模电课件-第1章-半导体器件

1、 教学目标 了解半导体的基本特性，半导体二极管、双极型 三极管、场效应管的分类、结构、基本电特性和 主要技术参数等。 理解本征半导体、杂质半导体、PN结、单向导电 性、伏安特性、电容效应、电流放大、击穿、稳 压、夹断、开启等基本概念。 掌握PN结的工作原理、半导体二极管的伏安特性、 双极型三极管的工作原理、电流分配关系、电流 放大原理、输入特性曲线、输出特性曲线、场效 应三极管的工作原理、转移特性曲线和输出特性 曲线。 第一章 常用半导体器件 1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 1.3 晶体三极管晶体三极管 1.4 1.4 场效应晶体

2、管场效应晶体管 1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属 一般都是导体。（一般都是导体。（电阻率电阻率10-610-3） 绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。（电阻率皮、陶瓷、塑料和石英。（电阻率10109 9101020 20 ） 半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓等。，如锗、硅、砷化镓等。 （电阻率（电阻率1010

3、-3 -3 10109 9） 。 1 1、本征半导体、本征半导体 定义定义 纯净的晶体结构的半导体叫做纯净的晶体结构的半导体叫做本征半导体本征半导体。 无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构 本征半导体的结构及导电机理（以硅本征半导体的结构及导电机理（以硅Si为例）为例） 共价键共价键 价电子共有化，形成共价键的晶格结构价电子共有化，形成共价键的晶格结构 半导体中有两种载流子半导体中有两种载流子: :自由电子和空穴自由电子和空穴 自由电子自由电子 空穴空穴 在外电场作用下，电子的定向移动形成电流在外电场作用下，电子的定向移动形成电流 + + + + + + + + + + + + + + + + -

4、 - - - - - - - - - - - - - - - 在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流 + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - 1.1.本征半导体中载流子为自由电子和空穴本征半导体中载流子为自由电子和空穴( (金属呢？金属呢？) )。 2.2.电子和空穴成对出现电子和空穴成对出现, ,浓度相等。浓度相等。 3.3.由于热激发可产生电子和空穴由于热激发可产生电子和空穴, ,因此半导体的导因此半导体的导 电性和温度有关电性和温度有关, ,对温度很敏感。对温度很

5、敏感。 2 2 杂质半导体杂质半导体 2.1 N型半导体型半导体 在纯净的硅晶体在纯净的硅晶体 中掺入五价元素中掺入五价元素 （如磷），使之取（如磷），使之取 代晶格中硅原子的代晶格中硅原子的 位置，就形成了位置，就形成了N N 型半导体。型半导体。 电子电子-多子多子; ; 空穴空穴-少子少子. . 2 2 杂质半导体杂质半导体 2.2 P型半导体型半导体 在纯净的硅晶体在纯净的硅晶体 中掺入三价元素中掺入三价元素 （如硼），使之取（如硼），使之取 代晶格中硅原子的代晶格中硅原子的 位置，就形成了位置，就形成了P P 型半导体。型半导体。 空穴空穴-多子多子; ; 电子电子-少子少子. .

6、注意注意 杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂原子的浓度；杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂原子的浓度； 少子的浓度决定于温度。少子的浓度决定于温度。 3 PN结结 3.1 PN结的形成结的形成 P区区 N区区 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、 固体均有之，包括固体均有之，包括电子和空穴的扩散！电子和空穴的扩散！ 3.1 PN结的形成结的形成 在交界面，由于两种载流子的浓度差，产生在交界面，由于两种载流子的浓度差，产生 扩散运动。扩散运动。 I I扩 扩 3.1 PN结的形成结的形成 在交界面，由于扩散运动在交界面，由于扩散运动

7、, ,经过复合经过复合, ,出现空出现空 间电荷区间电荷区 空间电荷区空间电荷区 耗尽层耗尽层( (电荷层、势垒层电荷层、势垒层) ) I I漂 漂 3.1 PN结的形成结的形成 当扩散电流等于漂移电流时，达到动态当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成平衡，形成PNPN结。结。 PN结结 I I扩 扩 I I漂 漂 1.1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场由于扩散运动形成空间电荷区和内电场; ; 2.2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移; ; 3.3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成平衡，形成PNPN

