计算机电路基础第5章：半导体器件

1、http:/ 半导体器件是构成电子线路的基本单元，半导体器件是构成电子线路的基本单元， 掌握半导体器件掌握半导体器件的基本特性是分析电子线路的基础。的基本特性是分析电子线路的基础。 本章首先讨论半导体的特性，然后分别介绍本章首先讨论半导体的特性，然后分别介绍pn结、二极管、结、二极管、三极管、场效应管三极管、场效应管(和晶闸管和晶闸管)的基本知识。的基本知识。教学目的：教学目的： 1.了解了解p型半导体、型半导体、n型半导体以及型半导体以及pn结的特性；结的特性； 2. 掌握半导体二极管、三极管和场效应管工作原理、掌握半导体二极管、三极管和场效应管工作原理、 伏安特性和主要参数；伏安特性和主要

2、参数； 3. 了解其它类型的半导体器件。了解其它类型的半导体器件。http:/ 5.1 半导体与pn结5.2 半导体二极管5.3 半导体三极管5.4 场效应管5.5 复合管http:/ 5.1 半导体与pn结 导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体. 常用的半导体材料是锗（常用的半导体材料是锗（ge）和硅（）和硅（si）。）。5.1.1 本征半导体 1.纯净的半导体称为本征半导体。 2.本征半导体的共价键结构: 最外层都有四个价电子; 每一个价电子都和邻近原子 的价电子组成一对共价键， 形成相互束缚的关系。 3.3.最外层均有八个价电子而处于最

3、外层均有八个价电子而处于稳定状态。稳定状态。 这时半导体内部没有任何带电的粒子存在，这时半导体内部没有任何带电的粒子存在， 半导体材料相当于半导体材料相当于绝缘体绝缘体。 http:/ 温度或外界光照影响下，价电子电子得到能量，其中少数 能量较大的价电子可以摆脱共价键的束缚而形成自由电子,这种现象称为本征激发5.电子空穴对: 价电子脱离了共价键束缚后，在原共 价键中缺少一个应有的电子而留下了 “空穴”，形成电子空穴对. “空穴”因失去电子而形成的， 被视为带单位正电荷.6.复合: 带正电荷的空穴，会吸引相邻原子上的价电子来填补(复合)，而在这个价电子的原来地方留下新的空穴。 http:/ 7.

4、载流子载流子 空穴空穴(+)和电子和电子(-)都是带电的粒子，称为载流子都是带电的粒子，称为载流子. 空穴和电子的运动是杂乱无章的空穴和电子的运动是杂乱无章的, 在本征半导体中不构成电流。在本征半导体中不构成电流。 8.8.激发和复合的动态平衡激发和复合的动态平衡: : 在外界环境影响下，电子和空穴在外界环境影响下，电子和空穴的激发和复合是同时的激发和复合是同时 进行的，并保持动态平衡，使电子空穴的浓度保持不变。进行的，并保持动态平衡，使电子空穴的浓度保持不变。 随着温度的升高，本征激发会提高电子空穴对浓度。随着温度的升高，本征激发会提高电子空穴对浓度。5.1.2 p型半导体和n型半导体 本征

5、半导体中空穴本征半导体中空穴(+)和电子和电子(-)是等量的而且很少是等量的而且很少. 在本征半导体中掺入微量的其它在本征半导体中掺入微量的其它(杂质杂质)元素元素,掺杂后的半导体掺杂后的半导体 - 杂质半导体。杂质半导体。 掺杂的元素不同，掺杂的元素不同，p p型型( (杂质杂质) )半导体和半导体和n(n(杂质杂质) )型半导体。型半导体。 http:/ 在本征半导体锗或硅中在本征半导体锗或硅中掺入五价掺入五价的磷的磷(p)或锑或锑(sb)元素，元素，杂质原子代替本征半导体晶格中的某些锗或硅的原子，并提供杂质原子代替本征半导体晶格中的某些锗或硅的原子，并提供一个多余价电子，它仅受本身原子核

6、的吸引，只要获得少量的一个多余价电子，它仅受本身原子核的吸引，只要获得少量的能量就能挣脱原子核的束缚而成为自由电子。能量就能挣脱原子核的束缚而成为自由电子。 五价的杂质元素提供多余五价的杂质元素提供多余 的价电子，称此杂质为的价电子，称此杂质为施主杂质施主杂质。 掺入施主杂质后的半导体中掺入施主杂质后的半导体中 自由电子的浓度远大于空穴，自由电子的浓度远大于空穴， 这样的半导体称为这样的半导体称为n型半导体。型半导体。 n型半导体中型半导体中 自由电子称为自由电子称为多数载流子多数载流子， 空穴称为空穴称为少数载流子少数载流子. 五价的杂质原子由于给出一个价电子后成为带正电荷的离子,它是被束缚

