第4章：4.1半导体基本知识

1、研究各种半导体器件的性能、研究各种半导体器件的性能、电路及其应用的学科。电路及其应用的学科。分数电和模电两块，对象分别分数电和模电两块，对象分别为离散信号和连续信号。为离散信号和连续信号。发展：发展：1883，爱迪生，热电子效应；，爱迪生，热电子效应； 1904，弗莱明利用此效应制成，弗莱明利用此效应制成电子二极管；电子二极管； 1906，德福雷斯，三极管（放，德福雷斯，三极管（放入第三极：栅极）入第三极：栅极） 1948，美国贝尔实验室：晶体，美国贝尔实验室：晶体管；管； 1958，集成电路：材料、元件，集成电路：材料、元件和电路三者的统一（在半导体材和电路三者的统一（在半导体材料上渗入相应

2、的物质形成）。料上渗入相应的物质形成）。 电子管、晶体管、集成电路及电子管、晶体管、集成电路及大规模集成电路四代。大规模集成电路四代。 应用领域遍及广播、通讯、测应用领域遍及广播、通讯、测量、控制量、控制。4.14.1半导体器件半导体器件半导体基本知识半导体基本知识半导体二极管半导体二极管半导体三极管半导体三极管场效应管场效应管半导体基本知识半导体基本知识一、半导体一、半导体1 1、定义：、定义： 导电能力介于导体和绝缘体导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。之间的材料。 最常用：硅（最常用：硅（Si，14）和锗）和锗（Ge，32）等共同特征是）等共同特征是四价元素。四价元素。+Si2 2、特性

3、、特性 纯净半导体的导电能力很差；纯净半导体的导电能力很差； 热敏性：温度升高热敏性：温度升高导电能力增导电能力增强；强； 如：热敏电阻。如：热敏电阻。光敏性：光照增强光敏性：光照增强导电能力增导电能力增强；如：光敏电阻、图像传感器强；如：光敏电阻、图像传感器 掺杂性：掺入少量杂质掺杂性：掺入少量杂质导电能导电能力增强，达百万倍。力增强，达百万倍。 二、本征半导体二、本征半导体1 1、定义：、定义： 完全纯净、具有晶体结完全纯净、具有晶体结构的半导体。构的半导体。 2 2、导电性能、导电性能 ： （1）价电子与共价键；）价电子与共价键； 共价键共价键2 2不同原子的不同原子的2 2个价个价电子

4、组成电子组成1 1个电子对，个电子对，构成共价键的结构。构成共价键的结构。 （2）自由电子与空穴：）自由电子与空穴： 价电子受到激发价电子受到激发（如：热和光）（如：热和光）形成自由电子并留形成自由电子并留下空穴；下空穴；硅原子硅原子共价键共价键价电子价电子空穴空穴受温度的电离现受温度的电离现象热激发；象热激发；自由电子和空自由电子和空穴同时产生；穴同时产生； 空穴：该位置缺少一个电子，丢空穴：该位置缺少一个电子，丢失电子的原子显正电，为正离子；失电子的原子显正电，为正离子； 复合：自由电子回到空穴的位复合：自由电子回到空穴的位置上，使离子恢复中性的过程。置上，使离子恢复中性的过程。 自由电子

5、和空穴都能参与导电自由电子和空穴都能参与导电半导体具有两种载流子。半导体具有两种载流子。 （3）电子电流与空穴电流）电子电流与空穴电流 前提：在外电场的作用下。前提：在外电场的作用下。空穴电流：空穴电流：有空穴的原子可以吸引相邻原子有空穴的原子可以吸引相邻原子中的价电子（不是自由电子），填中的价电子（不是自由电子），填补这个空穴。补这个空穴。同时，在失去了一个价电子的相同时，在失去了一个价电子的相邻原子的共价键中出现另一个空穴；邻原子的共价键中出现另一个空穴；就好象是空穴就好象是空穴在运动。因此，在运动。因此，空穴运动相当于空穴运动相当于正电荷的运动。正电荷的运动。空穴价电子电子电流：电子电流

