课件第6章半导体器件

1、1第第6章章 半导体器件基础半导体器件基础6.1 半导体基本知识半导体基本知识6.1.1 本征半导体本征半导体图图6-1 硅和锗简化原子结构模型，它们都是四价元素，最外硅和锗简化原子结构模型，它们都是四价元素，最外层轨道上都有四个阶电子。层轨道上都有四个阶电子。图图6-2 本征半导体晶体结构示意本征半导体晶体结构示意 图图6-3 本征半导体中的自由电子和空穴本征半导体中的自由电子和空穴2 原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为人们常称呈现正电性的这个空位为空穴空穴。 在外电场的作

2、用下在外电场的作用下,使空穴产生定向移动，形成使空穴产生定向移动，形成空穴电流空穴电流。半导体中存在着半导体中存在着两种载流子两种载流子：带负电的：带负电的自由电子自由电子和带正电的和带正电的空穴空穴 本征半导体自由电子数量很少，电阻率很大，因此导电能力差，本征半导体自由电子数量很少，电阻率很大，因此导电能力差，不能作半导体器件使用不能作半导体器件使用。6.1.2 杂质半导体杂质半导体N（Negative）型半导体）型半导体: 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N（Negative）型）型半导体，也称半导体，也称电子型半导体电子型半导体

3、。在在N型半导体中型半导体中自由电子（结合后多一个电子）是自由电子（结合后多一个电子）是多数载流子多数载流子 。它主要由杂质原子提供；另外，硅晶体由于热激发会产生少量的电子它主要由杂质原子提供；另外，硅晶体由于热激发会产生少量的电子空穴对，所以空穴是少数载流子。空穴对，所以空穴是少数载流子。 五价杂质原子因失去一个电子而带单位正电荷而成为正离子，因此五价杂质五价杂质原子因失去一个电子而带单位正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子又称为原子又称为施主杂质施主杂质。P（Positive）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三价杂质三价杂质元素，如硼、镓、铟等则形成了元素，如硼

4、、镓、铟等则形成了P（Positive）型）型半导体，也称为半导体，也称为空穴型半导体（三电子与半导体结合留下一个空穴）空穴型半导体（三电子与半导体结合留下一个空穴）。 3空穴是其主要载流子空穴是其主要载流子，而电子是少数载流子。，而电子是少数载流子。 由于由于3价杂质价杂质原子原子可接受自由电子形成空穴，故称为可接受自由电子形成空穴，故称为受主杂质受主杂质。6.1.3 PN结及其特性结及其特性在两种半导体（在两种半导体（P- N）的结合面上会形成一个）的结合面上会形成一个P- N 薄层，称为薄层，称为PN结结 由于交界面两侧浓度相差使由于交界面两侧浓度相差使电子电子由由N 区向区向P 区扩散

5、；区扩散；空穴由空穴由P区向区向N区区扩散扩散。 在在P区和区和N区的交界处形成了区的交界处形成了方向由方向由N区指向区指向P区区的内电场的内电场，在此电场的作用下，在此电场的作用下，载流子载流子将作漂移运动，方向正好与扩散运动方向相反，阻止扩散运动将作漂移运动，方向正好与扩散运动方向相反，阻止扩散运动 。 当达到平衡时，扩散运动作用与漂移运动作用相等，通过界面的载流子数为当达到平衡时，扩散运动作用与漂移运动作用相等，通过界面的载流子数为0，即即PN结的电流为结的电流为0。此时在。此时在PN区交界处形成一个缺少载流子的高阻区，称为区交界处形成一个缺少载流子的高阻区，称为耗尽层耗尽层。 PN结具

6、有下列特性：结具有下列特性：（1）单向导电性）单向导电性 将电源将电源正正极接极接P区，区，负负极接极接N区，称区，称正向接法正向接法或或正向偏置正向偏置。与自建场方向。与自建场方向相反，削弱了内电场，使耗尽层变窄，这样相反，削弱了内电场，使耗尽层变窄，这样扩散扩散作用就会作用就会大于大于漂移漂移作用作用 。形成正向电流，其方向是由电源的正极通过形成正向电流，其方向是由电源的正极通过P区、区、N区到电源负极。此时区到电源负极。此时PN结结处于处于导通状态导通状态 。4反向电流很小，反向电流很小，PN结处于截止状态结处于截止状态 ，反向电阻值很大。反向电阻值很大。 PN结外加结外加正偏电压正偏电

