第1章_半导体元器件

1、第一章：半导体元器件第一章：半导体元器件 半导体的特性半导体的特性 物质的导电性能决定于原子结构的物质的导电性能决定于原子结构的 最外层电子：最外层电子： 导体一般为低价元素导体一般为低价元素 绝缘体一般为高价元素或高分子绝缘体一般为高价元素或高分子 物质物质 常用的半导体材料均为四价元素常用的半导体材料均为四价元素 半导体之所以能被用来制造电子元半导体之所以能被用来制造电子元 器件，不在于其导电能力处于导体器件，不在于其导电能力处于导体 和绝缘体之间，而在于其导电能力和绝缘体之间，而在于其导电能力 在外界某种因素作用下会发生显著在外界某种因素作用下会发生显著 的变化：的变化： 掺杂掺杂热敏效

2、应热敏效应光电效应光电效应 本征半导体中的共价键结构本征半导体中的共价键结构 没有杂质且晶体结构完整的半导体没有杂质且晶体结构完整的半导体 被称为本征半导体被称为本征半导体 在晶体中，每两个在晶体中，每两个 原子都公用一对价原子都公用一对价 电子，形成共价电电子，形成共价电 子对，这种结构称子对，这种结构称 为为共价键共价键结构结构 半导体中的两种载流子半导体中的两种载流子( (一一) ) 在热力学温度为在热力学温度为0K0K 且无外界其它因素激且无外界其它因素激 发时，价电子全部束发时，价电子全部束 缚在共价键内缚在共价键内 在温度升高，价电在温度升高，价电 子获得的热能足够大子获得的热能足

3、够大 时，便能挣脱原子束时，便能挣脱原子束 缚而成为自由电子缚而成为自由电子 ( (带负电带负电) )，并在原共，并在原共 价键处留下一个带正价键处留下一个带正 电的空位，即电的空位，即“空穴空穴” 半导体中的两种载流子半导体中的两种载流子( (二二) ) 在没有外加电场时，自由电子和空在没有外加电场时，自由电子和空 穴在晶体中做无规律的运动穴在晶体中做无规律的运动 在加有外加电场后，自由电子和空在加有外加电场后，自由电子和空 穴都在电场作用下做定向运动，对外穴都在电场作用下做定向运动，对外 部显现电流部显现电流 自由电子和空穴都是载运电流的粒子，自由电子和空穴都是载运电流的粒子， 统称为统称

4、为载流子载流子 本征半导体中自由电子和空穴成对产本征半导体中自由电子和空穴成对产 生，相应的物理现象称为激发；自由生，相应的物理现象称为激发；自由 电子也会释放能量进入有空位的共价电子也会释放能量进入有空位的共价 键，二者同时消失，相应的物理现象键，二者同时消失，相应的物理现象 称为复合称为复合 本征半导体中载流子浓度的决定因素本征半导体中载流子浓度的决定因素 杂质半导体杂质半导体-N-N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入 少量的五价元素，使少量的五价元素，使 每一个五价元素取代每一个五价元素取代 一个四价元素在晶体一个四价元素在晶体 中的位置，即可形成中的位置，即可形成N

5、 N 型半导体型半导体 此时的杂质元素很容此时的杂质元素很容 易贡献出自由电子，易贡献出自由电子， 而形成正离子，故称而形成正离子，故称 为为“施主杂质施主杂质” N N型型( (电子型电子型) )半导体中自由电子居多数，半导体中自由电子居多数， 故称为故称为“多数载流子多数载流子”(”(多子多子) )；空穴；空穴 被称为被称为“少数载流子少数载流子”(”(少子少子) ) 杂质半导体杂质半导体-P-P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入 少量的三价元素，即少量的三价元素，即 可形成可形成P P型半导体型半导体 此时的杂质元素很容此时的杂质元素很容 易贡献出空位。在该易贡献出空