6、：自由电子的定向移动。自由电子的定向移动。三、杂质半导体三、杂质半导体本征半导体中，自由电子和空穴本征半导体中，自由电子和空穴数目极少，导电能力很低。数目极少，导电能力很低。掺杂后的半导体的导电性能将大掺杂后的半导体的导电性能将大大增强。杂质电离大增强。杂质电离根据掺杂（某种元素根据掺杂（某种元素 ）不同，可）不同，可分为：分为：NN和和P P两种类型半导体。两种类型半导体。 1 1、NN型半导体（型半导体（NN：negatronnegatron电子）电子） 掺入磷、砷等其它五价元素。掺入磷、砷等其它五价元素。特点：特点： 多余电子多余电子SiSiSiSiSiSiP形成了大量自形成了大量自由电

7、子。由电子。 同时，抑制了空穴的形成。同时，抑制了空穴的形成。 因此，形成以自由电子导电为因此，形成以自由电子导电为主要导电方式电子型半导体。主要导电方式电子型半导体。 电子是多数载流子（多子）；电子是多数载流子（多子）；空穴是少数载流子（少子）。空穴是少数载流子（少子）。 室温情况下（室温情况下（2727度），本征硅中：度），本征硅中：n n0 0=p=p0 01.51.5 10101010/cm/cm3 3，当磷掺杂量在，当磷掺杂量在10106 6量级时，电子载流子数目将增加几十万倍量级时，电子载流子数目将增加几十万倍2 2、P P型半导体型半导体渗入硼、铝等其它三价元素，称渗入硼、铝等其

8、它三价元素，称为为P P型半导体。型半导体。特点：特点： SiSiSiSiSiSiB空穴空穴形成了大量空形成了大量空穴；穴； 同时，也抑制了同时，也抑制了自由电子的形成。自由电子的形成。 注意：注意： 只有一种多数载流子。只有一种多数载流子。整个半导体晶体仍是电中性整个半导体晶体仍是电中性的。的。四、四、PN结及其单向导电性结及其单向导电性 NN、P P型半导体虽然导电能力增加，型半导体虽然导电能力增加，但并不能直接用来制造半导体器件但并不能直接用来制造半导体器件只是有了材料；只是有了材料；在一块晶片两边分别形成在一块晶片两边分别形成P P型和型和NN型半导体，在交界处形成型半导体，在交界处形

9、成PNPN结结这才是构成各种半导体器件的基础。这才是构成各种半导体器件的基础。1 1、PNPN结的形成结的形成在一块晶片两边分别形成在一块晶片两边分别形成P P型和型和NN型半导体。型半导体。PN自由电子自由电子空穴空穴扩散扩散扩散扩散P P、NN区的空穴、自由电子浓度差区的空穴、自由电子浓度差形成多子的扩散运动。形成多子的扩散运动。 多数载流子多数载流子扩散形成耗尽扩散形成耗尽层电阻率层电阻率高，不导电；高，不导电；交界处留下不可移动的离子形成交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区构成内电场，空间电荷区构成内电场，P P为为负，负，NN为正。为正。 P区区N区区内电场内电场内电场阻碍了多子的

10、继续扩散。内电场阻碍了多子的继续扩散。P区区N区区漂移漂移漂移漂移在内电场的在内电场的作用下形成少作用下形成少子的漂移运动。子的漂移运动。 扩散和漂移的动态平衡形成了扩散和漂移的动态平衡形成了PNPN结结 2 2、PNPN结的单向导电性结的单向导电性加正向电压：外加正向电压：外电源的正端接电源的正端接P P区，区，负端接负端接NN区。区。 PN内电场方向外电场方向+I变窄变窄破坏了扩散与漂移运动的平衡。破坏了扩散与漂移运动的平衡。内电场变窄、变弱，扩散变强，漂内电场变窄、变弱，扩散变强，漂移变弱。移变弱。 在一定范围内，在一定范围内，外电场愈强，正向外电场愈强，正向电流愈大，这时电流愈大，这时