7、在半导体晶格中不能移动而不能参与导电。 http:/ n型半导体简化结构型半导体简化结构 空穴空穴http:/ 由于三价元素只有三个价电子，使第四对共价键由于三价元素只有三个价电子，使第四对共价键留下留下“空穴空穴”，邻近原子共价键上的电子只需获得少量的能量就能填补这个空邻近原子共价键上的电子只需获得少量的能量就能填补这个空穴，穴， 三价的杂质元素的原子能接受电子，故称为三价的杂质元素的原子能接受电子，故称为受主杂质受主杂质。掺杂后的半导体中掺杂后的半导体中空穴为多数载流子空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子自由电子为少数载流子，这样的半导体称为，这样的半导体称为p p型半导体。型半导体。负

8、离子多子空穴少子电子型半导体型半导体简化结构简化结构http:/ 纯净的半导体晶片上，纯净的半导体晶片上， 一边掺杂成一边掺杂成p型半导体，型半导体， 一边掺杂一边掺杂成成n型半导体型半导体,如下图如下图 . 1).扩散运动扩散运动 : 浓度的差异引起载流子浓度的差异引起载流子的运动称为的运动称为扩散运动扩散运动 .扩散从扩散从p区与区与n区的交界处开始。区的交界处开始。空穴扩散到空穴扩散到n区与电子复合，区与电子复合，在在p区留下不能移动的负离子；区留下不能移动的负离子；电子扩散到电子扩散到p区与空穴复合区与空穴复合.2)空间电荷区空间电荷区:在在n区留下不能移动的正离子。在区留下不能移动的

9、正离子。在p区和区和n区的交界附近形成一个不区的交界附近形成一个不能移动的正、负离子的空间电荷区称为能移动的正、负离子的空间电荷区称为pn结。结。 http:/ 由正、负离子组成的空间电荷区由正、负离子组成的空间电荷区,其电场是由其电场是由n区去指向区去指向p区，区，即即pn结的内电场。结的内电场。 (见上页图见上页图) 内电场力阻碍多子的扩散，有利于双方少子向对方运动内电场力阻碍多子的扩散，有利于双方少子向对方运动(飘移飘移运动运动)。飘移运动所形成的电流称为飘移电流。飘移运动所形成的电流称为飘移电流。4)动态平衡动态平衡少子的飘移运动少子的飘移运动(复合对方的离子复合对方的离子)会使空间电

10、荷区变窄，会使空间电荷区变窄，消弱了内电场。使内电场力减小，又有利于扩散的进行。消弱了内电场。使内电场力减小，又有利于扩散的进行。 扩散扩散 空间电荷区空间电荷区 内电场力内电场力 飘移运动飘移运动 消弱了内电场消弱了内电场 动态平衡 - 空间电荷区稳定空间电荷区稳定 http:/ :如图如图 - p- p区接电源的正极，区接电源的正极， n n区接电源的负极区接电源的负极. . 外电场消弱了内电场，使外电场消弱了内电场，使pn结结 变窄，破坏了原动态平衡，多子的变窄，破坏了原动态平衡，多子的 扩散大于少子的飘移，外电路可测扩散大于少子的飘移，外电路可测 到一个正向电流到一个正向电流i，此时称

11、为，此时称为pn结导通结导通 . pn结呈现为结呈现为低电阻低电阻. 2.pn结的特性 pnpn结两端加不同极性的电压，就会有不同的导电特性。结两端加不同极性的电压，就会有不同的导电特性。 http:/ (2).pn结反向偏置结反向偏置 : 如图如图 - p区接电源的负极，区接电源的负极， n区接电源的正极区接电源的正极 . 外电场增强了内电场， 使pn结变宽，破坏了原有的 动态平衡，加强子的飘移运动。 少子的数量很少.因此，少子的 飘移运动产生的电流很小， 可忽略不计，此时称为pn结截止。 pn结呈现出高电阻。 (3).单向导通特性 pn结正向偏置，pn结呈现低阻，正向导通； pn结反向偏置

12、，pn结呈现高阻，反向截止。 - pn结重要的单向导通特性。http:/ 基本结构 一个pn结上引出两个电极， 加上外壳 封装,如右图(a)。 半导体二极管用图(b)符号表示. 加工工艺不同加工工艺不同,二极管类型类型: : 点接触型二极管点接触型二极管: pn结面积很小，流过电流小。结电容小，多用于结面积很小，流过电流小。结电容小，多用于 高频与开关电路。点接触型二极管多是锗管。高频与开关电路。点接触型二极管多是锗管。 面接触型二极管面接触型二极管: pn结的面积大，可通过大的电流，工作频率低，结的面积大，可通过大的电流，工作频率低， 多用于整流电路。此类管一般是硅管。多用于整流电路。此类管

