第1章半导体器件

1、半导体器件是用半导体材料制成的电子器半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。半导体器件是构成各种场效应晶体管等。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。电子电路最基本的元件。1.1.1 半导体的导电特征半导体的导电特征：导电性能介于导体和绝缘体之：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅间的物质，如硅(Si)、锗锗(Ge)。硅和锗是硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有价元素，原子的最外层轨道上有4个价个价电子。电子。空穴自由电子abc444444444共价键的两个价电子价电子4（a）硅和锗原子的）硅和锗

2、原子的 简化结构模型简化结构模型 (b)晶体的共价键结构及晶体的共价键结构及 电子空穴对的产生电子空穴对的产生 硅、锗原子结构模型及共价键结构示意图硅、锗原子结构模型及共价键结构示意图 室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为空位这个空位称为。失去价电子的原子成。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。为正离子，就好象空穴带正电荷一样。每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过过紧密结合在一起。两个相邻原子共

3、用紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。一对电子。（与自由电子的运动不同）带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴电荷的空穴热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为又可能重新结合而成对消失，称为。在一定温度下自。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。由电子和空

4、穴维持一定的浓度。在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，其中自价元素，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。自由电子 多数载流子（简称多子）空 穴少数载流子（简称少子）磷原子自由电子444454444电子一空穴对N型半导体的结构型半导体的结构在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，这类价元素，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子型半导体，其中空穴为

5、多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。，热激发形成的自由电子是少数载流子。自由电子自由电子 多数载流子（简称多子多数载流子（简称多子）空空 穴穴少数载流子（简称少子）少数载流子（简称少子）空穴硼原子444434444电子一空穴对P型半导体的结构型半导体的结构P 型半导体N 型半导体无论是无论是P型半导体还是型半导体还是N型半导体都是中型半导体都是中性的，对外不显电性。性的，对外不显电性。掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。子的数量越多。少数载流子是热激发而产生的，其数量少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。的多少决定于温度。u

6、将一块半导体的一侧掺杂成将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，型半导体，另一侧掺杂成另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层交界面处将形成一个特殊的薄层 1.1.4 PN结及其单向导电性结及其单向导电性P 区 空间电荷区 N 区PN 结及其内电场内电场方向P 区 N 区载流子的扩散运动 多子多子扩散扩散 形成空间电荷区形成空间电荷区产生内电场产生内电场 少子少子漂移漂移 扩散与漂移达到动态平衡扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的形成一定宽度的PN结结u外加正向电压（也叫正向偏置）外加正向电压（也叫正向偏置）空间电荷区变窄E R内电场外电场PNIE

7、 R内电场外电场空间电荷区变宽PNIu外加反向电压（也叫反向偏置）外加反向电压（也叫反向偏置）u。一个一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。构成了半导体二极管，简称二极管。 半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。触型两类。 点接触型二极管点接触型二极管PN结面积很小，结电容很小，多用结面积很小，结电容很小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。 面接触型二极管面接触型二极管PN结面积大，结电容也小，多用在结面积大

8、，结电容也小，多用在低频整流电路中。低频整流电路中。阳极 阴极1.2.1 半导体二极管的结构及符合半导体二极管的结构及符合外壳(阴极)(阳极)P N阳极引线阴极引线VD(阴极)（a） 结构 （b）电路符号 （c）实物外形二极管结构、符号及外形-60 -40 -200.4 0.8 U /V40302010I /mA0正向特性反向特性外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态 。正向电压大于死区电压后，正向电流 随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。外加反向电压时， PN结处于截止状态，反向电流 很小。 反向电压大于击穿电压

9、时，反向电流急剧增加。1.2.2 半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性（1）最大整流电流）最大整流电流IOM：指管子长期运行时，允许通过指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压）反向击穿电压UB：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）最大反向工作电压）最大反向工作电压UDRM：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UB 的一半）。的一半）。（4）最大反向电流）最大反向电流IRM：指管子未击穿时的反向电流，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。其值越小，则管子的

10、单向导电性越好。（5）最高工作频率）最高工作频率fm：主要取决于主要取决于PN结结电容的大小。结结电容的大小。：正向电阻为零，正向导通时为短路特性，：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，反向截止时为正向压降忽略不计；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。开路特性，反向漏电流忽略不计。1.2.3 半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数1半导体二极管的命名方法半导体二极管的命名方法 用数字表示电极数目用数字表示电极数目用字母表示材料和极性用字母表示材料和极性用字母表示类型用字母表示类型用数字表示序号用数字表示序号用数字表示规格用数字表

11、示规格2半导体二极管的分类半导体二极管的分类 稳压管的主要参数：稳压管的主要参数：（1）稳定电压）稳定电压UZ。反向击穿后稳定工作的电压。反向击穿后稳定工作的电压。（2）稳定电流）稳定电流IZ。工作电压等于稳定电压时的电流。工作电压等于稳定电压时的电流。（3）动态电阻）动态电阻rZ。稳定工作范围内，管子两端电压的稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比。即：变化量与相应电流的变化量之比。即：rZ=UZ/IZ（4）额定功率）额定功率PZ和最大稳定电流和最大稳定电流IZM。额定功率额定功率PZ是在是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大稳定电流稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大

12、稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是：是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是： PZ=UZIZM稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。电流增量很大，只引起很小的电压变化。阳极 阴极1.稳压管稳压管2. 发光二极管发光二极管当发光二极管的当发光二极管的PN结加上正向电压时，电子与空穴结加上正向电压时，电子与空穴复合过程以光的形式放出能量。复合过程以光的形式放出能量。不同材料