11、PNPN结呈现的电阻很低。结呈现的电阻很低。电流包括：空穴电流电流包括：空穴电流和电子电流两部分。和电子电流两部分。外电源不断地向半导体提供电荷，外电源不断地向半导体提供电荷，使电流得以维持。使电流得以维持。PN内电场方向外电场方向+I变窄变窄加反向电压：外加反向电压：外电源的负端接电源的负端接P P区，区，正端接正端接NN区。区。 外电场与内电场外电场与内电场方向一致，破坏了方向一致，破坏了扩散与漂移运动的扩散与漂移运动的平衡。平衡。PN内电场方向外电场方向+I0变宽变宽由于少数载流子数量很少，因此由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即反向电流不大，即PNPN结呈现的反向结呈现的反向电

12、阻很高。电阻很高。 结论：结论： PNPN结具有单向导电性结具有单向导电性。加正向电压时，加正向电压时，PNPN结电阻很低结电阻很低正向电流较大导通状态；正向电流较大导通状态；加反向电压时，加反向电压时，PNPN结电阻很高，结电阻很高，反向电流很小截止状态。反向电流很小截止状态。4.14.1半导体器件半导体器件半导体基本知识半导体基本知识半导体二极管半导体二极管半导体三极管半导体三极管场效应管场效应管一、基本结构和类型一、基本结构和类型 1 1、结构、结构 PN结加上电极引线和管壳。结加上电极引线和管壳。阳极（正极）：从阳极（正极）：从P区引出的电区引出的电极；极；阴极（负极）：从阴极（负极）

13、：从N区引出的电区引出的电极。极。2 2、类型、类型 按结构分：点接触型和面接触型。按结构分：点接触型和面接触型。 点接触型：一般为锗管，点接触型：一般为锗管，PN结结结面积很小，不能通过较大电流，结面积很小，不能通过较大电流，但其高频性能好，故一般适用于高但其高频性能好，故一般适用于高频和小功率的工作，也用作数字电频和小功率的工作，也用作数字电路中的开关元件。路中的开关元件。面接触型：面接触型：PNPN结结面积大；可结结面积大；可通过较大电流（可达上千安培），通过较大电流（可达上千安培），其工作频率较低一般用作整流。其工作频率较低一般用作整流。用途：分为检波二极管、整流二用途：分为检波二极管

14、、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。极管、稳压二极管、开关二极管等。3 3、符号（、符号（D D） P P N N 二、伏安特性二、伏安特性 指流过二极管的电流指流过二极管的电流与两端电压的关系。与两端电压的关系。 特性曲线：特性曲线：U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)4020是非线性的，大致可是非线性的，大致可分为四个区：分为四个区：死区、正向导通区、反向死区、正向导通区、反向截止区和反向击穿区。截止区和反向击穿区。 U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)4020死区死区死区：死区：当外加正向电压很低时，当外加正向电压很低时，由

15、于外电场还不能克服由于外电场还不能克服PNPN结内电场对多数载流结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正子扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。向电流很小，几乎为零。通常，硅管的死区电压约为通常，硅管的死区电压约为0.5V0.5V，锗管约为锗管约为0.1V0.1V。正向导通区正向导通区 ：当外加正向电压死区电当外加正向电压死区电压时，二极管变为导通；压时，二极管变为导通； U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)4020导通区导通区电流将急剧增加（指数电流将急剧增加（指数关系），而二极管的电压关系），而二极管的电压却几乎不变，称为正向导却几乎不变，称为正向导通压降