7、压时，形成较大的正向电流，时，形成较大的正向电流，PN结呈现较小结呈现较小的正向电阻；外加的正向电阻；外加反偏电压反偏电压时，反向电流很小，时，反向电流很小，PN结呈现很大结呈现很大的反向电阻，这就是的反向电阻，这就是PN结的结的单向导电特性。单向导电特性。 （a） 外加正向电压外加正向电压 （b） 外加反向电压外加反向电压（2）反向击穿性）反向击穿性（3）电容性）电容性 将电源将电源正正极接极接N区，区，负负极接极接P区，称区，称反向接法反向接法或或反向偏置反向偏置。与自建场方向相同与自建场方向相同 ，增强了内电场，使耗尽层变宽，增强了内电场，使耗尽层变宽，漂移漂移作作用就会用就会大于大于扩

8、散扩散作用作用 ，称为，称为反向电流反向电流。 56.2 半导体二极管半导体二极管6.2.1 二极管的结构二极管的结构二极管（二极管（PN结）一般分为点接触型、面接触型和平面型三类结）一般分为点接触型、面接触型和平面型三类 6.2.2 二极管的特性二极管的特性 二极管的二极管的伏安特性伏安特性可用可用特性曲线表示，也可用方特性曲线表示，也可用方程表示。程表示。 对对不同频率不同频率的信号，的信号，PN呈现的呈现的阻抗特性也不同阻抗特性也不同。 当外加正向电压不同时，当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容充放电过程，呈现

9、这就相当电容充放电过程，呈现电容效应电容效应。 阳极为阳极为P区，阴区，阴极为极为N区。区。6（a）硅二极管的伏安特性曲线）硅二极管的伏安特性曲线 （b）锗二极管的伏安特性曲线）锗二极管的伏安特性曲线 二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示曲线可用下式表示 ) 1TUUS(eII 式中式中IS 为反向饱和电流，为反向饱和电流，U 为二极管两端的电压降，为二极管两端的电压降，UT =kT/q 称为称为温度的电压当量，温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，为电子电荷量，T 为热力学温度。为热力学温度。 室温（相当室温（相当T=300 K），则有），则有UT=

10、26 mV。 导通电压导通电压，或称，或称门限门限电压、死区电压，电压、死区电压，硅管硅管的的Uon约为约为0.60.8伏，伏，锗管锗管的的Uon约为约为0.10.3伏。二极管加反向电压时，伏。二极管加反向电压时，反向电流数值很小反向电流数值很小 。反向击穿有反向击穿有雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿两种形式。两种形式。反向电压足够高时反向电压足够高时，耗尽层内电场很强，耗尽层内电场很强，雪崩击穿雪崩击穿。 图图6-6 二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线7电流过大时，电流过大时，PN结耗散功率超过允许值，导致结耗散功率超过允许值，导致PN结过热而烧坏结过热而烧坏 。 6.2.3 二极

11、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IDM （2）最大反向工作电压）最大反向工作电压URM （3）最大反向电流）最大反向电流IRM （4）最高工作频率）最高工作频率fM 【例【例6.1】 【例【例6.2】 6.2.4 二极管的应用二极管的应用 1. 二极管的整流二极管的整流 【例【例6.3】 2. 限幅电路限幅电路【例【例6.4】 3. 开关电路开关电路【例【例6.5】 4. 低电压稳压电路低电压稳压电路发生击穿并不意味着发生击穿并不意味着PN结被损坏。稳压二极管就是利用结被损坏。稳压二极管就是利用PN结的击穿特性结的击穿特性 。 当当PN结两边结两边掺入高浓度的杂质掺

12、入高浓度的杂质，其耗尽层宽度很小，其耗尽层宽度很小，齐纳击穿齐纳击穿 8【例【例6.6】 （1）稳压二极管）稳压二极管 6.2.5 特殊二极管特殊二极管（a）伏安特性）伏安特性 （b） 符号符号 图图6-13 稳压管的应用稳压管的应用 图图6-12 稳压管的伏安特性和符号稳压管的伏安特性和符号 9 砷化镓中加一些磷可发出砷化镓中加一些磷可发出红色光红色光，而磷化镓可以发出，而磷化镓可以发出绿色光绿色光。它的开启电压比普通二极管的大，红色的在它的开启电压比普通二极管的大，红色的在1.6V1.8V之间，之间，绿色的约为绿色的约为2V。 发光二极管的发光颜色决定于所发光二极管的发光颜色决定于所用材料

