电子技术1半导体器件

1、 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、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。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间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。 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空位，这个空位称为。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。 每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。（与自由电子的运动不同） 有了

2、空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。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。 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 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。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。 在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电

3、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） 在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类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P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。自由电子 多数载流子（简称多子）空 穴少数载流子（简称少子）P 型半导体N 型半导体 无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。 掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。 少数载流子是热激发而产生的，其数量

4、的多少决定于温度。u半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。 载流子在电场作用下的定向运动称为。 在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为。u将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N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 1.2 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 多子扩散 形成空间电荷区产生内电场 少子漂移 扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结u外加正向电压（也叫正向偏置）u外加电场与内电场方向相反，内电

5、场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于状态。空间电荷区变窄E R内电场外电场PNIE 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）u外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，这时称PN结处于状态。 一个PN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。 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。 点接触型二极管PN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

6、元件。 面接触型二极管PN结面积大，结电容也小，多用在低频整流电路中。阳极 阴极2.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构-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时，反向电流急剧增加。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IOM：指管子长期运

7、行时，允许通过的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压UB：指管子反向击穿时的电压值。（3）最大反向工作电压UDRM：二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为UB 的一半）。（4）最大反向电流IRM：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。（5）最高工作频率fM：主要取决于PN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。2.3 半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数稳压管的主要参数：（1）稳定电压UZ。反向击穿后稳定工作的电压。（2）稳定电流IZ。工作电压等于稳定电压时的电流。（3）

8、动态电阻rZ。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：rZ=UZ/IZ（4）额定功率PZ和最大稳定电流IZM。额定功率PZ是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是： 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。阳极 阴极3.1 稳压管稳压管3.2 发光二极管发光二极管 当发光二极管的PN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。 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

9、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，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。阳极 阴极 (a) (b)LEDLEDRE3.3 光电二极管光电二极管 光电二极管的又称为光敏二极管，其工作原理恰好与发光二极管相反。当光线照射到光电二极管的PN结时，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PN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PN结上，在光电二极管的管壳上设有一个小的通光窗口。阳极 阴极4.1 半导体三极管是由

10、两个背靠背的PN结构成的。在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称为，简称晶体管或三极管。 两个PN结，把半导体分成三个区域。这三个区域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三极管有两种类型：和。集电结 B发射结NPN集电区基区发射区CCEEB集电结 B发射结PNPCCEEB集电区基区发射区NPN型PNP型箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向4.2 （1）产生放大作用的条件 内部：a）发射区杂质浓度基区集电区 b）基区很薄 外部：发射结正偏，集电结反偏NPNICIEIBRBUBBUCCRC（2）三极管内部载流子的传输过程a）发射区向基区注入电子，形成发射极电流

11、 iEb）电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流 iBc）集电区收集扩散过来的电子，形成集电极电流 iC（3）电流分配关系： iE = iC + iB 实验表明IC比IB大数十至数百倍。IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。4.3 ICIBRBUBBUCCRCVVAmA +UCE +UBE0.4 0.8 UBE /V40302010IB /mA0UCE1V测量三极管特性的实验电路 三极管的输入特性曲线输入特性曲线输入特性曲线与二极管类似4321IB=00

12、3 6 9 12 UCE /V20A40A60A80A100A饱和区截止区放 大 区IC /mA输出特性曲线输出特性曲线1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置BECEBEBuuui, 0, 0BCii0, 0CBiiBCii2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置 3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置 此时此时 4.4 （1）电流放大系数）电流放大系数：iC= iB（2）极间反向电流）极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO=（1+ ）iCBO（3）极限参数）极限

13、参数 1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流 ICM： 下降到额定值下降到额定值的的2/3时所允许的最大集电极电流。时所允许的最大集电极电流。 2）反向击穿电压）反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压。极、发射极间的最大允许电压。 3）集电极最大允许功耗）集电极最大允许功耗PCM 。 5.1 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

14、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、源极之间已经存在原始导电沟道。：UGS0才能在漏、源极之间形成导电沟道。无论是N沟道MOS管还是P沟道MOS管，都只有一种载流子导电，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RGS很高。1612 8 403 6 9 12 UDS/V2VUGS=0V放 大 区ID/mA(b) 漏极特性曲线4 2 0 2 4 UGS/VID/mAUGS(off)1612 8 4IDSS(a) 转移特性曲线可变电阻区2VUDS=常数 耗尽型场效应管存在原始导电沟道，

15、UGS=0时漏、源极之间就可以导电。这时在外加电压UDS作用下的漏极电流称为漏极饱和电流IDSS。UGS0时沟道内感应出的负电荷增多，沟道加宽，沟道电阻减小，ID增大。UGS0时会产生垂直于衬底表面的电场。P型衬底与绝缘层的界面将感应出负电荷层，UGS增加，负电荷数量增多，积累的负电荷足够多时，两个N+区沟通，形成导电沟道，漏、源极之间有ID出现。在一定的漏、源电压UDS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UGS(th)。 UGS UGS(th)时，随UGS的增加ID增大。 按场效应管的工作情况可将漏极特性曲线分为两个区域。 在虚线左边的区域内，漏、源电压UDS相对较小，漏极电流ID随UDS的增加而增加，输出电阻ro较小，且可以通过改变栅、源电压UGS的大小来改变输出电阻ro的阻值，这一区域称为可变电阻区。 在虚线右边的区域内，当栅、源电压UGS为常数时，漏极电流ID几乎不随漏、源电压UDS的变化而变化，特性曲线趋于与横轴平行，输出电阻ro很大，在栅、源电压UGS增大时，漏极电流ID随U