应的位置上留下一个空位，这个空位称为空穴。自由电子和空穴总是成对出现的，所以称它们为电子空穴对。由于热或光照的作用，本征半导体中产生电子空穴对的现象称为本征激发
3、，又称为热激发。2杂质半导体（1）N型半导体 在本征半导体硅（或锗）中掺入五价的杂质元素，如磷，可以得到N型半导体。N型半导体中自由电子成为半导体主要导电方式，故此类半导体也称为电子型半导体。（2）P型半导体 在纯净的半导体硅（或锗）中掺入的三价杂质元素，如硼，可以得到P型半导体。半导体中空穴成为主要的导电方式，故此类半导体也称为空穴型半导体。在N型半导体中，由于掺杂自由电子浓度远大于空穴浓度，自由电子成为多数载流子，简称多子；空穴则成为少数载流子，简称少子。而在P型半导体中，由于掺杂空穴浓度远大于自由电子浓度，空穴成为多数载流子，自由电子成为少数载流子。1.1.3 PN结及其特性 在一块N型
4、（P型）半导体的局部再掺入浓度较大的三价（五价）杂质，使其变为P型（N型）半导体，这样就在P型半导体和N型半导体的交界形成PN结，此时将在N型半导体和P型半导体的交接面将形成如下物理过程：1.PN结的形成因浓度差 多子的扩散运动 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散由杂质离子形成空间电荷区 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，此时空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。2.PN结的单项导电性 在PN结两端外加电压，如果外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，也称PN结正向偏置（简称正偏）；外加电压使PN结中N区的电位高于P区
5、的电位，称为加反向电压，也称PN结反向偏置（简称反偏）。(1)PN结正向偏置 在PN结两端加正向电压，外加电源产生的外电场的方向与PN结所产生的内电场方向相反，在外电场作用下，使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负离子，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正离子。结果：空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流，即由P区流向N区的正向电流。PN结呈现低阻态，即PN结处于正向导通状态。（2）PN结反向偏置 在PN结上加反向电压，此时外电场与内电场的方向一致，扩散与漂移运动的平衡同样被破坏。结果：空间电荷区变宽，内电场增强，抑制多数载流子的扩散运动，同时加强了
6、少数载流子的漂移运动，形成由N区流向P区的反向电流。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，PN结的反向电阻很高，即PN结处于截止状态。正向偏置时，PN结处于正向导通状态，其正向电阻较小，正向电流较大。反向偏置时，PN结处于反向截止状态，其反向电阻较大，反向电流很小。这就是PN结具有的单向导电特性，它是PN结构成半导体器件的基础。1.2.1 二极管结构及其特性1.2.2 二极管的主要参数1.2.3 二极管电路及其应用1.2.4 特殊二极管1.2.5 二极管的检测及判断1.2.1 二极管结构及其特性1.二极管基本结构、符号及外形 在PN结的P型和N型半导体加上相应的电极引线，并用管壳封装，就成
7、为半导体二极管，部分二极管的外形如图（a）所示。二极管基本结构和电路符号如图（b）（c）所示。（a）实物图（b）基本结构 （c）电路符号2.二极管特性 二极管实际上就是一个PN结，它的特性就是PN结的特性，即具有单向导电性。常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。虚线为锗管的伏安特性，实线为硅管的伏安特性。1.2.2 二极管的主要参数 除了用伏安特性曲线表示二极管的特性外，还有一些常用参数。1.最大整流电流IFM 最大整流电流IFM指二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向工作峰值电压URM 保证二极管不被击穿所能承受最高反向电压峰值。3.反向峰值电流IRM 反向
8、峰值电流指在室温下二极管加最高反向电压时的反向电流。4.最高工作频率fM 它是指二极管正常工作时的上限频率。1.2.3 二极管电路及其应用 二极管的应用范围很广，如整流电路、检波电路、限幅电路、元件保护电路以及在数字电路中用作开关元件等，主要都是利用二极管的单向导电性来实现。1.整流电路 利用二极管的单向导电性，可将交流电变成直流电，起到整流作用。Us为正弦波。正半周时，二极管正向偏置，此时二极管导通，负半周时，二极管反向偏置，此时二极管截止。波形如图（b）所示。2.限幅电路 为正弦交流电压，其峰值为5V；直流电压U3V；R为限流电阻；为输出端电压。交流输入电压和直流电压同时作用于二极管上，当
