1、半导体器件半导体器件1 半导体的基础知识，半导体的基础知识，P型硅，型硅，N型硅型硅2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管3 特殊二极管特殊二极管4 半导体三极管半导体三极管5 场效应管场效应管1.1 本征半导体本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。Si硅原子硅原子Ge锗原子锗原子1 半导体的基本知识半导体的基本知识化学元素周期表通过一定的工艺过程，可以将半导体通过一定的工艺过程，可以将半导体制成制成晶体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，完全纯净的、结构完整的半导
2、体晶体，称为称为本征半导体本征半导体。在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子之间形成子之间形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电子。硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难，常温下束缚电子很难脱离共价键成为脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电中的自由电子很少，所以本征半
3、导体的导电能力很弱。能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+41.2杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。载流子：电子，空穴大大增加。载流子：电子，空穴N型半导体型半导体（主要载流子为电子，电子半导体）（主要
4、载流子为电子，电子半导体）P型半导体型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）（主要载流子为空穴，空穴半导体）N型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每
5、个这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为磷原子给出一个电子，称为施主原子施主原子。硅或锗硅或锗+少量磷少量磷 N型半导体型半导体N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表示型硅表示SiPSiSiP型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸子形成共价键时，产生一个空穴
6、。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主受主原子原子。硅或锗硅或锗+少量硼少量硼 P型半导体型半导体空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动可以移动杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体2.1 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型型
7、半导体和半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了在它们的交界面处就形成了PN结。结。2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电荷区扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区越强，而漂移使空间电荷区变薄。变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。在半导体中由于浓度差别，在半导体中由于浓度差别，多数载流子（多子）从浓度多数载流子（多
8、子）从浓度高向浓度低的区域移动，称高向浓度低的区域移动，称扩散运动扩散运动；形成；形成扩散电流扩散电流。少数载流少数载流子（少子）子（少子）在内电场在内电场作用下，作用下，有规则的有规则的运动称为运动称为漂移运动漂移运动；形成形成漂移漂移电流电流。漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。+空间电空间电荷区荷区N型区型区P型区型区电位电位VV01.1.空间
9、电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。2.2.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P P 区中的空穴，区中的空穴，N 区区中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向）向对方运动（对方运动（扩散运动扩散运动）。）。3.3.P 区中的电子和区中的电子和N 区中的空穴（区中的空穴（都是少子都是少子），数量有限，因此由它们形），数量有限，因此由它们形成的电流很小。（成的电流很小。（漂移运动漂移运动）注意注意:一、一、PN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场+REPN+_内电场被削弱，内电场被削弱，扩散扩散 飘飘移，移，多子的扩散加强能够多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流形成较大
10、的扩散电流(正正向电流）。向电流）。2.PN结的单向导电性结的单向导电性 空间电荷区变薄空间电荷区变薄正向电流正向电流PN 结结处于处于导导通通状态状态PN 结结正向偏置正向偏置的意思是：的意思是：P 区加正、区加正、N 区加负电压。区加负电压。只允许一个方向的电流通过。只允许一个方向的电流通过。形成正向电流，称形成正向电流，称正向导通正向导通。二、二、PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场NP+_内电场被加强，多子的扩内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。成较小的反向电流。RE空间电荷
11、区空间电荷区变厚变厚PN 结结处于处于截截止止状态状态反向电流反向电流PN 结结反向偏置反向偏置的意思是：的意思是：P 区加负、区加负、N 区加正电压。区加正电压。反向电流极小，称反向电流极小，称反向截止反向截止。2.3 半导体二极管半导体二极管(1)基本结构基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PNPN符号符号阳极阳极阴极阴极(2)伏安特性伏安特性UI导通压降导通压降:硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿电反向击穿电压压U(BR)死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.2V。UIE+-反向漏电流反向漏电流（很小，（