8、结。结。 3.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 1) PN结外加正向电压时处于导通状态结外加正向电压时处于导通状态 加正向电压是指加正向电压是指P端加正电压，端加正电压，N端加负电压，端加负电压， 也称正向接法或正向偏置。也称正向接法或正向偏置。 内电场内电场 外电场外电场 外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变 窄，形成较大的扩散电流。窄，形成较大的扩散电流。 2) PN结外加反向电压时处于截止状态结外加反向电压时处于截止状态 外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变 宽，形成很小的漂移电流。宽，形成很小的漂移电流。 3.3

9、PN结的伏安特性结的伏安特性(小结小结) 正向特性正向特性 反向特性反向特性 反向击穿反向击穿 PN结的电流方程为结的电流方程为)1( T U U S eIi 其中，其中， IS 为反向饱和电流为反向饱和电流， UT26mV， 清华大学 华成英 3.4 PN 结的电容效应结的电容效应 1 1） 势垒电容势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变 化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相 同，其等效电容称为势垒电容同，其等效电容称为势垒电容Cb。 2 2）扩散电容）扩散电容 PN结外加的正

10、向电压变化时，在扩散路程中载流子结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的 过程，其等效电容称为扩散电容过程，其等效电容称为扩散电容Cd。 dbj CCC结电容：结电容： 结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，结外加电压频率高到一定程度， 则失去单向导电性！则失去单向导电性！ 1.2 半导体二极管半导体二极管 将将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了 半导体二极管。由半导体二极管。由P区引出的电极为阳极（区引出的电极为阳极（

11、A） ，由，由N区区 引出的电极为阴极（引出的电极为阴极（ K ）。）。 二极管的符号：二极管的符号： PN 阳极阴极 将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。 小功率小功率 二极管二极管 大功率大功率 二极管二极管 稳压稳压 二极管二极管 发光发光 二极管二极管 二极管的伏安特性及电流方程二极管的伏安特性及电流方程 材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流 硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下 锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A )(ufi 开启开启 电压电压 反向饱反向饱 和电流和电流 击穿击穿 电压电压 mV)26(

12、 ) 1e ( TS T UIi U u 常温下 温度的温度的 电压当量电压当量 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。 VT温度的电压当量， VT=kT/q=T/11600=0.026V，其中k为波耳兹 曼常数（1.381023J/K），T为热力学温度， 即绝对温度（300K），q为电子电荷 （1.61019C）。在常温下，VT26mV。 二极管的伏安特性二极管的伏安特性-单向导电性！单向导电性！ T e ST U u IiUu，则若正向电压 ) 1e ( T S U u Ii 伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响 T（）在电流不变情况下管压降在

13、电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移 正向特性为正向特性为 指数曲线指数曲线 反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线 增大增大1倍倍/10 ST IiUu，则若反向电压 二极管的等效电路二极管的等效电路 理想理想 二极管二极管 近似分析近似分析 中最常用中最常用 理想开关理想开关 导通时导通时 UD0 截止时截止时IS0 导通时导通时UDUon 截止截止时时IS0 导通时导通时i与与u 成线性关系成线性关系 应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！ 1 1）将伏安特性折线化

14、）将伏安特性折线化 2 2）微变等效电路）微变等效电路 D T D D d I U i u r 根据电流方程， Q越高，越高，rd越小。越小。 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极 管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。 ui=0时直流电源作用时直流电源作用 小信号作用小信号作用 静态电流静态电流 二极管直流电阻 二极管的直流电阻是其工作在伏安特性上某一点 时的端电压与其电流之比。 图（a）电路（b）二极管伏安特性和工作点Q（c）二极管的直流电阻： 2. 用万用表检

