半导体器件结构、原理和参数

1、 半导体器件是组成各种电子电路包括模拟电路和数字电路，分立元件电路和集成电路的基础。 本章讨论半导体的特性，PN结的单向导电性，二极管、三极管、场效应管的结构，工作原理，特性曲线和主要参数 半导体器件结构、原理和参数 物质可分为： 导体：=10-4.cm 如：铜，银，铝 绝缘体：=109.cm 如：橡胶，塑料 半导体其导电能力介于上面两者之间，一般为四价元素的物质，即原子最外层的轨道上均有四个价电子,所以称它们为4 价元素。 半导体有：元素半导体：硅（Si）、锗（Ge）等； 化合物半导体：砷化镓（GaAs）等第一节半导体的特性原子结构的简化模型图1.1.1 硅或锗的简化原子结构模型图1.1.2

2、 硅或锗晶体的共价健结构示意图 本征半导体 通常把非常纯净的、几乎不含杂质的且结构完整的半导体晶体称为本征半导体。 在T=0K（相当于273oC）时半导体不导电，如同绝缘体一样。 如温度升高，如在室温条件下，将有少数价电子获得足够的能量，以克服共价键的束缚而成为自由电子，其载流子的数量很少（自由电子的数量）导电能力很弱。1.1.1 本征半导体束缚电子本征激发空穴、电子对两种载流子：电子与空穴载流子产生与复合动态平衡载流子浓度与T有关图1.1.3 本征激发现象 在本征半导体中掺入少量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的改变。 根据掺入杂质的化合价的不同，杂质半导体分为: N型半导体和P型半导

3、体两大类。一N型半导体： 在4价硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷，锑，砷等。1.1.2 杂质半导体施主杂质、多数载流子（多子）、少数载流子（少子）、 电子型半导体 （a） （b）图1.1.4 N型半导体（a）结构示意图 （b）离子和载流子（不计本征激发）受主杂质、多子、少子、空穴型半导体 （a） （b）图1.1.5 P型半导体（a）结构示意图 （b）离子和载流子（不计本征激发）二P型半导体：在4 价硅或锗的晶体中掺入少量 的3 价杂质元素，如硼，锡，铟等。 N半导体、P半导体电中性 半导体的特性： 1、热敏性 2、掺杂性 3、光敏性结及其单向导电性 单纯的P型或N型半导体，仅仅是导电

4、能力增强了，因此它还不是电子线路中所需要的半导体器件。若在一块本征半导体上，两边掺入不同的杂质，使一边成为P型半导体，另一边成为N型半导体，则在两种半导体的交界面附近形成一层很薄的特殊导电层PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。第二节半导体二极管结的形成扩散运动、空间电荷区、耗尽层、漂移运动、动态平衡、内建电位差、势垒区或阻挡层 （a） （b）图1.2.1 PN结的形成（a）载流子的扩散运动 （b）平衡状态下的PN结结的单向导电性原理偏置、正向偏置（正偏）、反向偏置（反偏）正向导通、反向截止 （a） （b）图1.2.2 外加电压时的PN结（a）正偏 （b）反偏 PN结正偏时产生较大的正向电

5、流PN结处于导通状态。 PN结反偏时产生较小的反向电流，PN结处于截止状态。 故PN结具有单向导电性。 1.2.2 半导体二极管及其基本特性（a） （b）图1.2.3 二极管的结构和符号（a）结构示意图 （b）符号 一、 二极管的结构与符号 图1.2.4 二极管的伏安特性曲线二、二极管（PN结）伏安特性1、正向特性、 “死区”、导通电压或开启电压；室温下，硅管的Uon，锗管的Uon。管压降：硅管UD，锗管UD0.3V 2反向击穿特性反向特性、反向饱和电流、反向击穿电压。电击穿：雪崩击穿、齐纳击穿。热击穿 需要特别指出的是，普通二极管的反向击穿电压较高，一般在几十伏到几百伏以上（高反压管可达几千

6、伏）。普通二极管在实际应用中不允许工作在反向击穿区。二极管的伏安特性方程：可近似用PN结的伏安特性方程来表示。理论研究表明，PN结两端电压U与流过PN结的电流I之间的关系为 （）Isat-反向饱和电流UT =kT/q-温度电压当量，其中k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电量。在室温（27或300K）时UT26mV。三、二极管的主要参数 1、最大整流电流IF：指二极管长期工作时，允许通 过管子的最大正向平均电流。 2、最高反向工作电压UR： 3、 反向电流IR：指在室温下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。 IR愈小单向导电性愈好。IR与温度有关（少子运动） 4、 最高