6、位。在该 空位被自由电子或邻空位被自由电子或邻 近原子的价电子填补近原子的价电子填补 后，杂质原子成为正后，杂质原子成为正 离子，故称为离子，故称为“受主受主 杂质杂质” P P型型( (空穴型空穴型) )半导体中空穴居多数，故半导体中空穴居多数，故 称为称为“多数载流子多数载流子”(”(多子多子) )；自由电；自由电 子被称为子被称为“少数载流子少数载流子”(”(少子少子) ) 半导体内的电流半导体内的电流 半导体中除了自由电子运动形成电半导体中除了自由电子运动形成电 流以外，还有空穴运动形成电流。空流以外，还有空穴运动形成电流。空 穴运动实际上是价电子运动穴运动实际上是价电子运动 半导体中

7、的载流子运动包括两种：半导体中的载流子运动包括两种： 由于电场直接作用而形成载流子移由于电场直接作用而形成载流子移 动的电流称为漂移电流动的电流称为漂移电流 由于载流子浓度差而形成载流子移由于载流子浓度差而形成载流子移 动的电流称为漂移电流动的电流称为漂移电流 半导体中的电流是以上两种电流之半导体中的电流是以上两种电流之 和和 PNPN结的形成结的形成 对同一块半导体，一端掺入受主对同一块半导体，一端掺入受主 杂质，成为杂质，成为P P型半导体；另一端型半导体；另一端 掺入施主杂质，成为掺入施主杂质，成为N N型半导体。型半导体。 这两种杂质半导体紧密地接触在这两种杂质半导体紧密地接触在 一起

8、，并在接触处保持晶格的连一起，并在接触处保持晶格的连 续性，这样就在接触面形成一个续性，这样就在接触面形成一个 PNPN结结 PNPN结的势垒结的势垒( (一一) ) 两个区内的多子均扩散两个区内的多子均扩散 至对方区域内形成非平至对方区域内形成非平 衡载流子，并因为复合衡载流子，并因为复合 而不断减少。扩散过程而不断减少。扩散过程 即产生扩散电流即产生扩散电流 扩散后在原区域内形成扩散后在原区域内形成 空间电荷区，该区域由空间电荷区，该区域由 不能移动的正、负离子不能移动的正、负离子 构成构成 空间电荷区阻碍载流子空间电荷区阻碍载流子 的扩散的扩散( (故也称为势垒故也称为势垒 区区) )，

9、但会产生漂移电，但会产生漂移电 流流 PNPN结的势垒结的势垒( (二二) ) 扩散运动使势垒区加厚，扩散运动使势垒区加厚， 当扩散电流等于漂移电当扩散电流等于漂移电 流时，势垒宽度达到稳流时，势垒宽度达到稳 定，从而形成动平衡定，从而形成动平衡 势垒区的载流子浓度远势垒区的载流子浓度远 小于非势垒区，故被称小于非势垒区，故被称 为耗尽区，亦被称为高为耗尽区，亦被称为高 阻区阻区 势垒区形成后，两种电特性的半导体势垒区形成后，两种电特性的半导体 之间便产生了电位差。平衡状态下，之间便产生了电位差。平衡状态下， 势垒有一确定的高度，决定于半导体势垒有一确定的高度，决定于半导体 材料和温度材料和温

10、度 PNPN结外加直流结外加直流( (缓变缓变) )正向电压时的电流正向电压时的电流 外加电压的极性与势垒外加电压的极性与势垒 的极性相反的极性相反 两个区的多子均趋向势两个区的多子均趋向势 垒区，并与该区的部分垒区，并与该区的部分 正、负离子中和，从而正、负离子中和，从而 使得势垒降低使得势垒降低 势垒降低后形成了较大势垒降低后形成了较大 的扩散电流的扩散电流 此时的外加电压称为正此时的外加电压称为正 向电压，正向电压下的向电压，正向电压下的 电流称为正向电流，正电流称为正向电流，正 向电流随正向电压的增向电流随正向电压的增 大而增大大而增大 PNPN结外加直流结外加直流( (缓变缓变) )

