电子技术第1章_半导体器件(1)

1、第第1讲讲第第1章章 半导体器件半导体器件1.1 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 1.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管 稳压二极管稳压二极管1.3 半导体三极管半导体三极管1.4 场效应管场效应管半导体的导电特性半导体的导电特性1.1 半导体和半导体和PN结结现代电子学中，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1.1.1 本征半导体本征半导体共价健共价健 Si Si Si Si价电子价电子通过一定的工艺过程，可以将半导体通过一

2、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

3、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+41.1.2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

4、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在硅或锗晶体中掺入少量的五价五价元素磷（或元素磷（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，必定半导体原子形成共价键，必定多出一个电子多出一个电子，这个，这个电子几乎不受束缚，很容易被

5、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(五价五价) 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在硅或锗晶体中掺入少量的三价三价元素，如硼（或元素，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

6、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，子形成共价键时，产生一个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸。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(三价三价) P型型半导体半导体空穴空穴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

7、型半导体型半导体+N N型半导体型半导体1.1.3 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。P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动多子少子漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动空间电荷区越宽，内空间电荷区越宽，内电场越强，就使漂移电场越强，就使漂移运动越强，而漂

8、移使运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区变薄。多子扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。荷区逐渐加宽。少子漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动，没有电荷运动，空间电荷区的空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。多子少子1.1.4 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意的意思都是：思都是： P区加正、区加正、N区加负电压。区

9、加负电压。 PN结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意的意思都是：思都是： P区加负、区加负、N区加正电压。区加正电压。PN结正向偏置结正向偏置+内电场减弱，使扩散加强，内电场减弱，使扩散加强，扩散扩散 飘移，正向电流大飘移，正向电流大空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+_正向电流正向电流PN结反向偏置结反向偏置+空间电荷区变厚空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流反向饱和电流很小，很小， A级级PNPN符号符号阳极阳极阴极阴极 1.2 半导体二极管半导体二极管(1)、基本结构基本结构PNP

10、N结加上管壳和引线，就成为半导体二结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。极管。阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳( a ) 点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号D反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数1 1）最大整流电流最大整流电流I IF F：指管

11、子长期运行时，允许通过的指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。最大正向平均电流。2 2）反向击穿电压反向击穿电压U UB B：指管子反向击穿时的电压值。指管子反向击穿时的电压值。3 3）最大反向工作电压最大反向工作电压U UDRMDRM：二极管运行时允许承受的二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为最大反向电压（约为U UB B 的一半）。的一半）。4 4）反向电流反向电流I IR R：指管子未击穿时的反向电流，其值越：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。小，则管子的单向导电性越好。5 5）最高工作频率最高工作频率f fm m：。正向电阻为零，正向导通时为短路特

12、性，正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止正向压降忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。时为开路特性，反向漏电流忽略不计。（5） 半导体二极管的应用半导体二极管的应用定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的，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：D6V1

13、2V3k BAUAB+例例3:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+V sin18itu t 1. 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（6） 特殊二极管特殊二极管UIIZIZmax UZ IZ稳压稳压误差误差曲线越陡，曲线越陡，电压越稳定。电压越稳定。+-UZ动态电

14、阻：动态电阻：ZZIUZr rz越小，稳压越小，稳压性能越好。性能越好。稳压二极管的参数稳压二极管的参数: :（%/）ZZ ZIUr zmax例：稳压二极管的应用例：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZui uoiziURuo= ui - URuo2. 发光二极管发光二极管有正向电流流过有正向电流流过时，发出一定波长时，发出一定波长范围的光，目前的范围的光，目前的发光管可以发出从发光管可以发出从红外到可见波段的红外到可见波段的光，它的电特性与光，它的电特性与一般二极管类似。一般二极管类似。3. 光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU

15、照度增加照度增加1.3 半导体三极管半导体三极管1.3.1 基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型BECNPN型三极管型三极管BECPNP型三极管型三极管三极管符号三极管符号NPNCBEPNPCBEBECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：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发射结发射结集电结集电结BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极+ + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _

16、_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + + + 1.3.2 电流放大原理电流放大原理BECNNPEBRBEc发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。IE1进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IB ，多数扩，多数扩散到集电结。散到集电结。IBBECNNPEBRBEcIE从基区扩从基区扩散来的电散来的电子漂移进子漂移进入集电结入集电结而被收集，而被收集，形成形成IC。IC2ICIB要使三极管能放大电流，必

17、须使发射结要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。正偏，集电结反偏。IE=IC+IB静态电流放大倍数静态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数 = IC / IBIC = IB动态电流放大倍数动态电流放大倍数IB ： IB + IBIC ： IC + IC = IC / IB一般认为：一般认为： = = ，近似为一常数，近似为一常数， 值范围：值范围：20100 IC = IB1.3.3 特性曲线特性曲线ICmA AVVUCEUBERBIBUSCUSB 实验线路实验线路(共发射极接法共发射极接法)CBERC IB 与与UBE的关系曲线（同二

18、极管）的关系曲线（同二极管）（1）输入特性）输入特性IB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V 死区电压，死区电压，硅管硅管0.5V工作压降：工作压降： 硅管硅管UBE 0.7V（2）输出特性）输出特性(IC与与UCE的关系曲线的关系曲线)IC(mA )1234UCE(V)3691240 A60 AQQ = IC / IB =2 mA/ 40 A=50 = IC / IB =(3-2)mA/(60-40) A=50 = IC / IB =3 mA/ 60 A=50输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A

19、当当UCE大于一定的数大于一定的数值时，值时，IC只与只与IB有关，有关，IC= IB , 且且 IC = IB 。此区域此区域称为线称为线性放大区。性放大区。此区域中此区域中UCE UBE,集集电结正偏，电结正偏， IBIC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。此区域中此区域中 : IB=0 , IC=ICEO , UBEVBVE、PNP:VCVBVE)， IC= IB , 且且 IC = IB(2) 饱和区饱和区 BE结正偏，结正偏，BC结正偏结正偏(NPN:VCVE、PNP:VCVBIC，UCE 0.3V (3) 截止区截止区 UBE 死区电压，死区电压， IB=0 ， IC=ICE

20、O 0 ICmA AVVUCEUBERBIBUSCUSBCBERC例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 当当USB = -2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？USB =-2V， IB=0 ， IC=0，Q位于截止区位于截止区 USB =2V， IB= (USB -UBE)/ RB =(2-0.7)/70=0.019 mA IC= IB =50 0.019=0.95 mA ICS =2 mA ， Q位于饱位于饱和区和区(实际上，此时实际上，此时IC和和IB 已不是已不是 的关系）的关系）三极管的技术数据：（自学

21、）三极管的技术数据：（自学）（1）电流放大倍数）电流放大倍数 （2）集）集-射间穿透电流射间穿透电流ICEO（3）集）集-射间反向击穿电压射间反向击穿电压UCEO (BR)（4）集电极最大电流）集电极最大电流ICM（5）集电极最大允许功耗）集电极最大允许功耗PCM1.4 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DSGN符符

22、号号1.4.1结型场效应管结型场效应管一、结构一、结构图图 1.4.1N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层( (PN 结结) )在漏极和源极之间加在漏极和源极之间加上一个正向电压，上一个正向电压，N 型半型半导体中多数载流子电子可导体中多数载流子电子可以导电。以导电。导电沟道是导电沟道是 N 型的，型的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。P 沟道场效应管沟道场效应管图图 1.4.2P 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟道场效应管是在沟道场效应管

23、是在 P 型硅棒的两侧做成高掺型硅棒的两侧做成高掺杂的杂的 N 型区型区( (N+) )，导电沟导电沟道为道为 P 型型，多数载流子为，多数载流子为空穴。空穴。符号符号GDS二、工作原理二、工作原理 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管用改变用改变 UGS 大小来控制漏极电大小来控制漏极电流流 ID 的。的。GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在栅极和源极之间在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流漏极电流 ID 减小，反之，减小，反之，漏极漏