9、 的幅值高于3V时，二极管导通；小于3V时，二极管截止。输入、输出端电压波形如图（b）所示。IuouIu3.开关电路 利用二极管的单向导电性，当二极管正向导通时其端电压很小，可近似的看作0，即相当于开关闭合；反偏时，流过的电流很小，可近似看作开路，即相当于开关断开。因此，二极管具有开关特性，在数字电路中得到广泛应用。1.2.4 特殊二极管 前面主要讨论了普通二极管，此外还有若干种特殊二极管，如稳压二极管、发光二极管，光电二极管和变容二极管等。1.稳压二极管 稳压二极管，又称齐纳二极管，它是一种特殊工艺制造的面接触型二极管，在电路中与适当数值的电阻配合后能起到稳压的作用。稳压管符号和伏安特性稳压
10、二极管的主要参数：（1）稳定工作电压UZ。（2）稳定电流IZ、最小稳定电流IZmin、最大稳定电流 IZmax。（3）动态电阻rZ-。它是指稳压管端进人稳压状态后，两端电压的变化量与 相应的电流变化量的比值，即（4）最大允许耗散功率PZM。（5）电压温度系数。zzzIUr/2.发光二极管 发光二极管与普通二极管一样，也是由PN结构成的，同样具有单向导电性，但正向导通时能发光，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。发光二极管工作在正偏状态。3.光电二极管 光电二极管是一种很常用的光电子器件。其结构与PN结二极管类似，管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下运行
11、，它的反向电流随光照强度的增加而上升，反向电流与照度成正比。4.变容二极管 利用PN结的电容效应制成的半导体器件，即PN结电容会随反向电压的增加而减小，利用这种特性在电路中可把变容二极管当作可变电容使用。由于它无机械磨损且体积小，因而在高频技术中应用较多。1.2.5 二极管的检测及判断1二极管的型号 不同的二极管可以从它的形状和外观区别，某些二极管的材料和极性可以从它的型号和外观上直接进行辨别。如2AP9：“2”代表电极数为2，“A”表示N型锗材料，“P”表示普通管，“9”表示序号。生产厂家通常都会在二极管外壳上用特定标记来表示正负极。最明确的方法是在外壳上画有二极管符号，箭头指向一端为负极；
12、螺栓式二极管带螺纹的一端是负极，这是一种工作电流很大的二极管；有的二极管上画有色环，带色环的一端为负极。2二极管的检测 性能良好的二极管，其正向电阻小，反向电阻大。利用这一特性采用万用表测量二极管的正向电阻和反向电阻就可以判断其好坏与极性。测试过程中，要注意弄清所用万用表的两个表笔所对应电池的电压极性。若使用的是指针式万用表，则黑表笔接的是表内电池的正极（插入“-”孔中），红表笔接的是负极（插入“+”孔中）。测量时，把指针式万用表置于欧姆档的Rl0、R100或R1k，测量二极管的正、反向电阻。小电阻阻值为正向电阻。1.3.1 三极管的结构及分类1.3.2 三极管的放大作用1.3.3 三极管特性
13、曲线1.3.4 三极管的主要参数1.3.5 三极管的检测及判断三极管的结构及分类 三极管是由两个PN结、三个杂质半导体区域组成的，根据区域排列次序可分为NPN型和PNP型两大类。三极管三个区域，其作用不同，因而在制作时每个区的掺杂及面积均不相同。基区很薄，掺杂浓度低，一般仅有1微米至几十微米厚；发射区掺杂浓度高，因而多数载流子浓度也很高；集电结截面积要大于发射结截面积。三极管的这种内部结构特点，是三极管能够起电流放大作用的内部条件。三极管的放大作用1.三极管放大的外部条件 三极管要实现放大作用的外部条件是发射结正偏，集电结反偏。对于NPN型管，从电位的角度来看，三个电极间的电位关系为UCUBU
14、E；而PNP型管，极性正好相反，即UEUBUC。2.三极管的内部载流子的作用及放大原理 NPN型三极管内部载流子运动规律主要有以下几个过程。（1）发射区向基区扩散载流子 由于发射结处于正偏，发射区的多子（自由电子）不断扩散到基区，形成发射结扩散电流IEN，其电流方向与扩散方向相反；基区中的多子空穴也要扩散到发射区，形成空穴电流IEP，电流方向与IEN相同，由于基区浓度远小于发射区，IEP很小。同时扩散出去电子又不断从电源补充，形成发射极电流IE。可得：IEIEN+IEP（2）载流子在基区扩散和复合 由于基区很薄，其多数载流子（空穴）浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少部分可以和基区的空
15、穴复合，形成较小的基极复合电流IBN，而剩下的绝大部分电子都能扩散到集电结边缘。基区被复合掉的空穴由电源UBB从基区拉走电子来补充，形成基极电流IB。由于集电结反偏，强大的内电场可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成集电极电流中受发射结控制的电流ICN。显然 ICN=IEN-IBN（3）集电区收集从发射区扩散过来的电子 由上述分析可知，构成发射极电流IE的两部分中，IBE是很小的，而ICE所占的百分比是大的。将ICE 与IBE 之比用 表示，称为共发射极直流电流放大系数。将集电极电流的变化量 与基极电流的变化量 之比称为三极管的共发射极交流电流放大系数。即CECCBO