11、反向电压时的电流反向电压时的电流 外加电压的极性与势垒外加电压的极性与势垒 的极性相同的极性相同 在外加电压作用下，势在外加电压作用下，势 垒区加厚，势垒增高垒区加厚，势垒增高 势垒增高后，扩散电流势垒增高后，扩散电流 减小减小( (到到0)0)；漂移电流；漂移电流 基本不随外加电流而变基本不随外加电流而变 此时的外加电压称为反此时的外加电压称为反 向电压，反向电压下的向电压，反向电压下的 电流称为反向电流，反电流称为反向电流，反 向电流不随反向电压的向电流不随反向电压的 大小而变，故称为反向大小而变，故称为反向 饱和电流饱和电流 PNPN结的伏安特性结的伏安特性 PNPN结的伏安特性指通过结

12、的伏安特性指通过PNPN结的电流与结的电流与 加在其上的电压之间的关系：加在其上的电压之间的关系： (1)(1) T U qU U kT SS IIeIe / T UkT q：热电压：热电压 室温下，室温下，26 T UmV (0 &100)if UUmV T U U S II e (0 &100)if UUmV S II PNPN结的温度特性结的温度特性 温度升高时：温度升高时： 反向饱和电流增大反向饱和电流增大 温度每升高温度每升高1010，反向饱和电流加倍，反向饱和电流加倍 势垒下降势垒下降 温度每升高温度每升高1 1，势垒降低约，势垒降低约2mV2mV PNPN结单向导电性总结：结单向

13、导电性总结： 无外加电压时，结内扩散电流与飘移电无外加电压时，结内扩散电流与飘移电 流形成动平衡，总电流为流形成动平衡，总电流为0 0 正偏时势垒降低，扩散电流及总电流随正偏时势垒降低，扩散电流及总电流随 偏压升高而增大偏压升高而增大 反偏时势垒增高，扩散电流随偏压升高反偏时势垒增高，扩散电流随偏压升高 而减小并趋于而减小并趋于0 0，总电流趋于不变，总电流趋于不变 PNPN结具有满足指数规律的伏安特性结具有满足指数规律的伏安特性 PNPN结的温度特性结的温度特性 将将PNPN结用外壳封装起来，并加上电极结用外壳封装起来，并加上电极 引线，即形成引线，即形成PNPN结结 正正 极极 负负 极极

14、 根据材料和工艺的不同，相应制成的根据材料和工艺的不同，相应制成的 二极管具有不同的特性和适用范围二极管具有不同的特性和适用范围 二极管的特性：综述二极管的特性：综述 可用特性曲线表示法、解释式表示法可用特性曲线表示法、解释式表示法 和参数表示法来定量说明电子器件特和参数表示法来定量说明电子器件特 性性 理想理想PNPN结伏安特性与实际二极管特性结伏安特性与实际二极管特性 的区别：的区别： 当电流大时，应考虑施加在二极管体电当电流大时，应考虑施加在二极管体电 阻和引线电阻上的电压阻和引线电阻上的电压 在反向电压下，应考虑由于封装工艺不在反向电压下，应考虑由于封装工艺不 理想而存在的微小漏电流，

15、从而反向电流理想而存在的微小漏电流，从而反向电流 将随反向电压的增大而增加将随反向电压的增大而增加 二极管的特性：伏安特性曲线二极管的特性：伏安特性曲线 在正向小电流状态，在正向小电流状态， 符合指数规律，存在符合指数规律，存在 导通电压导通电压 D U 在正向大电流状态，在正向大电流状态， 曲线接近直线曲线接近直线 反向电压不大时，反向电压不大时， 存在漏电流存在漏电流 齐纳击穿齐纳击穿 雪崩击穿雪崩击穿 反向电压超过某一反向电压超过某一 值时出现击穿，相应值时出现击穿，相应 电压即为击穿电压电压即为击穿电压 Z U 二极管的特性：二极管的电阻二极管的特性：二极管的电阻 在确定二极管等效电阻