12、很小，A级）级）二极管主要参数 最大整流电流：最大正向平均电流最大整流电流：最大正向平均电流IOm；最大反向电压：最高反向工作电压最大反向电压：最高反向工作电压URm；最大反向电流：最大反向电流：IRm反映二极管的单向导通特反映二极管的单向导通特性性二极管的应用 整流 防反接 限幅 门电路 例例1：二极管：死区电压：二极管：死区电压=0.5V，正向压降正向压降=0.7V(硅二极管硅二极管)理想二极管：死区电压理想二极管：死区电压=0，正向压降，正向压降=0 RLuiuOuiuott二极管半波整流二极管半波整流例例2：二极管的应用：二极管的应用RRLuiuRuotttuiuRuo3.其它类型二极
13、管其它类型二极管 光电二极管光照影响反向电流，光强度高、反向电流大；发光二极管（LED）单管LED七段式数码管矩阵式LED显示屏 稳压二极管稳压二极管稳压二极管IZmax+-稳压二极管符号稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲线稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作当稳压二极管工作在反向击穿状态下在反向击穿状态下,当工作电流当工作电流IZ在在Izmax和和 Izmin之间时之间时,其两端电压近似为其两端电压近似为常数常数正向同正向同二极管二极管稳定稳定电流电流稳定稳定电压电压NPN型三极管型三极管三极管符号三极管符号NPNCBEPNPCBEBECTBECTPNP型三极管型三极管CBE
14、NNP4.1 基本结构、类型与符号基本结构、类型与符号4 半导体三极管半导体三极管(双极型晶体管）双极型晶体管）结构特点：结构特点：发射极掺杂浓度最大；发射极掺杂浓度最大；基区掺杂浓度最小，宽度最窄；基区掺杂浓度最小，宽度最窄；集电极面积最大。集电极面积最大。以使晶体以使晶体管具有放管具有放大作用。大作用。发射结发射结集电结集电结基极基极BECNNP发射极发射极集电极集电极+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 基区：基区：较薄，较薄，掺杂浓掺杂浓度度低低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高集电结集电结发射结发射结
15、基极基极BCEPPN集电极集电极发射极发射极+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ NPN型型PNP型型基本结构基本结构基区：基区：较薄，较薄，掺杂浓掺杂浓度度低低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高4.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴基区空穴向发射区向发射区的的扩散扩散形形成成 IEP。IEP进入进入P区的电子少部分区的电子少部分与基区的空穴复合，形与基区的空穴复合，形成电流成电流IBN ，多数扩散，多数扩散到集电结边缘。到集电结边缘。发射结正偏，发射结正偏，发射区电子
16、发射区电子不断向基区不断向基区扩散扩散，形成，形成发射极电流发射极电流IEN。ENEPENIIIIBNIENIB=IBN+IEPIBBECNNPEBRBECIEIEPENEPENIIIIBNIENIB=IBN+IEPIB集电结集电结反偏反偏，使，使内电场增强，从内电场增强，从发射区扩散到基发射区扩散到基区并到达集电结区并到达集电结边缘的电子，边缘的电子，在内电场的作在内电场的作用下，用下，漂移漂移进进集电区，形成集电区，形成 ICN 。ICN集电结集电结反偏反偏，有少子发生，有少子发生漂移漂移运动，形成极小的运动，形成极小的 反反向电流向电流ICBO。ICBOIC =ICN+ICBO ICNI
17、CBO IBN发射结发射结正偏正偏，发射区电子发射区电子不断向基区不断向基区扩散扩散，形成，形成发射极电流发射极电流IEN。进入进入P区的电子少部分区的电子少部分与基区的空穴复合，形与基区的空穴复合，形成电流成电流IBN ，大部分扩，大部分扩散到集电结边缘。散到集电结边缘。基区空穴基区空穴向发射区向发射区的扩散形的扩散形成成 IEP。ICBOCBEIIIBNCNII直流电直流电流放大流放大倍数倍数PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场NP+_内电场被加强，多子的扩内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，散受抑制。少子漂移加强，但少子但少子数量有限数量有限，只能形，只能形成较
18、小的反向电流。成较小的反向电流。RE空间电荷区空间电荷区变厚变厚PN 结结处于处于截截止止状态状态反向电流反向电流PN 结结反向偏置反向偏置的意思是：的意思是：P 区加负、区加负、N 区加正电压。区加正电压。反向电流极小，称反向电流极小，称反向截止反向截止。B极极C极极ICBOICN集电结集电结反偏反偏，使内，使内电场增强，从发射电场增强，从发射区扩散到基区并到区扩散到基区并到达集电结边缘，达集电结边缘，数数量极大量极大的电子，的电子，在在内电场的作用下，内电场的作用下，漂移漂移进集电区，形进集电区，形成成 极大极大ICN 。IB=IBE-ICBO IBEIBBECNNPEBRBECIEICB
19、OICEIC=ICE+ICBO ICEIBE ICE与与IBE之比称为电流放大倍数：之比称为电流放大倍数：要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。BCCBOBCBOCBECEIIIIIIII NPN型三极管型三极管PNP型三极管型三极管BECTIBIEICBECTICIBIE 三极管的电流方向和发射结与集电结所处的极性：三极管的电流方向和发射结与集电结所处的极性：CEOBCBOBCIIIII)1(CBOCEOII)1()0(CEOBCIIIBEII)1()1(CEII4.3 特性曲线特性曲线ICmA AVVUCEUBERBIBEC