15、测二极管用万用表检测二极管 在在 R 100或或 R 1 k 挡测量挡测量红表笔红表笔是是( (表内电源表内电源) )负极负极， 黑表笔黑表笔是是( (表内电源表内电源) )正极正极。 正反向电阻各测量一次，正反向电阻各测量一次， 测量时手不要接触引脚。测量时手不要接触引脚。 ( (1) ) 用指针式万用表检测用指针式万用表检测 一般硅管正向电阻为几千欧，锗一般硅管正向电阻为几千欧，锗 管正向电阻为几百欧；反向电阻为管正向电阻为几百欧；反向电阻为 几百千欧。几百千欧。 正反向电阻相差不大为劣质管。正反向电阻相差不大为劣质管。 正反向电阻都是无穷大或零则正反向电阻都是无穷大或零则 二极管内部断路

16、或短路。二极管内部断路或短路。 1k 0 0 0 ( (2) ) 用数字式万用表检测用数字式万用表检测 红红表笔是表笔是( (表内电源表内电源) )正极，正极， 黑黑表笔是表笔是( (表内电源表内电源) )负极。负极。 2k 20k 200k 2M 20M 200 在在 挡进行测量，当挡进行测量，当 PN 结完结完 好且正偏时，显示值为好且正偏时，显示值为PN 结两端结两端 的正向压降的正向压降 ( (V) )。 反偏时，显示反偏时，显示 。 u 二极管的主要参数二极管的主要参数 1. 最大整流电流最大整流电流 IF 二极管长期使用时，允许流过二极管的最二极管长期使用时，允许流过二极管的最 大

17、正向平均电流。大正向平均电流。 2. 反向击穿电压反向击穿电压U(BR) 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向 电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至 过热而烧坏。手册上给出的过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压最高反向工作电压 UR一般是一般是U(BR)的一半。的一半。 3. 反向电流反向电流 IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。 反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此 反向电流越小越好反向电流越小越好。反向电流受温度的

18、影响，。反向电流受温度的影响， 温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小， 锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。 4. 最高工作频率最高工作频率fM 二极管的上限频率二极管的上限频率 1N54xx系列二极管参数 半导体器件的命名方式半导体器件的命名方式 第一部分第一部分 数字数字 字母字母 字母字母(汉拼汉拼) 数字数字 字母字母(汉拼汉拼) 电极数电极数 材料和极性材料和极性 器件类型器件类型 序号序号 规格号规格号 2 二极管二极管 3 三极管三极管 第二部分第二部分第三部分第三部分 A 锗材料锗材料 N 型

19、型 B 锗材料锗材料 P 型型 C 硅材料硅材料 N 型型 D 硅材料硅材料 P 型型 A 锗材料锗材料 PNP B 锗材料锗材料 NPN C 硅材料硅材料 PNP D 硅材料硅材料 NPN P 普通管普通管 W 稳压管稳压管 Z 整流管整流管 K 开关管开关管 U 光电管光电管 X 低频小功率管低频小功率管 G 高频小功率管高频小功率管 D 低频大功率管低频大功率管 A 高频大功率管高频大功率管 第四部分第四部分第五部分第五部分 例：例： 2CP 2AP 2CZ 2CW 普通硅二极管普通硅二极管 普通锗二极管普通锗二极管 硅硅整流二极管整流二极管 硅硅稳压二极管稳压二极管 u 二极管的典型应

20、用二极管的典型应用 t t u o 0 u i 0 D ui uo RL 应用一：画出二极管电路的输出波形（设应用一：画出二极管电路的输出波形（设UD=0）。）。 整流二极管！整流二极管！ 应用二：画出二极管电路的输出波形（设应用二：画出二极管电路的输出波形（设UD=0.7V） 。 0.7V 0.7V -3V钳位二极管！钳位二极管！ 稳压二极管 1 1）伏安特性）伏安特性 进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流 不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流 由一个由一个PN结组结组 成，反向击穿后成，反向击穿后 在一定的电流范在一定的电流范 围内端电压基本围内端电压基本 不变，为稳定电不变，为稳