13、，通常用元素周期表中用材料，通常用元素周期表中、族元素族元素的化合物，如砷化镓、磷的化合物，如砷化镓、磷化镓等所制成的。化镓等所制成的。 （2）发光二极管）发光二极管 图图6-15 发光二极管的外形和符号发光二极管的外形和符号（a） 外形外形 （b） 符号符号（3）光电二极管）光电二极管 图图6-16 光电二极管符号光电二极管符号 光电二极管是用光敏感的光电二极管是用光敏感的半导体材料制成半导体材料制成 ，它的反向它的反向电流随光照度的增加而上升。电流随光照度的增加而上升。广泛用于遥控、报警及光广泛用于遥控、报警及光电传感器之中电传感器之中 。 10图图 6.18 常见的三极管外形常见的三极管

14、外形 将两个将两个PN结背靠背的连接起来可构成三极管，又称为结背靠背的连接起来可构成三极管，又称为晶体管或称双极型晶体管（也称晶体管或称双极型晶体管（也称BJT），三极管可分为），三极管可分为PNP和和NPN两种类型两种类型 。6.3 半导体三极管半导体三极管（a）NPN型硅管的结构型硅管的结构 （b）NPN型管的型管的 （c）NPN和和PNP结结 构示意图构示意图 型管符号型管符号图图6-17 三极管的结构示意图和符号三极管的结构示意图和符号116.3.2 三极管工作原理三极管工作原理1. 电流放大原理的实验电流放大原理的实验 常用的半导体材料为常用的半导体材料为硅硅和和锗锗，因此共有，因此

15、共有3A（锗（锗PNP）、）、3B（锗（锗NPN）、）、3C（硅（硅PNP）、）、3D（硅（硅NPN）四种三极管四种三极管系列系列。无特殊说明时，本书均以广泛应用的。无特殊说明时，本书均以广泛应用的硅硅NPN三极管三极管为例。为例。 无论是无论是NPN型还是型还是PNP型的三极管，型的三极管，均包含三个区均包含三个区，分别称为分别称为发射区发射区、基区基区和和集电区集电区；由三个区引出的三个电极；由三个区引出的三个电极分别称为分别称为发射极（发射极（e）、基极（基极（b）和和集电极（集电极（c）；在三个区；在三个区的两两交界处形成的两个的两两交界处形成的两个PN结分别称为结分别称为发射结发射结

16、和和集电结集电结。图（图（c）符号中发射极上的箭头方向，表示）符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流发射结正偏时电流的流向。的流向。由实验及测量结果可以看出由实验及测量结果可以看出:122. 三极管实现电流分配的原理三极管实现电流分配的原理图图6-20 三极管外电源连接及电流分配三极管外电源连接及电流分配（1）外电源连接方法）外电源连接方法 三极管外电源要求三极管外电源要求发射结发射结正向偏置正向偏置，集电结集电结反向偏置反向偏置连接。连接。 （2）载流子传输过程）载流子传输过程a. 发射区向基区发射自由电子。发射区向基区发射自由电子。b. 基区中电子的扩散和复合基区中电子的扩散和复合

17、c. 集电区收集电子。集电区收集电子。13（3）电流分配关系）电流分配关系 IE =IC+IB BCBCEOCIIIIIbcBCiiIIECIIecECiiII直流、交流两种放大系数很接近，故可混用。直流、交流两种放大系数很接近，故可混用。三极管的电流分配关系可近似表示为：三极管的电流分配关系可近似表示为： BEBCBCEIIIIIII)1 (146.3.3 三极管的特性曲线三极管的特性曲线 三极管外部的极间电压与电流的相互关系称为三极管的三极管外部的极间电压与电流的相互关系称为三极管的特性曲线特性曲线，反映了各极电流，反映了各极电流与电压之间的关系。与电压之间的关系。 1. 输入特性输入特性

18、当电压当电压UCE不变时，输入回路的不变时，输入回路的IB与电压与电压UBE之间的关系曲线称为之间的关系曲线称为输入特性输入特性 CEUBEBUfI)(输入特性与二极管伏安特性曲线相似输入特性与二极管伏安特性曲线相似 （a） 共发射极电路共发射极电路 （b） 三极管的输入特性三极管的输入特性2. 输出特性输出特性 15输出特性输出特性是指是指IB一定时，输出回路中集电极电流一定时，输出回路中集电极电流IC与集射极电压与集射极电压UCE之间的关系之间的关系 BICECUfI)(图图6-22共发射极的输出特性曲线共发射极的输出特性曲线将输出特性曲线分为三个工作区：将输出特性曲线分为三个工作区：截止