16、。通压降。 硅管：硅管：0.60.7V0.60.7V；锗管：；锗管：0.20.3V0.20.3V。 反向截止区反向截止区 ：在二极管上加反向在二极管上加反向电压时，少数载流子电压时，少数载流子的漂移运动形成很小的漂移运动形成很小的反向电流。的反向电流。 U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)4020反向反向截止区截止区反向饱和电流：反向饱和电流： 随温度的上升增长很快；随温度的上升增长很快； 在反向电压不超过某一范围，反向电流在反向电压不超过某一范围，反向电流的大小基本恒定。的大小基本恒定。反向击穿区反向击穿区 ：击穿发生在空间电荷区。击穿发生在空间电荷区。 U(V

17、)0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)4020反向反向击穿区击穿区击穿的原因击穿的原因 ：雪崩式电离：处于强雪崩式电离：处于强电场中的载流子获得足电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格而够大的能量碰撞晶格而将价电子碰撞出来，产将价电子碰撞出来，产生电子空穴对，形成连生电子空穴对，形成连锁反应；锁反应；临界电压称反向击临界电压称反向击穿电压。穿电压。 另一原因：强电场直接将共价键中另一原因：强电场直接将共价键中的价电于拉出来，产生电子空穴对，的价电于拉出来，产生电子空穴对，形成较大的反向电流。形成较大的反向电流。 U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060

18、(A)4020反向反向击穿电压击穿电压理想二极管：理想二极管： 正向压降为正向压降为0 0；反向电流为反向电流为0 0。三、主要参数三、主要参数 1 1、最大整流电流、最大整流电流I ICMCM 整流是二极管重要应用之一。整流是二极管重要应用之一。 指二极管长时间使用时，允许流指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。过二极管的最大正向平均电流。 2 2、最高反向电压、最高反向电压U URMRM保证二极管不被击穿而给出的反保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压向峰值电压，一般是反向击穿电压的的1/2或或2/3。 3 3、最大反向电流、最大反向电流I IRMRM

19、 加最高反向工作电压时的反向电加最高反向工作电压时的反向电流值，受温度的影响很大。流值，受温度的影响很大。 反向电流越小反向电流越小单向导电性能越单向导电性能越好；好；锗管的反向电流较大为硅管（一锗管的反向电流较大为硅管（一般在几个微安以下）的几十到几百般在几个微安以下）的几十到几百倍。倍。 4 4、此外、此外最高工作频率、结电容值、工作最高工作频率、结电容值、工作温度、微变电阻等。温度、微变电阻等。四、应用四、应用应用范围很广，主要都是利用它应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。的单向导电性。可用于整流、检波、元件保护以可用于整流、检波、元件保护以及在脉冲与数字电路中作为开关元及在脉冲与

20、数字电路中作为开关元件。件。例如：例如：图示的电路中，已知：图示的电路中，已知：u ui i=30sintV=30sintV，二极管的正向压，二极管的正向压降可忽略不计，试分别画出输出降可忽略不计，试分别画出输出电压电压u u0 0的波形。的波形。RDR+- -uiu0u0D+- -ui+- -+- -40tiu20u0t2时截止时导通0 , 00 , 0iiiuDuDuuR+- -uiu0D+- -40tiu2DRu0+-ui+-时导通时截止0 , 00 , 0iiiuDuDuu0t0u2例例2 2：在图中，求输：在图中，求输出端出端F F的电位的电位U UF F=?=?。解：解：A3VB0

21、VF-12V因为因为A端电位比端电位比B端电位高，端电位高，所以，所以，DA优先导通。优先导通。设二极管的正向压降是设二极管的正向压降是0.3V，则：，则：UF=2.7V。DA起钳位作用。起钳位作用。DB上加的是反向电压，截止，起上加的是反向电压，截止，起隔离作用。隔离作用。五、特殊二极管五、特殊二极管 1、稳压管、稳压管结构：一种用特殊工艺制成结构：一种用特殊工艺制成的面接触型硅二极管；的面接触型硅二极管； 作用：稳压；作用：稳压；工作原理工作原理 ：工作在反向击穿：工作在反向击穿区，为电击穿；区，为电击穿；稳压的符号与稳压电路稳压的符号与稳压电路 ：ZDR是限流电阻是限流电阻RL是负载电阻