24、极 ID 电流将增加。电流将增加。 *耗尽层的宽度改变耗尽层的宽度改变主要在沟道区。主要在沟道区。1. 设设UDS = 0 ，在栅源之间加负电源在栅源之间加负电源 VGG，改变，改变 VGG 大小。观察耗尽层的变化。大小。观察耗尽层的变化。ID = 0GDSN型型沟沟道道P+P+ ( (a) ) UGS = 0UGS = 0 时，耗时，耗尽层比较窄，尽层比较窄，导电沟比较宽导电沟比较宽UGS 由零逐渐增大，由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。电沟相应变窄。当当 UGS = UP，耗尽层合，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹拢，导电沟被夹断，夹断电压断电压 UP 为负值。为

25、负值。ID = 0GDSP+P+N型型沟沟道道 ( (b) ) UGS 0，在栅源间加负，在栅源间加负电源电源 VGG，观察，观察 UGS 变化时耗尽层和漏极变化时耗尽层和漏极 ID 。UGS = 0，UDG ，ID 较大。较大。PUGDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS 0，UDG 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。( (a) )( (b) )GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS |UP|,ID 0,夹断夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+( (1) ) 改变改变 UGS ，改变了改变了 PN 结中电场，控制了结中电场，控制了 ID ，故称场效应管；，故称

26、场效应管； ( (2) )结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，栅极反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。( (c) )( (d) )三、特性曲线三、特性曲线1. 转移特性转移特性( (N 沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例) )常数常数 DS)(GSDUUfIO UGSIDIDSSUP图图 1.4.6转移特性转移特性UGS = 0 ，ID 最大；最大；UGS 愈负，愈负，ID 愈小；愈小；UGS = UP，ID 0。两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS( (

27、UGS = 0 时的时的 ID) )夹断电压夹断电压 UP ( (ID = 0 时的时的 UGS) )UDSIDVDDVGGDSGV + +V + +UGS图图 1.4.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+ + mA1.4.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 由金属、氧化物和半导体制成。称为由金属、氧化物和半导体制成。称为金属金属-氧化物氧化物-半半导体场效应管导体场效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 109 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称时漏

28、源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管1. 结构结构P 型衬底型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极 S漏极漏极 D衬底引线衬底引线 B栅极栅极 G图图 1.4.8N 沟道增强型沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图2. 工作原理工作原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制来控制“感应电荷感应电荷”的多的多少，改变由这些少，改变由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电沟道的状况，形成的导电沟道的状

29、况，以控制漏极电流以控制漏极电流 ID。工作原理分析工作原理分析( (1) )UGS = 0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN 结，无论漏源之间加何结，无论漏源之间加何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD图图 1.4.9( (2) ) UDS = 0，0 UGS 0， UGS UT漏极通过漏极通过导电沟道导电沟道形成电流形成电流 ID 。DP型衬底型衬底N+N+BGSVGGVDD3. 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/mAUDS /VOTGSUU 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

30、区电阻区UGS UT 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。UT 2UTIDOUGS /VID /mAO图图 1.4.12 ( (a) )图图 1.4.12 ( (b) )二、二、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+BGSD+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

31、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/mAUGS /VOUP( (a) )转移特性转移特性IDSS图图 1.4.15MOS 管的符号管的符号SGDBSGDB( (b) )漏极特性漏极特性ID/mAUDS /VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V432151015 20图图 1.4.14特性曲线特性曲线1.4.3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 IDSS2. 夹断电压夹断电压 UP3. 开启电压开启电压 UT4. 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。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于缘栅场效应管更高，一般大于 109 。二、交流参数二、交流参数1. 低频跨导低频跨导 gm2. 极间电容极间电容 用以描述栅源