16、时：在确定二极管等效电阻时： 必须考虑二极管的工作状态及工作点必须考虑二极管的工作状态及工作点 必须将微变电阻和直流电阻区别开来必须将微变电阻和直流电阻区别开来 直流电阻直流电阻/ D RU I 室温下，有室温下，有 26() d mV r I / dT rUI微变电阻微变电阻 故：故： 二极管为非线性电阻二极管为非线性电阻 正向电阻随工作点电正向电阻随工作点电 流增大而减小流增大而减小 正向直流电阻大于微正向直流电阻大于微 变电阻变电阻 二极管的特性：二极管的主要参数二极管的特性：二极管的主要参数 指反向电流明显增大，超过某规定指反向电流明显增大，超过某规定 值时的反向电压值时的反向电压 B

17、R U反向击穿电压反向击穿电压 F U正向直流电压正向直流电压 指在工作额定电流下的直流电压指在工作额定电流下的直流电压 ()FT AV P正向导通平均耗散功率正向导通平均耗散功率 指正向导通时二极管两端电压与通指正向导通时二极管两端电压与通 过电流乘积的平均值过电流乘积的平均值 二极管的特性：二极管的二极管的特性：二极管的SPICESPICE模型参数模型参数 SPICE(Simulation Program with SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)Integrated Circuit Emphasis)中中

18、 二极管的主要参数如下表所示：二极管的主要参数如下表所示： 特种二极管：稳压二极管特种二极管：稳压二极管 稳压二极管利用稳压二极管利用PNPN结的反向击穿特性结的反向击穿特性 而制成。除用于稳压电源和限幅电路而制成。除用于稳压电源和限幅电路 外，还用于要求直流电阻远大于微变外，还用于要求直流电阻远大于微变 电阻的场合电阻的场合 主要参数：主要参数： Z U稳定电压稳定电压 Z I稳定电流稳定电流 ZM P额定功耗额定功耗 z r 微变电阻微变电阻 特种二极管：肖特基二极管特种二极管：肖特基二极管 肖特基肖特基(Schottky)(Schottky)二极管是由金属二极管是由金属- - 硅结构成的

19、二极管，其正极是金属，硅结构成的二极管，其正极是金属， 负极是负极是N N型硅型硅 肖特基二极管的伏安特性与肖特基二极管的伏安特性与PNPN 结类似，区别在于：结类似，区别在于： 肖特基二极管适用于高速高频肖特基二极管适用于高速高频 电路电路 肖特基二极管的正向导通电压肖特基二极管的正向导通电压 和反向击穿电压均较低和反向击穿电压均较低 肖特基二极管的体电阻小于普肖特基二极管的体电阻小于普 通二极管通二极管 特种二极管：光电二极管特种二极管：光电二极管 利用光电效应及某些半导体材料可在利用光电效应及某些半导体材料可在 自由电子与空穴复合时发光的特性，自由电子与空穴复合时发光的特性， 可制成光电

20、二极管可制成光电二极管 发光二极管发光二极管(LED)(LED)：将电能转换成光能：将电能转换成光能 光敏二极管光敏二极管(Photodiode)(Photodiode)：将光能转换：将光能转换 成电能成电能 三极管的结构和符号三极管的结构和符号 三个掺杂区、三个电极、两个三个掺杂区、三个电极、两个PNPN结结 结构特点：结构特点： 基区很薄，掺杂浓度很低基区很薄，掺杂浓度很低 发射区掺杂浓度很高发射区掺杂浓度很高 集电区的面积比发射区的面积大很多集电区的面积比发射区的面积大很多 三极管符号中的箭头方向是由三极管符号中的箭头方向是由P P型半型半 导体指向导体指向N N型半导体型半导体 三极管