16、CBEBCBOBIIIIIIIIBCII；三极管特性曲线 三极管的特性曲线是指各电极间电压和电流之间的关系曲线，也称为伏安特性曲线，它能直观全面的反映晶体管的性能，是分析放大电路的依据。下面以NPN型管为例，讨论下常用的共射极接法时的特性曲线。1.三极管的输入特性曲线常数CEuBEBufi|)(。三极管的输入特性是指当集射极电压为常数时，基极电流与基射极电压之间的关系曲线。即 和二极管的伏安特性相似，也有一段死区，只有当 大于死区电压时，三极管才会出现基极电流。通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。当发射结完全导通时三极管也具有恒压特性。在正常工作情况下，NPN型硅管的发射结电压为
17、0.60.7V，PNP型锗管的发射结电压为0.20.3V。输出特性曲线是指当 一定，输出回路中的 与 之间的关系曲线。2.三极管的输出特性曲线BiCiCEu 根据输出特性曲线的特点可以将其划分为三个区，也就是分别代表三极管的三种工作状态：输出特性曲线的近于水平部分的是放大区。三级管要工作在放大区，发射结必须处于正向偏置，集电结处于反向偏置。在放大区，受控于 ，且 由于在不同 下电流放大系数近似相等，所以放大区也称为线性区。BiCiBCiiBi（1）放大区（2）截止区 曲线以下的区域称为截止区。此时发射结和集电结均处于反向偏置，三极管失去电流放大作用，集电极c和发射极e之间相当于开路状态，类似于
18、开关断开。0Bi（3）饱和区 输出特性曲线的陡直部分是饱和区，此时发射结和集电结均处于正向偏置，三极管的集电极c和发射极e之间相当于短路，类似于开关闭合。由以上分析可知，三极管在电路中既可以作为放大元件，又可以作为开关元件使用。三极管的主要参数 三极管参数可用来表示其特性和适用范围，是评价三极管质量及正确选择使用的依据。三极管的参数很多，这里介绍主要的几个：1.电流放大系数 电流放大系数是表征三极管电流放大能力的参数，当三极管为共发射极接法时，常用 和来表示。2.极间反向电流（1）集电极基极反向饱和电流ICBO（2）集电极发射极反向饱和电流ICEO 它是指当发射极开路，集电结在反向电压作用下，
19、形成的反向饱和电流。它受温度影响较大。它是指当三极管基极开路，而集电结反偏和发射结正偏时的集电极电流。也叫穿透电流。3.极限参数（1）集电极最大允许电流ICM；（2）反向击穿电压U（BR）CEO、U（BR）CBO、U（BR）EBO；（3）集电极最大允许耗散功率PCM。三极管的检测及判断 要准确的了解三极管类型、极性和性能参数，可用专门的设备进行测试。但一般要粗略的辨别三极管的类型和管脚时，可直接从管壳上标注的型号来简单判断，也可利用万用表测量方法判断。1.通过管子型号来判别 国产的三极管的型号一般有五部分组成。2.通过万用表检测三极管的管脚和管型。三极管可以看成是两个背靠背的PN结结构。对NP
20、N型三极管，基极是两个结的公共阳极；而对于PNP型三极管来说，基极是两个结的公共阴极。因此，判断公共极是阴极还是阳极，即可知道管子是NPN型还是PNP型。（a）NPN型 （b）PNP型1.4.1 场效应管分类和基本结构1.4.2 场效应管工作原理1.4.3 场效应管的主要参数及性能比较场效应管分类和基本结构 场效应管的外形与三极管相似，根据结构的不同，场效应管分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类，按导电沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型又各分为N沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型，目前在绝缘栅型场效应管中，MOS场效应管（MOSFET，金属-氧化物-半导
21、体场效应管）应用最为广泛，简称MOS管，因此，按照上述分类，MOS场效应管又可细分为N沟道增强型、P沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道耗尽型四大类，1、结型场效应管基本结构和符号 结型场效应管是利用半导体内电场效应工作的，在一块N型半导体两边各扩散一个高浓度的P型区（用P+表示）形成两个 PN结，把两个P区并联在一起，引出一个电极，称为栅极g，在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极s和漏极d，它们与三极管的三个电极相对应：栅极g基极b；源极s发射极e；漏极d集电极c。夹在两个PN结中间的N型区域为导电沟道，这种结构就称为N沟道结型场效应管。按照类似方法，在一块P型半导体的两边各扩散一个高