21、定电 压。压。 2 2）主要参数）主要参数 稳定电压稳定电压UZ、稳定电流、稳定电流IZ 最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ /IZ 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会 因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电 流的限流电阻！流的限流电阻！ 限流电阻限流电阻 斜率？斜率？ 应用三：应用三： RL为负载电阻，为负载电阻，R限流电阻限流电阻 当当UI变化时，由于稳压管的作用，输出变化时，由于稳压管的作用，输出UO不变。不变。 特殊二极管特殊二极

22、管 1. 光电二极管是一种将光能转换为电能的半 导体器件，其结构与普通二极管相似，只是 管壳上留有一个能入射光线的窗口。 2. 发光二极管是一种将电能转换为光能 的半导体器件。它由一个PN结构成,当发 光二极管正偏时，注入到N区和P区的载 流子被复合时，会发出可见光和不可见光。 1.3 晶体三极管晶体三极管 一、三极管的结构和符号一、三极管的结构和符号 NPN型型 基区基区发射区发射区集电区集电区 发射结发射结 集电结集电结 发射极发射极 基极基极 集电极集电极 b e c 发射极箭头的方向发射极箭头的方向 为电流的方向为电流的方向 晶体管有三个极、三个区、两个晶体管有三个极、三个区、两个PN

23、结。结。 小功率管小功率管 中功率管中功率管 大功率管大功率管 二、晶体管的电流放大原理二、晶体管的电流放大原理 放大是对模拟信号最基本的处理。晶体管是放大电路的核放大是对模拟信号最基本的处理。晶体管是放大电路的核 心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失 真的放大输出，放大的对象是变化量。真的放大输出，放大的对象是变化量。 晶体管的放大作用表晶体管的放大作用表 现为现为小的小的基极电流可以控基极电流可以控 制制大的大的集电极电流。集电极电流。 共射放大电路共射放大电路 （集电结反偏），即 （发射结正偏） 放大的条件 BECE

24、CB onBE 0uuu Uu （集电结反偏），即 （发射结正偏） 放大的条件 BECECB onBE 0uuu Uu 扩散运动形成发射极电流扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电，复合运动形成基极电 流流IB，漂移运动形成集电极电流，漂移运动形成集电极电流IC。 少数载流少数载流 子的运动子的运动 因发射区多子浓度高使大量因发射区多子浓度高使大量 电子从发射区扩散到基区电子从发射区扩散到基区 因基区薄且多子浓度低，使极少因基区薄且多子浓度低，使极少 数扩散到基区的电子与空穴复合数扩散到基区的电子与空穴复合 因集电区面积大，在外电因集电区面积大，在外电 场作用下大部分扩散到基场作用下大

25、部分扩散到基 区的电子漂移到集电区区的电子漂移到集电区 基区空穴基区空穴 的扩散的扩散 IB B E C N N P VB RB Vcc IE IC IC BC II BBCE IIII)1 ( 晶体管实质上是一个晶体管实质上是一个电流控电流控 制器制器 ！ CBOCEO B C B C )(1 1 II i i I I 穿透电流穿透电流 集电结反向电流集电结反向电流 直流电流直流电流 放大系数放大系数 交流电流放大系数交流电流放大系数 电流分配关系电流分配关系: 三极管具有电流放大作用的条件：三极管具有电流放大作用的条件： 内内 部部 条条 件件 发射区多数载流子浓度很高；发射区多数载流子浓

26、度很高； 基区很薄，掺杂浓度很小；基区很薄，掺杂浓度很小； 集电区面积很大，掺杂浓度低于发射区。集电区面积很大，掺杂浓度低于发射区。 外外 部部 条条 件件 发射结加正向偏压（发射结正偏）；发射结加正向偏压（发射结正偏）； 集电结加反向偏压（集电结反偏）。集电结加反向偏压（集电结反偏）。 思考题：三极管发射极和集电极能否互换？思考题：三极管发射极和集电极能否互换？ 三、晶体管的共射特性曲线三、晶体管的共射特性曲线 UCE IC + - UBE IB + - 实验线路实验线路 mA A VV RB EC EB RC 1. 输入特性输入特性 IB( A) UBE(V) 20 40 60 80 工作