19、区、放大区、饱和区。截止区、放大区、饱和区。（1） 截止区截止区：发射结反偏，集电结反偏发射结反偏，集电结反偏 。即即IB0的部分。的部分。IB=0为临界截止，为临界截止，此时此时ICICEO0， （2） 放大区：放大区：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。此时此时IC=IB，IC的大小只受的大小只受IB的控制，的控制，三极管处于放大状态。三极管处于放大状态。 （3） 饱和区：饱和区：发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。ICIB，三极管，三极管无放大作用。当三极管处于深度饱和时，无放大作用。当三极管处于深度饱和时，UCE值很小（值很小（UCE

20、1 V）此时的）此时的UCE称为饱和压降，用称为饱和压降，用UCE（sat）来表示，三极管的来表示，三极管的C，E两极之间接近短路。两极之间接近短路。 16特性曲线特性曲线随温度而变化：随温度而变化： 温度升高时，温度升高时，输入特性曲线输入特性曲线向左平移；向左平移；输出特性曲线输出特性曲线平行上移。平行上移。6.3.4三极管的微变等效电路三极管的微变等效电路如果输入信号很小，可以把三极管看成是一个线性元件，即微变等效电路状态。如果输入信号很小，可以把三极管看成是一个线性元件，即微变等效电路状态。（1）三极管的输入回路）三极管的输入回路bbeBBEbeiuiur)(26)1 (300EbeI

21、mVr（2）三极管的输出回路）三极管的输出回路（a）三极管）三极管 （b）三极管的微变等效电路）三极管的微变等效电路图图6-23 三极管的交流输入电阻三极管的交流输入电阻rbe176.3.5 三极管的主要参数三极管的主要参数（1）电流放大系数）电流放大系数（2）极间反向电流）极间反向电流 （3）特征频率）特征频率实际使用时，要保证工作频率比特征频率低得多三极管才能正常放大。实际使用时，要保证工作频率比特征频率低得多三极管才能正常放大。 （6）集电极最大允许功率）集电极最大允许功率PCM 三极管的安全工作区三极管的安全工作区 【例【例6.7】 6.3.6 复合管复合管181.复合管的结构复合管的

22、结构四种常见的复合管结构四种常见的复合管结构 2.复合管的特点复合管的特点（1）复合管的类型与组成复合管的）复合管的类型与组成复合管的第一只三极管的类型相同。第一只三极管的类型相同。（2）复合管的电流放大系数）复合管的电流放大系数近似为组成该复近似为组成该复合管的各三极管电流放大系数的乘积。合管的各三极管电流放大系数的乘积。.3216.4 场效应管场效应管(场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件;而晶体管是即有多数载流而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电子，也利用少数载流子导电,被称之为双极型器件。被称之为双极型器件。)

23、场效应管则是一种电压控制器件，它是利用电场效应来控制其电流的大小，场效应管则是一种电压控制器件，它是利用电场效应来控制其电流的大小，从而实现放大。场效应管工作时，内部参与导电的只有多子一种载流子，因此从而实现放大。场效应管工作时，内部参与导电的只有多子一种载流子，因此又称为单极性器件。又称为单极性器件。场效应管分为两大类，场效应管分为两大类，结型场效应管结型场效应管和和绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管。 196.4.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 由金属（由金属（Metal）、氧化物（）、氧化物（Oxide）和半导体（）和半导体（Semiconductor）材料构成的，）材料构成的，因此又叫因此

24、又叫MOS管。管。 绝缘栅场效应管分为绝缘栅场效应管分为增强型增强型和和耗尽型耗尽型两种，每一种又包括两种，每一种又包括N沟道沟道和和P沟道沟道两种类型。两种类型。 1. N沟道沟道增强型增强型场效应场效应管管（1）结构与符号）结构与符号N沟道增强型沟道增强型MOS管的结构与符号管的结构与符号 符号中的箭头表示从符号中的箭头表示从P 区（衬底）区（衬底）指向指向N 区（区（N沟道），虚线表示增强型。沟道），虚线表示增强型。（2）工作原理）工作原理如图如图6-29所示，形成导电沟道所需要所示，形成导电沟道所需要的最小栅源电压的最小栅源电压UGS，称为开启电压，称为开启电压UT 。 （a）UGS=0 （b）UGS0图图6-29 N沟道增强型沟道增强型MOS管加栅源电压管加