7、工作频率：fM值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，则fM愈低。图1.2.5 稳压二极管的电路符号四稳压二极管 利用二极管的反向击穿特性，可将二极管做成一种特殊二极管稳压二极管。稳压二极管简称稳压管稳压二极管的电路符号如图所示稳压二极管参数：稳定电压、稳定电流、动态电阻、额定功耗、稳定电压的温度系数。五、 二极管的分类及其选择1二极管的分类按材料的可分为锗管和硅管；按功能可分为开关管、整流管、稳压管、变容管、发光管和光电（敏）管等，普通二极管、特殊二极管；按工作电流可分为小电流管和大电流管；按耐压高低可分为低压管和高压管；按工作频率高低可分为低频管和高频管等。2二极管的选择 （1） 要求

8、导通电压低时选锗管；要求反向电流小时选硅管；要求击穿电压高时选硅管；要求工作频率高时选点接触型高频管；要求工作环境温度高时选硅管。 （2） 在修理电子设备时，如果发现二极管损坏，则用同型号的管子来替换。如果找不到同型号的管子则可改用其他型号二极管来代替，替代管子的极限参数IF 、UR和 fM应不低于原管，且替代管子的材料类型（硅管或锗管）一般应和原管相同。1电容效应二极管除了单向导电性外，还具有电容效应（PN结电容效应），即当其两端电压变化时，其存储的电荷也发生变化，因此就出现充、放电现象。按产生的原因不同分为势垒电容和扩散电容两种。（1）势垒电容Cb（2）扩散电容Cd结电容Cj为两者之和，即

9、Cj= Cb + Cd 正偏时，Cb Cd ，Cj主要由势垒电容决定。1.2.3 二极管的电容效应2变容二极管利用二极管的电容效应，可将二极管做成一种特殊二极管变容二极管，其电路符号如图所示。主要用作可变电容（受电压控制）必须工作在反偏状态常用于高频电路中的电调谐电路。图1.2.6 变容二极管的电路符号1光敏特性与光敏二极管半导体具有光敏特性，光照越强，受激产生的电子空穴对的数量越多。普通二极管的外壳都是不透光的利用二极管的光敏特性，可制成一种特殊二极管光敏二极管。光敏二极管又称光电二极管，属于光电子器件。为了便于接受光照，光电二极管的管壳上有一个玻璃窗口，让光线透过窗口照射到PN结的光敏区。

10、光电二极管的符号如图（a）所示。 1.2.4 二极管的光电效应 （a） （b）图1.2.7 光电二极管的符号与光电特性的测量电路（a）符号 （b）光电特性的测量电路 2发光二极管发光二极管的符号与基本应用电路如图所示。显然，发光二极管应工作在正偏状态，且当正向电流达到一定值时才能发出光。（a） （b）图1.2.8 光电二极管的符号与发光特性的测量电路（a）符号 （b）发光特性的测量电路1.2.5 二极管的温度特性半导体还具有热敏特性温度每升高1，正向压降减小22.5mV；温度每升高10，反向电流约增大一倍。二极管的反向特性受温度的影响较大温度对二极管的影响是不可避免的，因为温度总是存在于器件中

11、存在且经常变化的。 它有空穴和电子两种载流子参与导电，故称双极型。 分为硅管和锗管；大、中、小功率管；高频管和低频管。 半导体三极管（简称三极管）就是一种能将直流能量转化为交流能量的器件，这样的器件也称为有源器件。第三节、晶体三极管 半导体三极管又称为双极型三极管（Bipolar Junction Transistor，BJT）、晶体三极管，简称三极管，是最为常用的一种半导体器件。它是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。由于PN结之间的相互影响，使三极管表现出不同于二极管单个PN结的特性而具有电流放大作用，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。本节将围绕三极管为什么具有电流放大作用这个核

12、心问题，讨论三极管的结构、内部载流子的运动过程以及它的各极电流分配关系。 1.3.1 三极管的结构与符号实物演示 各类三极管及其外形三极管按结构可分为NPN和PNP两类。 三极管的结构：（硅平面型、锗合金型） 三个区：基区、发射区、集电区 三个极：基极、发射极、集电极 三个结：发射结、集电结集电极集电结Jc发射结Je N 基区 P 发射区 P 发射区cc发射极e基极b（a）结构示意图 （b）符号1.3.2 PNP型三极管（a）结构示意图 （b）符号图1.3.1 NPN型三极管集电结Jc发射结Je P 基区 N 发射区 N 发射区集电极cc发射极e基极b 1.3.2 三极管放大原理1三极管的偏置