27、压降：工作压降： 硅管硅管 UBE 0.60.7V,锗管锗管 UBE 0.20.3V。 死区电死区电 压，硅管压，硅管 0.5V，锗，锗 管管0.2V。 2. 2. 输出特性输出特性 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)3 6912 IB=0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 此区域满此区域满 足足IC= IB 称为线性称为线性 区（放大区（放大 区）。区）。 IC只与只与IB有关，有关， IC= IB。 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)3 6912 IB=0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 此区域中此区域中UCE UBE, 集电结正偏

28、，集电结正偏， IBIC， ，UCE 0.3V 称为饱和区。称为饱和区。 2. 2. 输出特性输出特性 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)3 6912 IB=0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 此区域中此区域中 : IB=0,IC=ICEO, UBEIC，UCE 0.3V (3) 截止区：截止区： UBEUGS（ （off） uGD0时时 UGS排斥空排斥空 穴，形成耗穴，形成耗 尽层。尽层。 P NN GSD UDSUGS UGS0时时 UGS足够大时足够大时 （UGSUGS(th)），）， 出现以电子导电出现以电子导电 为主的为主的N型导电型导电 沟道。沟道。

29、 吸引电子吸引电子 VGS(th)称为开启电压称为开启电压 P NN GSD UDSUGS 导电沟道在导电沟道在 两个两个N区间是区间是 均匀的。均匀的。 当当UDS增大增大 时，靠近时，靠近D 区的导电沟区的导电沟 道变窄。道变窄。 P NN GSD UDSUGS 夹断后，即使夹断后，即使 UDS 继续增加，继续增加， ID仍呈恒流特仍呈恒流特 性性。 ID UDS增加，增加，UGD= UGS(th)时，时， 靠近靠近D端的沟道被夹断，端的沟道被夹断， 称为预夹断。称为预夹断。 D P型衬底型衬底 N+N+ B GS VGG VDD P型衬底型衬底 N+N+ B GSD VGG VDD P型

30、衬底型衬底 N+N+ B GSD VGG VDD 夹断区夹断区 ( (a) ) UGD UGS (th) ( (b) ) UGD = UGS(th) ( (c) ) UGD UGS(th) 3. 特性曲线特性曲线 ( (a) )转移特性转移特性 ( (b) )漏极特性漏极特性 ID/mA UDS /V O 预夹断轨迹预夹断轨迹 恒流区恒流区 击穿区击穿区 可变可变 电阻区电阻区 UGS UGS(th) 时时) ) 三个区：可变电阻区、三个区：可变电阻区、 恒流区恒流区( (或饱和区或饱和区) )、击穿、击穿 区。区。 UGS(th) 2UGS(th) IDO UGS /V ID /mA O 2

31、.2 N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管 P型衬底型衬底 N+N+ B GSD + 制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子， 这些正离子电场在这些正离子电场在 P 型衬底中型衬底中“感应感应”负电荷，形成负电荷，形成“反反 型层型层”。即使。即使 UGS = 0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。 + UGS = 0，UDS 0，产生，产生 较大的漏极电流；较大的漏极电流； UGS 0； UGS 正、负、正、负、 零均可。零均可。 ID/mA UGS /VOUP ( (a) )转移特性转移特性 IDSS ( (b) )漏极特性漏极特性 ID/mA UDS /V O +1V UGS=0 3 V 1 V 2 V 4 3 2 1 51015 20 场效应管的主要参数场效应管的主要参数 一、直流参数一、直流参数 1. 饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS 2. 夹断电压夹断电压 UP 3. 开启电压开启电压 UT 4. 直流输入电阻直流输入电阻 RGS 为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。 为增强型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。 为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效