13、一般是硅管。nhttp:/ : 是指流过二极管的电流和二极管两端电是指流过二极管的电流和二极管两端电 压之间的关系曲线，如下图。压之间的关系曲线，如下图。1.当正偏置电压uth值: 流过二极管的电流才随电压的流过二极管的电流才随电压的 增加而呈指数式大增加而呈指数式大导通区导通区 uth称为二极管的门限(死区)电压。 锗管:uth值约为0.1v; 硅管:uth值约为0.5v。 使二极管上有明显的电流流过，锗管正向电压应取(0.20.3)v ; 硅管正向电压应取(0.60.8)v， 这个电压称为二极管导通电压ud(正向导通压降)。 死区导通区udhttp:/ 3.反向特性:1).反向截止状态:二

14、极管加反偏置电压时，只有少数载流子的飘移运动产生微小的反向电流，称为反向饱和电流 - 二极管反向截止。 2).反向击穿状态:当反向电压加大到某一数值时，反向电流将会急剧增加， - 称为反向击穿，该反向电压称为反向击穿电压ubr。 这时，二极管失去单向导电的特性。5.2.3 主要参数 1.最大整流电流 - 最大正向平均电流 . 2.最高反向工作电压 -二极管加反向电压时不被击穿 的极限参数。 3.最大的反向电流- 单向导电性能好坏的指标. http:/ (左图左图) 当二极管两端的反向电压加大到一定程时当二极管两端的反向电压加大到一定程时, 反向电流急剧增加大反向电流急剧增加大 - 二极管反向击

15、穿特性二极管反向击穿特性. 在这区间里，反向电流在很大范围内变化，在这区间里，反向电流在很大范围内变化， 而二极管两端电压基本不变。而二极管两端电压基本不变。 采用特殊的工艺可制作成稳压二极管，采用特殊的工艺可制作成稳压二极管， 它在电路中能起到稳压的作用。工作在反向穿它在电路中能起到稳压的作用。工作在反向穿 状态下，它的反向击穿是可逆的。状态下，它的反向击穿是可逆的。 2.主要参数主要参数 (1)稳定电压uz：是稳压二极管正常工作时的稳压值(2)稳定电流iz：正常稳压时的最小工作电流。(3)动态电阻rz： rz越小,稳压性能越好.正向特性反向特性izvz0vihttp:/ 三极管的基本结构

16、一块半导体基片上掺杂形成三个区。由p区和n区的排列不同， 三极管分成两类：npn型和pnp型，如图(a)和(b)所示。三个区三个区两个结两个结三个极三个极http:/ 发射结有明显的电流流过， 锗管正向电压应(0.20.3)v ; 硅管正向电压应(0.60.8)v， (正向导通压降)。2.电源ec向集电结提供反向偏置，ucb0。 三极管(npn为例)要实现放大的条件:如图(a)所示。http:/ (2).基区中多子空穴，向发射区扩散形成电流iep (3)两者的电流方向相同，形成发射极电流ie ie = ien +iep ien e区掺杂的浓度远高于 b区掺杂的浓度.http:/ ,绝大多数都能

17、穿越基区到达集电结附近。(2).集电结反向偏置，基区和集电区的少子互向对方飘移，形成飘移电流icb0，称为反向电流。(3) 上已知:基区中多子空穴，向发射区扩散形成电流iep (4) 组成基极电流ib有: ib = ibn + iep - icb0 ibn - icb0 (5-2)3.集电区收集载流子形成集电极电流ic (1) 集结在集电结附近发射区发射过来的大量电子,被ec正极吸引到集电区，流向ec的正极，形成icn (2)上已知:基区和集电区中少子飘移，产生飘移电流icb0(3) 集电极电流ic为 : ic = icn + icb0 = ien - ibn + icb0 (5-3) 2.基

18、区复合形成基极电流ichttp:/ 已知已知:式式(5-1)、(5-2)、(5-3)如下如下: ie = ien +iep (5-1) ib = ibn + iep - icb0 (5-2) ic = ien - ibn + icb0 (5-3) 而(5-2)+(5-3) 得 ib + ic = ien +iep 即即: ie = = ib + + ic 分析可看出： 发射极电流ie等于集电极电流ic和基极电流ib之和.http:/ 把三极管看成一个结点，根据基尔霍夫电流定律，则可写成: ie = ib + ic 5.电流放大倍数 将ic和ib的关系写成: 由于ic比ib的电流大得多 , 称为

19、直流放大倍数 同样可写成电流变化量比: 称为交流放大倍数 在实际中，两个放大倍数在数值上很接近，常相互替换. ic比ib的电流关系写成: 可看出:当ib(ib)有很小的变化时，就会控制ic(ic)的很大变化. ie ib icbciibciibciibciihttp:/ 6.共发射极电路在上述分析的图(a)电路中:发射极是基极回路(输入回路)和集电极回路(输出回路)共有，此电路的接法称为共发射极电路。 所以这里的电流放大系数的全称应为共发射极电流放大系数，简称为电流放大系数。 对于具体的某个三极管，它一旦制作完成，其电流放大系数就确定了而不会改变。http:/ 三极管伏安特性曲线伏安特性曲线包