13、制成的发光二极管会发出不同颜色的光。不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低（发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低（1.53V）、）、反应快、体积小、可靠性高、寿命长等特点，反应快、体积小、可靠性高、寿命长等特点，是一种很有用的半导体器件，常用于信号指示、数是一种很有用的半导体器件，常用于信号指示、数字和字符显示。字和字符显示。阳极 阴极 (a) (b)LEDLEDRE3. 光电二极管光电二极管光电二极管的又称为光敏二极管，其工作原理恰好与光电二极管的又称为光敏二极管，其工作原理恰好与发光二极管相反。当光线照射到光电二极管的发光二极管相反。当光线照射

14、到光电二极管的PN结结时，能激发更多的电子，使之产生更多的电子空穴对，时，能激发更多的电子，使之产生更多的电子空穴对，从而提高了少数载流子的浓度。在从而提高了少数载流子的浓度。在PN结两端加反向结两端加反向电压时反向电流会增加，所产生反向电流的大小与光电压时反向电流会增加，所产生反向电流的大小与光的照度成正比，所以光电二极管正常工作时所加的电的照度成正比，所以光电二极管正常工作时所加的电压为反向电压。为使光线能照射到压为反向电压。为使光线能照射到PN结上，在光电结上，在光电二极管的管壳上设有一个小的通光窗口。二极管的管壳上设有一个小的通光窗口。阳极 阴极NNPBECBECIBIEICBECIB

15、IEICEEBRBRCBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOBCCBOBCBOCBECEIIIIIIII CEOBCBOBC)(1 IIIII BC CEO III ，有有忽忽略略 即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。是分析放大电路的依据。 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线共发射极电路共发射极电路输入回路输入回路输出回路输

16、出回路ICEBmA AVUCEUBERBIBECV+常常数数 CE)(BEBUUfIIB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1VOIB=020 A40 A60 A80 A100 A常常数数 B)(CECIUfI36IC(mA )1234UCE(V)912O放大区放大区O BCII_ BCII 53704051BC.II 400400605132BC .II ICBO A+EC AICEOIB=0+ICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区ICUCEO属电压控制器件属电压控制器件,是一种是一种由输入电压控制其输出电流的半导体器件由输入电压控制其输出电流的半导体器件。输入电阻高

17、，可用作理输入电阻高，可用作理想的输入级器件，而且功耗低，热稳定性想的输入级器件，而且功耗低，热稳定性好，便于集成等。好，便于集成等。 绝缘栅型和结型（不绝缘栅型和结型（不作介绍）作介绍） 1.4.1 N 沟道P 型硅衬底N+N+源极 S 栅极 G 漏极 DSiO2绝缘层金属铝DSG衬底DSG衬底N 沟道绝缘栅型场效应管的结构N 沟道耗尽型场效应管的符号N 沟道增强型场效应管的符号 P 沟道N 型硅衬底P+P+源极 S 栅极 G 漏极 DSiO2绝缘层金属铝DSG衬底DSG衬底P 沟道绝缘栅型场效应管的结构P 沟道耗尽型场效应管的符号P 沟道增强型场效应管的符号：UGS=0时漏、源极之间已经存

18、在原始导电沟道。时漏、源极之间已经存在原始导电沟道。：UGS=0时漏、源极之间才能形成导电沟道。时漏、源极之间才能形成导电沟道。无论是无论是N沟道沟道MOS管还是管还是P沟道沟道MOS管，都只有一种载管，都只有一种载流子导电，均为单极型电压控制器件。流子导电，均为单极型电压控制器件。MOS管的栅极电流几乎为零，输入电阻管的栅极电流几乎为零，输入电阻RGS很高很高1.4.2 N沟道P型硅衬底N+N+源极栅极漏极SiO2绝缘层金属铝UGSUDSID 增强型场效应管不存增强型场效应管不存在原始导电沟道，在原始导电沟道， UGS=0时场效应管不能导通，时场效应管不能导通，ID=0 。 UGS0时会产生

19、垂时会产生垂直于衬底表面的电场。直于衬底表面的电场。P型衬底与绝缘层的界面将型衬底与绝缘层的界面将感应出负电荷层，感应出负电荷层，UGS增加，增加，负电荷数量增多，积累的负电荷数量增多，积累的负电荷足够多时，两个负电荷足够多时，两个N+区沟通，形成导电沟道，区沟通，形成导电沟道，漏、源极之间有漏、源极之间有ID出现。出现。 在一定的漏、源电压在一定的漏、源电压UDS下，使管子由不导通转为下，使管子由不导通转为导通的临界栅、源电压称为开启电压导通的临界栅、源电压称为开启电压UGS(th)。 UGS UGS(th)时，随时，随UGS的增加的增加ID增大。增大。 0 2 4 6 UGS/V ID/mA UGS(th) 16 12 8 4 IDSS (a) 转移特性曲线 UDS=常数 ，就是输入电压，就是输入电压UGS对输出电流对输出电流ID的控制的控制特性。在一定的漏源电压下，使增强型场效应管特性。在一定的漏源电压下，使增强型场效应管形成导电沟道，产生漏极电流时所对应的栅源电形成导电沟道，产生漏极电流时所对应的栅源电压称为压称为，用，用UGS（th）表示。表示。ID=ID0