21、的工作状态三极管的工作状态 根据三极管两个根据三极管两个PNPN结电压的不同，可结电压的不同，可 将三极管的工作状态分为四类，如下将三极管的工作状态分为四类，如下 表所示：表所示： 在不同状态下管子的性能有显著不同在不同状态下管子的性能有显著不同 PNPN结的外加电压称为偏压，相应的电结的外加电压称为偏压，相应的电 流称为电流；正向偏压简称正偏，反流称为电流；正向偏压简称正偏，反 向偏压简称反偏向偏压简称反偏 放大状态下的三极管：直流静态电流放大状态下的三极管：直流静态电流 发射区的载流子发射区的载流子 发射过程发射过程 基区的载流子扩基区的载流子扩 散和复合过程散和复合过程 集电区的载流子集

22、电区的载流子 收集过程收集过程 可通过基区的少子可通过基区的少子 密度曲线来定性分密度曲线来定性分 析三个极的电流析三个极的电流 EBC III 放大状态下的三极管：结电压变化对电流的影响放大状态下的三极管：结电压变化对电流的影响 当固定集电结电压，改变当固定集电结电压，改变 发射结正向电压时的情况发射结正向电压时的情况 当固定发射结电压，改变当固定发射结电压，改变 集电结电压时的情况集电结电压时的情况 集电结电压的调宽集电结电压的调宽( (基区基区 调宽调宽) )效应效应 对于工作在放大状态下对于工作在放大状态下 的三极管来说，发射结的三极管来说，发射结 电压对电流的控制能力电压对电流的控制

23、能力 要比集电结电压对电流要比集电结电压对电流 的控制能力强得多的控制能力强得多 放大状态下的三极管：截止状态下的三极管放大状态下的三极管：截止状态下的三极管 注意：虽然在理注意：虽然在理 论上的临界情况论上的临界情况 是发射结电压为是发射结电压为0 0， 但实际上当发射但实际上当发射 结正向电压还未结正向电压还未 减到减到0 0时，越过发时，越过发 射结扩散至基区射结扩散至基区 的载流子就已经的载流子就已经 很少了。此时器很少了。此时器 件的工作状态实件的工作状态实 际上接近截止际上接近截止 放大状态下的三极管：饱和状态下的三极管放大状态下的三极管：饱和状态下的三极管 注意：虽然在理注意：虽

24、然在理 论上的临界情况论上的临界情况 是集电结电压为是集电结电压为0 0， 但实际上当集电但实际上当集电 结加有不大的正结加有不大的正 向电压时，由于向电压时，由于 从集电区向基区从集电区向基区 扩散的载流子很扩散的载流子很 少，结电压对电少，结电压对电 流的控制作用和流的控制作用和 放大状态更为接放大状态更为接 近近 放大状态下的三极管：倒置状态下的三极管放大状态下的三极管：倒置状态下的三极管 倒置状态下管内倒置状态下管内 少子的运动规律少子的运动规律 及电流受结电压及电流受结电压 的控制规律和放的控制规律和放 大状态类似，但大状态类似，但 也存在不同：也存在不同： 发射极面积远比发射极面积

25、远比 集电极面积小，收集电极面积小，收 集电子的能力比集集电子的能力比集 电结差很多电结差很多 复合电流在总电复合电流在总电 流中所占的比例相流中所占的比例相 对放大状态大很多对放大状态大很多 三极管电流与电压关系的重要特点三极管电流与电压关系的重要特点 三极管外加电压对电流的控制的机理不三极管外加电压对电流的控制的机理不 同于导体中电压对电流的控制同于导体中电压对电流的控制 PNPN结外加足够大的反向电压时可使扩散结外加足够大的反向电压时可使扩散 电流消失；正常运用时，电流消失；正常运用时，PNPN结外加正向电结外加正向电 压时一般并不能达到使反向漂移电流消失压时一般并不能达到使反向漂移电流