13、 放大电路中的三极管都需要提供直流电源， 并得到一个合适的偏置。 由于三极管有两个PN结，所以偏置的方式有四种：发射结正偏、集电极反偏；发射极反偏、集电结正偏；二结均正偏；二结均反偏。放大电路中的三极管的偏置应为发射结正偏、集电结反偏。NPN型三极管，UCUBUE ；PNP型三极管， UCUBUE。（a） （b）图1.3.3 三极管的直流供电电路之一（a）NPN型三极管的直流供电电路 （b）PNP型三极管的直流供电电路（a） （b）图1.3.4 三极管的直流供电电路之二（a）NPN型三极管的直流供电电路 （b）PNP型三极管的直流供电电路图1.3.5 NPN三极管内部载流子的运动 2三极管的电

14、流分配关系半导体三极管内有两种载流子参于导电，故称为双极型三极管（BJT）。图1.3.6 三极管的电流分配关系由节点电流定律，有IE = ICN IBN （）IB = IBN ICBO （）IC = ICN ICBO （）由上述三式可得IE = IB IC （）定义 （ ） 称为共基极直流电流放大系数，其值一般在至之间；定义 （） 称为共发射极直流电流放大系数, 其值一般在几十至几百之间。由于ICBO一般很小，若忽略ICBO ，则有IB IBN （）IC ICN （）IE = ICN IBN = IB IC （） （）（） 因此， （） （）且有 (1.3.8a) (1.3.8b) 若考虑IC

15、BO，则由式（）、（）和（）得 (1.3.9)上式第二项用ICEO表示，即于是通常称ICEO为穿透电流，或集电极.发射极间反向饱和电流。管子各极的电流及方向如图所示。PNP型管的各极电流方向与NPN型管相反，但电流分配关系完全相同。三极管三个电极的电流中，IB 最小，IE最大，IC IE ,即 IEICIB 。 （a） （b）图1.3.7 三极管各极的电流及方向（a）NPN型 （b）PNP型1.3.3 三极管的共射特性曲线采用共射接法的三极管的特性曲线称为共射特性曲线。三极管有三个电极，而且还有放大作用，所以它的特性曲线要比二极管复杂的多。常用的是输入特性曲线和输出特性曲线。图1.3.8 测量

16、三极管共射特性曲线的电路 输入特性曲线反映了三极管输入端的电流iB和电压uBE关系，输出特性曲线则反映了三极管输出端的电流iC和电压uCE的关系。 1.共射输入特性曲线 三极管的共射输入特性曲线表示当管子的输出电压uCE为常数时，输入电流iB与输入电压uBE之间的关系曲线，即 在一般情况下，当uCE较大（大于1V）时，三极管工作在正常放大状态，则uCE对iB的影响很小。因此，为使问题简单化，将只考虑保证uCE始终大于 1V，但并不固定uCE为某一数值，其误差很小。 0.6 图1.3.9 共射输入特性曲线1V0.5VuCE=0V0.20.40.8020406080iB (mA)20uCE(V)图

17、为某硅NPN管的共射输入特性曲线 （1）uCE =0V时，相当于c、e极短路，这时三极管可以看为两个二极管的正向并联，因此uCE =0V的输入特性与二极管的正向特性相似，但更陡一些。 （2）随着uCE的增大，曲线逐渐右移。这是因为随着uCE的增大，基区调宽效应使电子在基区与空穴的复合减少，在相同的uBE下iB减小，曲线右移。 （3）uCE1V以后各条输入特性曲线密集在一起，几乎重合。 由于在实际使用时，uCE一般总是大于1V的，因此通常只画出有用的uCE =1V的那条输入特性曲线。 (4) 一般硅管的UBE， 锗管的UBE。 (5) 输入特性是非线性的。 总之，三极管的输入特性曲线与二极管的正

18、向特性相似，因为b、e极间是正向偏置的PN结。2共射输出特性曲线 共射组态时，三极管的输出电流iC不但取决于输出电压uCE ，而且与输入电流iB有关。三极管的共射输出特性曲线表示当管子的输入电流iB为某一常数时，输出电流iC与输出电压uCE之间的关系曲线，即图1.3.10 共射输出特性曲线i放大区uCE=uBEiBICEO iC(mA)u CE (V)02468101024680iB=140A120A100A80A60A40A20A截止区饱和区20图为某硅NPN三极管的共射输出特性曲线 （1） 曲线起始部分较陡，且不同iB曲线的上升部分几乎重合。这表明uCE很小时，uCE略有增大，iC就很快增加，但iC几乎不受iB的影响。