20、EB 实验电路实验电路一、一、输入特性曲线输入特性曲线UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：工作压降：硅管硅管UBE 0.60.7V,锗锗管管UBE 0.20.3V。UCE=0VUCE=0.5V 死区电压：死区电压：硅管硅管0.5V，锗管锗管0.2V。输入特性曲线输入特性曲线是指是指UCE为常数时，为常数时，IB与与UBE之间的关系曲线。即：之间的关系曲线。即：)(BEBUfI 二、二、输出特性输出特性曲线曲线IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域满足此区域满足IC=IB 称为称为线性区（放线性区（
21、放大区）。大区）。当当UCE大于一定的大于一定的数值时，数值时，IC只与只与IB有关，有关，IC=IB。输出特性曲线输出特性曲线是指是指IB 为常数时，为常数时，IC与与UCE之间的关系曲线。即：之间的关系曲线。即：)(CECUfI IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中UCE UBE,集电结正集电结正偏，偏，IBIC，UCE 0.3V称为饱称为饱和区。和区。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE 0.3V
22、(3)截止区：截止区：UBE 死区电压，死区电压，IB=0，IC=ICEO 0 前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。法，相应地还有共基、共集接法。共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：BCII_工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为极电流的变化量为 IB，相应的集电极电流变化为相应的集电极电流变化为 IC，则则交流电流放交流电流放大倍数大倍数为：为：BIIC4.4 主要参数主要参数1.电流
23、放大倍数电流放大倍数 和和 5.3704.05.1_BCII4004.006.05.13.2BCII在以后的计算中，在以后的计算中，一般作近似处理：一般作近似处理：=例：例：UCE=6V时时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA。2.集集-基极反向截止电流基极反向截止电流ICBO AICBOICBO是集电结反是集电结反偏由少子的漂移偏由少子的漂移形成的反向电流，形成的反向电流，受温度的变化影受温度的变化影响。响。BECNNPICBOICEO=IBE+ICBO IBE IBEICBO进入进入N区，区，形成形成IBE。根据放大关系，由根据放大关系，由于于IBE的存
24、在，必有的存在，必有电流电流 IBE。当集电结反当集电结反偏时，集电偏时，集电区的空穴漂区的空穴漂移到基区而移到基区而 形成的形成的ICBO3.集集-射极反向截止电流射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很大，受温度影响很大，当温度上升时，当温度上升时，ICEO增增加很快，所以加很快，所以IC也相也相应增加。应增加。三极管的温三极管的温度特性较差度特性较差。4.集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM集电极电流集电极电流IC上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的下降，当值的下降，当 值下降到正值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。5.集集
25、-射极反向击穿电压射极反向击穿电压U(BR)CEO当集当集-射极之间的电压射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是击穿。手册上给出的数值是25 C、基极开路时的击穿电压基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。6.集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗 PCM 集电极电流集电极电流IC 流过三极管，流过三极管，所发出的焦耳所发出的焦耳 热为：热为：PC=ICUCE 必定导致结温必定导致结温 上升，所以上升，所以PC 有限制。有限制。PC PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区三极管开关电路控制较大功
26、率的LED开关5 场效应晶体管场效应晶体管场效应管与晶体管不同，它是多子场效应管与晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。导电，输入阻抗高，温度稳定性好。结型场效应管结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种场效应管有两种:N沟道沟道P沟道沟道耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型 MOS绝缘栅场效应管（绝缘栅场效应管（N沟道）沟道）（1）结构结构PNNGSDP型基底型基底两个两个N区区SiO2绝缘层绝缘层金属铝金属铝N导电沟道导电沟道未预留未预留 N沟道增强型沟道增强型预留预留 N沟道耗尽型沟道耗尽型PNNGSDGSDN沟道增强型沟道增强型
27、（2）符号）符号N沟道耗尽型沟道耗尽型GSD栅极栅极漏极漏极源极源极耗尽型耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线IDmAVUDSUGS 实验线路实验线路(共源极接法共源极接法)GSD输出特性曲线输出特性曲线UGS=0VU DS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V夹断电压夹断电压UP=-2V固定一个固定一个U DS，画出，画出ID和和UGS的关系曲线，称为转移特性的关系曲线，称为转移特性曲线曲线耗尽型耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSUP夹断电压夹断电压跨导跨导gmUGS=0VU DS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V=ID/UGS=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V UGS ID本课重点本课重点（1）二极管的特性曲线，静态电阻，）二极管的特性曲线，静态电阻，动态电阻。动态电阻。（2）稳压二极管的特性曲线及稳压计算。）稳压二极管的特性曲线及稳压计算。（3）晶体管的特性曲线，三个工作区域，）晶体管的特性曲线，三个工作区域，电流放大倍数。电流放大倍数。（4）N沟道沟道 MOS绝缘栅场效应管的特性绝缘栅场效应管的特性 曲线，跨导。曲线，跨导。