20、括输入特性曲线和输出特性曲线.可以通过实验方法(见图)或用晶体管图示仪获得。输入回路输出回路http:/ : 输入回路的函数关系式：输入回路的函数关系式： ib = f (ube)uce常数 发射极之间的电压发射极之间的电压uce为常数时，基极回路为常数时，基极回路中基极电流中基极电流ib与基极、发射极间电压与基极、发射极间电压ube的关系的关系曲线曲线. 右右图所示。图所示。 集电结加有反向偏置电压集电结加有反向偏置电压: 输入特性曲线和二极管的伏安特性曲线相同输入特性曲线和二极管的伏安特性曲线相同 (1)死区死区: ube 0.7v ib与随与随ube的增加明显增大的增加明显增大.死区导通

21、区http:/ 基极电流基极电流ib为常数，集电极回路中为常数，集电极回路中ic与集电极、发射极间电压与集电极、发射极间电压uce的关系曲的关系曲线线.函数关系式为函数关系式为: ic = f (uce ) ib =常数常数 完整的输出特性曲线如右图完整的输出特性曲线如右图. 输出特性曲线分成三个工作区域: 截止区：截止区： 饱和区：饱和区：放大区：放大区： 代表三极管的三个不同的工作状态。代表三极管的三个不同的工作状态。 放放大大区区http:/ 位于输出特性曲线的最下端，位于输出特性曲线的最下端，ib=icb0曲线以下区域。曲线以下区域。 三极管的三极管的两个结都处于反向偏置状态，两个结都

22、处于反向偏置状态，即即ube0 ，ubc0)的正向偏置，的正向偏置， 集电结集电结( ubc0，ubc0 可看出：可看出：ic电流不受电流不受i b的控制，的控制， ic和和ib已不符合已不符合的关系。的关系。 - 饱和工作状态，饱和工作状态， 一般认为：当一般认为：当uce0，源极，源极s和和p型的衬底相连接型的衬底相连接. 在靠在靠近绝缘层表面近绝缘层表面p区一侧感应出负电荷。感区一侧感应出负电荷。感应负电荷随着应负电荷随着ugs加大而增多，产生加大而增多，产生n+型型层层-称为反型层。在两个称为反型层。在两个n+型区之间形型区之间形成了一条成了一条n型的导电沟道型的导电沟道. 形成形成n

23、型导电沟道的栅源电压型导电沟道的栅源电压ugs 称为称为开启电压开启电压ugs(th)。 (2).这时如加正电压这时如加正电压uds，源区中的电子就会沿，源区中的电子就会沿着导电沟道到达漏极，形成漏极电流着导电沟道到达漏极，形成漏极电流id。加大加大ugs，导电沟道加宽，导电能力增，导电沟道加宽，导电能力增强，强，id增大。增大。id和和ugs的关系曲线称为场效应管的转移特性的关系曲线称为场效应管的转移特性 曲线曲线,反映了反映了 ugs对对id控制特性。控制特性。udshttp:/ 场效应管的输出特性曲线定义为：场效应管的输出特性曲线定义为：id=f(uds)，uds=常数常数(1)在在ug

24、s ugs(th)时，沟道形成，加时，沟道形成，加上上uds，产生，产生id电流，而且会随着电流，而且会随着uds的加大而增大的加大而增大;(3)随着随着ugs加大，导电沟道加宽，导加大，导电沟道加宽，导电能力增强，电能力增强，id增大。增大。http:/ ugs(th)时，时，id与与uds之间是可变的线性电阻关之间是可变的线性电阻关系，称为系，称为可变线性电阻区可变线性电阻区在在区中区中:id不随不随uds增大而增大，增大而增大， 而是维持在某一个数值上，而是维持在某一个数值上， 称为称为恒流区恒流区。 呈现出很大的输出电阻呈现出很大的输出电阻r0。在不同的栅源电压下，漏极的电流是呈线性增大的在不同的栅源电压下，漏极的电流是呈线性增大的idudshttp:/ gm m场效应管是电压控制器件。场效应管是电压控制器件。跨导跨导g gm - m - 栅源电压对漏极电流控制能力的强弱。栅源电压对漏极电流控制能力的强弱。在在uds=常数时，常数时，ugs变化就会引起漏极电流变化就会引起漏极电流id的增加的增加.g gm m - 单位为西单位为西门子门子，符号为，符号为s， 一般为毫西一般为毫西(ms)。常数dsgsdmuuighttp:/ 结型场效应管1.结构与符号结构与符号: 如右图如右图5所示所示: (1)在一在一低掺