22、浓度的N区，就可以制成P沟道结型场效应管。两种场效应管的代表符号如图所示，箭头方向表示栅结正偏时，栅极电流的指向。2、MOS场效应管基本结构和符号 N沟道增强型MOS管的结构如图所示，它以一块低掺杂浓度的P型硅半导体薄片作衬底，用扩散的办法形成两个高掺杂浓度的N型区（用N+表示），并引出两个电极分别作为漏极d和源极s。在P型硅表面上生长一层很薄的SiO2绝缘层，再覆盖一层金属薄层，并引出一个电极作为场效应管的栅极g。在衬底上也引出一个引线B，引线B一般在制造时就与源极s相连。由于栅极g与源极s、漏极d及P型衬底之间均无电接触，故称为绝缘栅极，这也是为什么把这种场效应管又称为绝缘栅型场效应管的原
23、因。场效应管工作原理 场效应管是一种电压控制电流型器件，通过改变栅源电压就可以控制其漏极电流的大小，和双极型三极管不同，工作时只有一种载流子参与导电，也常称为单极性型晶体管，下面以N型MOS管为例，介绍下场效应管的工作原理。当 时，栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，当 达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P型衬底表面便形成一个N型薄层，两个N+区连通，构成了漏极、源极间的N型导电沟道。时，漏-源之间没有导电沟道，阻值可高达1012数量级，所以这时漏极电流 1、N沟道增强型MOS管的工作原理（1）对 及沟道的控制作用GSuDi0GSu0Di0GSu
24、GSu 当 时，导电沟道形成，如果在漏极、源极间加上正向电压，将会有漏极电流 产生。当 较小时，只要 一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以 随 上升迅速增大，近似呈线性变化。（2）对 的影响DSuDiTGSUuDSuGSuDiDSu（3）输出特性和转移特性曲线 MOS管的输出特性是指栅源电压 一定时，漏极电流 与漏源电压 的关系曲线：常数GSuDSDufi)(输出特性曲线与三极管输出特性曲线相似也是一簇曲线。MOS管的转移特性是指漏源电压为一定时，栅源电压对漏极电流的控制关系，即 转移特性体现了 对 的控制能力，由于在饱和区内，基本不受 影响，因此饱和区内不同的 所对应的转移特性曲线几乎是重合的
25、。常数DSuGSDufi)(GSuDiDiDSuDSu2、N沟道耗尽型MOS管的工作原理 N沟道耗尽型MOS管的工作原理与增强型的分析类似。N沟道耗尽型MOS管特性曲线场效应管的主要参数及性能比较 场效应管的参数很多，包括直流参数、交流参数和极限参数，但一般使用时主要关注以下参数：(1)开启电压和夹断电压；1、主要参数(2)漏极饱和电流IDSS；(3)直流输入电阻RGS。(4)低频互导gm 低频互导指在为常数时，漏极电流微变量与引起该变化的栅源电压的微变量之比，即 互导gm的单位是mS（毫西门子），反映了栅极电压对漏极电流的控制能力。互导越大，管子的放大能力越好。常数DSuGSDmuig(5)
26、最大漏极电流IDM(6)最大耗散功率PDM2、与晶体三极管的性能比较(1)场效应管是电压控制电流型器件；三极管是电流控制电流型器件。(2)场效应管只利用多数载流子导电，称为单极型器件；三极管既有多数载流子也有少数载流子参与导电，称为双极型器件。由于少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。(3)场效应管基本无栅极电流；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流，因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻要高得多。(4)有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅源电压也可正可负，灵活性比三极管好。(5)场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比
27、较高的电路中要选用场效应管。(6)场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且制造工艺简单，耗电少，热稳定性好，因此场效应管在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用。本章小结1半导体材料是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，在本征半导体中掺入微量的杂质，就构成杂质半导体，杂质半导体可以分为N型和P型两大类。在N型半导体中，自由电子为多数载流子；空穴为少数载流子。而在P型半导体中，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。2PN结具有单向导电性，是构成半导体器件的重要特性。3把一个PN结封装起来引出金属电极便可构成二极管。二极管可用于整流、限幅、检波、开关等电路中。4半导体三极管是由两个PN结组成的三端有源器件，分NPN和PNP两种类型。三极管是放大电路的核心器件.5场效应管利用输入电压产生电场效应来控制输出电流的，属于电压控制型器件，外形与三极管相似。