26、消失 的程度的程度 由于管内同时有电子和空穴两种载流由于管内同时有电子和空穴两种载流 子参与导电，故称为双极型管子参与导电，故称为双极型管 当当PNPN结被加上不大的正向电压结被加上不大的正向电压( (小于文小于文 献中所称的导通电压献中所称的导通电压 ) )时，扩散作用十时，扩散作用十 分微弱，这就使得理论上的放大状态与截分微弱，这就使得理论上的放大状态与截 止状态的分界线、放大状态与饱和状态的止状态的分界线、放大状态与饱和状态的 分界线与实际情况有所不同分界线与实际情况有所不同 D U 共基极放大电路的放大作用共基极放大电路的放大作用 输入回路与输入回路与 输出回路以输出回路以 基极为公共

27、基极为公共 电极，故为电极，故为 共基极放大共基极放大 电路电路 分析可知，该电路：分析可知，该电路： 当输出回路所接的负载电阻足够大当输出回路所接的负载电阻足够大 时，具有同相电压放大作用时，具有同相电压放大作用 没有电流放大作用没有电流放大作用 共发射极放大电路的放大作用共发射极放大电路的放大作用 输入回路与输出输入回路与输出 回路以发射极为回路以发射极为 公共电极，故为公共电极，故为 共发射极放大电共发射极放大电 路路 分析可知，该电路：分析可知，该电路： 当输出回路所接的负载电阻足够大当输出回路所接的负载电阻足够大 时具有反相电压放大作用，但略小于时具有反相电压放大作用，但略小于 共基

28、极放大电路共基极放大电路 有电流放大作用有电流放大作用 三极管的放大作用：结论三极管的放大作用：结论 器件必须工作于放大状态，即发射器件必须工作于放大状态，即发射 结正偏，集电结反偏结正偏，集电结反偏 为使电路有电流放大作用，输入信为使电路有电流放大作用，输入信 号电流必须是基极电流号电流必须是基极电流 为使电路有电压放大作用，输入信为使电路有电压放大作用，输入信 号电压必须施加于正偏的发射结；输号电压必须施加于正偏的发射结；输 出信号必须取自反偏的集电结出信号必须取自反偏的集电结 输出端所接的用于提取电压信号的输出端所接的用于提取电压信号的 负载电阻的值应足够大负载电阻的值应足够大 三极管的

29、共发射极输出特性曲线簇三极管的共发射极输出特性曲线簇 当输出电压当输出电压 较大时，较大时， 增大，电流增大，电流 略有增大，但变化不大略有增大，但变化不大 CE U CE U C I 基区调宽效应基区调宽效应欧拉电压欧拉电压 A U 当输出电压当输出电压 较小时，电流较小时，电流 急剧减急剧减 小，这是由于器件进入饱和区所致小，这是由于器件进入饱和区所致 CE U C I 三极管的共发射极输入特性曲线簇三极管的共发射极输入特性曲线簇 时，集电结时，集电结 与发射结加上同样与发射结加上同样 大小的正向电压，大小的正向电压， 代表器件进入饱和代表器件进入饱和 区区 0 CE UV 时，代表器时，

30、代表器 件处于放大区。由件处于放大区。由 于此时于此时 的变化对的变化对 电流影响小，故用电流影响小，故用 一条曲线就可近似一条曲线就可近似 代表整个放大区的代表整个放大区的 情况情况 5 CE UV CE U 三极管的电流放大系数三极管的电流放大系数( (一一) ) 共发射极电流放大系数共发射极电流放大系数 CE C B U I I 常数 集电极电流与基极电流之比集电极电流与基极电流之比 又分为直流放大系数和交流又分为直流放大系数和交流( (微变，短微变，短 路路) )放大系数放大系数 CE CC BB U II II 常数 共基极电流放大系数共基极电流放大系数 共基极时集电极电流与发射极电流之比共基极时集电极电流与发射极电流之比 也分为直流放大系数和交流也分为直流放大系数和交流( (微变，短微变，短 路路) )放大系数放大系数 CB C E U I I 常数 CB CC EE U II II 常数 三极管的电流放大系数三极管的电流放大系数( (二二) ) , 11 与与 的关系：的关系： 直流电流放大系数也有上述接近关系直流电流放大系数也有上述接近关系 需要注意两