22、是负载电阻RZDLR0UiU伏安特性：反向击穿特性比普通伏安特性：反向击穿特性比普通二极管的要陡。二极管的要陡。 主要参数主要参数 ：稳定电压稳定电压UZ正常工作时，管正常工作时，管子两端的电压。子两端的电压。数值具有分散性，这也是很多半数值具有分散性，这也是很多半导体器件的共性，易受温度影响。导体器件的共性，易受温度影响。还有：稳定电流还有：稳定电流IZ 、电压温度系、电压温度系数数Z 、动态电阻、动态电阻rZ 、最大允许耗散、最大允许耗散功率功率PZM 等。等。2、光敏二极管、光敏二极管 利用半导体的光敏特性制成；利用半导体的光敏特性制成；反向电流随光照强度的增加而反向电流随光照强度的增加

23、而增强，又称：光电二极管。增强，又称：光电二极管。 符号：符号：D用来做为光控元用来做为光控元件，如：流水线计件，如：流水线计件。件。 3、发光二极管、发光二极管 用砷化镓、磷化用砷化镓、磷化镓等制成，通过电镓等制成，通过电流将会发出光来流将会发出光来电子和空穴复合电子和空穴复合而发出，不同的物而发出，不同的物质，不同的颜色。质，不同的颜色。符号：符号：D死区电压比死区电压比普通二极管高。普通二极管高。发光二极管常发光二极管常用来做显示器用来做显示器件。件。 4、变容二极管、变容二极管 PN结反向偏置时，结电容随反结反向偏置时，结电容随反向电压变化而有较大的变化。向电压变化而有较大的变化。 常

24、作为调谐电容使用改变常作为调谐电容使用改变其反向电压以调节其反向电压以调节LC谐振回路谐振回路的振荡频率。的振荡频率。 作业作业4.14.1半导体器件半导体器件半导体基本知识半导体基本知识半导体二极管半导体二极管半导体三极管半导体三极管场效应管场效应管三极管是最重要的一种半导体三极管是最重要的一种半导体器件。广泛应用于各种电子电路器件。广泛应用于各种电子电路中。中。具有具有“放大放大”和和“开关开关”作用，作用，由两种载流子导电，又称双极型三由两种载流子导电，又称双极型三极管。极管。 一、基本结构一、基本结构 平面型和合金型两种：平面型和合金型两种：CN型硅型硅P型型N型型二氧化硅保护膜二氧化

25、硅保护膜BE平面型结构平面型结构N型锗型锗铟球铟球铟球铟球P型型P型型CEB合金型结构合金型结构平面型都是硅管平面型都是硅管 合金型主要是锗管合金型主要是锗管NNP都具有都具有NPN或或PNP的的“三层两三层两结结”的结构，因而有两类晶体管。的结构，因而有两类晶体管。发射区发射区集电区集电区发射结发射结集电结集电结基区基区CBEBECPPN发射区发射区集电区集电区发射结发射结集电结集电结基区基区CBEBEC二、伏安特性二、伏安特性 2种晶体管的工作原理类似，仅种晶体管的工作原理类似，仅在使用时电源极性联接不同。以在使用时电源极性联接不同。以NPN型晶体管为例。型晶体管为例。1、晶体管电路、晶体

26、管电路三个电极之间可以组成不同的输三个电极之间可以组成不同的输入回路和输出回路入回路和输出回路共发射极电路，共发射极电路，共集电极电路，共基极电路。共集电极电路，共基极电路。 2、电流放大（共射电路）、电流放大（共射电路）BCE 共射电路共射电路改变可变电阻改变可变电阻R RB B，基极电流，基极电流I IB B，集电极电流集电极电流I IC C和发和发射极电流射极电流I IE E都发生都发生变化。变化。mAICmAIEIBuAECEBE EC CE EC C实验现象：实验现象：I IE EI IC CI IB B；BCEmAICmAIEIBuAECEB当当I IB B0 0（基极开（基极开路

27、）时，路）时，I IC C I ICEOCEO也也很小，约为很小，约为1 1微安以微安以下，称为穿透电流。下，称为穿透电流。 I IC C（或（或I IE E）比）比I IB B大得多，且相对大得多，且相对衡定；衡定；I IB B 的微小的微小变化可以引起变化可以引起I IC C的较大变化的较大变化 。这。这就是电流放大作就是电流放大作用，用，放大原理：放大原理：BCEmAICmAIEIBuAECEB外部条件外部条件发射结正向偏置、发射结正向偏置、集电结反向偏置。集电结反向偏置。内部载流子运动规律内部载流子运动规律 发射区向基区扩散电子。发射区向基区扩散电子。 电子在基区的扩散和电子在基区的扩

28、散和复合复合 ：基区厚度很小，基区厚度很小，电子在基区继续向集电电子在基区继续向集电结扩散，但有少部分与结扩散，但有少部分与空穴复合而形成空穴复合而形成I IBEBE I IB B。NNP发射区发射区集电区集电区发射结发射结集电结集电结基区基区CBE集电区收集扩散电子集电区收集扩散电子 ：形成集：形成集电极电流（电极电流（I ICECE I IC C ）放大作用的内部条件：基区很薄放大作用的内部条件：基区很薄且掺杂浓度很低。且掺杂浓度很低。 3、伏安特性、伏安特性 分析三极管分析三极管电路的重要依据。电路的重要依据。 （1）输入特性：）输入特性： 是是UCE常数时，常数时，IB 和和UBE 之

29、间之间的关系。的关系。 BCEmAICmAIEIBuAECEB与二极管正向与二极管正向特性一致。特性一致。BCEmAICmAIEIBuAECEB00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1VUCE0时，两时，两个个PN结并联；结并联； UCE0时，曲线时，曲线右移右移 ； 00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1VUCE 1V时，集电时，集电结处于反向偏置，结处于反向偏置，发射结正向偏置所发射结正向偏置所形成电流的绝大部形成电流的绝大部分将形成分将形成IC； UCE增大，增大，IB不会明显减小，所以，不会明显减小，所以，输入曲线基本重合，常只画一条。输入曲线

30、基本重合，常只画一条。 硅硅NPN管管UBE=0.60.7V；锗；锗PNP管管 UBE= 0.2 0.3V。（2）输出特性：）输出特性： 当当IB为常数时，为常数时， IC和和UCE 之间的关系曲线。之间的关系曲线。BCEmAICmAIEIBuAECEB不同的不同的IB可以可以得到不同的得到不同的 IC和和UCE 间曲线。间曲线。UCE超过约超过约1V再继续增加时，再继续增加时，IC的增加将不再的增加将不再明显。这是晶体明显。这是晶体管的恒流特性。管的恒流特性。 当当IB增加时，自由电子数增加，增加时，自由电子数增加，相应的相应的IC也增加，曲线上移。也增加，曲线上移。通常分三个区通常分三个区

31、特性曲线进于特性曲线进于水平的区域，也水平的区域，也称线性区。称线性区。IB和和IC有相对固定的有相对固定的关系，即电流放关系，即电流放大系数大系数 ：放大区：（模拟）放大区：（模拟）BCII BCII 静态和动态电流放大系数意义不同，静态和动态电流放大系数意义不同，但多数情况下近似相等。但多数情况下近似相等。 说明：说明：输出特性曲线是非线性的，只有在输出特性曲线是非线性的，只有在曲线的等距平直部分才有较好的线性曲线的等距平直部分才有较好的线性关系，关系，IC与与IB成正比，成正比，也可认为是基也可认为是基本恒定的。本恒定的。 制造工艺的原因，晶体管的参数具制造工艺的原因，晶体管的参数具有一定的离散性。有一定的离散性。IB0曲线以下区曲线以下区域，域，IC ICEO；