常用半导体器件

第一章常用半导体器件1.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4场效应管1.5本章小结浙江邮电职业技术学院1.1半导体基础知识自然界中的物质，按其导电能力可分为三大类：导体、半导体和绝缘体。半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。典型的半导体主要有硅（Si）、锗（Ge）和化合物半导体砷化镓（GaAs）等。半导体的主要特点：①热敏性②光敏性③掺杂性浙江邮电职业技术学院一、本征半导体本征半导体是指完全纯净的、结构完整的半导体晶体。1.本征半导体的原子结构及共价键硅和锗都是四价元素，有四个价电子。在绝对零度下，所有价电子，都被共价键紧紧束缚，不会成为自由电子。因此本征半导体的导电能力很弱。图1.1本征半导体共价键结构

浙江邮电职业技术学院2.本征激发和两种载流子——自由电子和空穴当温度升高或受光照射时，共价键中的价电子获得足够能量，有的电子可以挣脱共价键的束缚，变成自由电子；同时在原共价键的相应位置上留下一个空位，这个空位称为空穴。本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。图1.2本征激发产生电子空穴对浙江邮电职业技术学院空穴（图中位置1）出现以后，邻近的束缚电子（图中位置2）可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位，另一个束缚电子（图中位置3）又会填补这个新的空位，这样就形成束缚电子填补空穴的运动。称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。图1.3束缚电子填补空穴的运动浙江邮电职业技术学院3.结论

（1）半导体中存在两种载流子，带负电的自由电子和带正电的空穴。而导体中只有一种载流子：自由电子，这是半导体与导体的一个本质区别。（2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。

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（3）一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合达到动态平衡，电子空穴对的数目相对稳定。（4）光照、温度升高等外界条件影响下，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。

浙江邮电职业技术学院二、杂质半导体本征半导体中掺入微量其他元素（称为杂质），可使其导电性能显著改变。控制掺入杂质的浓度，可以制成各种性能的半导体器件。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：N型半导体和P型半导体。浙江邮电职业技术学院1.N型半导体在本征半导体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，可得到N型半导体。

特点：自由电子浓度大于空穴浓度多数载流子：自由电子少数载流子：空穴自由电子导电图1.4N型半导体的共价键结构浙江邮电职业技术学院

2.P型半导体在本征半导体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等，可得到P型半导体。

特点：空穴浓度大于自由电子浓度多数载流子：空穴少数载流子：自由电子空穴导电图1.5P型半导体的共价键结构浙江邮电职业技术学院多数载流子（多子）参与导电，杂质原子成为不可移动的离子，半导体呈现电中性。

多子的浓度与掺杂浓度有关，受温度影响很小；少数载流子（少子）是因本征激发产生，因而其浓度与掺杂无关，对温度非常敏感，影响半导体的性能.

浙江邮电职业技术学院三、PN结及其单向导电性1.PN结的形成PN结合多子浓度差多子扩散产生空间电荷区，形成内电场阻止多子扩散，促使少子漂移。图1.6载流子分布浓度差引起扩散运动浙江邮电职业技术学院扩散运动：多数载流子因浓度上的差异而形成的运动。漂移运动：少数载流子在内电场作用下有规则的运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结的宽度处于稳定状态。图1.7PN结的形成

浙江邮电职业技术学院2.PN结的单向导电性（1）PN结外加正向电压

PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，或称PN结正向偏置，简称为正偏。正偏时，PN结变窄，正向电阻小，电流大，PN结处于导通状态。图1.8PN结外加正向电压

浙江邮电职业技术学院（2）PN结外加反向电压

PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，或称PN结反向偏置，简称为反偏。反偏时，PN结变宽，反向电阻很大，电流很小，PN结处于截至状态。图1.9PN结外加反向电压

浙江邮电职业技术学院（3）PN结的单向导电性PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。浙江邮电职业技术学院1.2半导体二极管一、二极管的结构及符号

结构二极管＝PN结＋管壳＋引线符号

由P端引出的电极是正极，由N端引出的电极是负极，箭头的方向表示正向电流的方向，VD是二极管的文字符号。

浙江邮电职业技术学院与PN结一样半导体二极管具有单向导电性。按半导体材料来分类，常用的有硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。按工艺结构来分类，有点接触型、面接触型和平面型二极管三种。图1.10点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。浙江邮电职业技术学院图1.11面接触型二极管图1.12平面型二极管PN结面积大，结电容大，用于低频大电流整流电路。PN结面积大小可控。结面积大，用于大功率整流；结面积小，用于高频电路。浙江邮电职业技术学院按封装形式来分类，常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种。按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形各异。图1.13常见的二极管外形

浙江邮电职业技术学院二、二极管的伏安特性及主要参数1.二极管的伏安特性二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。I＝f（U）图1.14测正向特性

浙江邮电职业技术学院图1.15二极管的伏安特性曲线

浙江邮电职业技术学院（1）正向特性当二极管所加正向电压比较小时（0<U<Uth），二极管上流经的电流为0，管子仍截止，此区域称为死区，Uth称为死区电压（门坎电压）。硅二极管的死区电压约为0.5V，锗二极管的死区电压约为0.1V。二极管所加正向电压大于死区电压时，正向电流增加，管子导通，电流随电压的增大而上升，二极管呈现电阻很小，二极管处于正向导通状态。硅二极管的正向导通压降约为0.7V，锗二极管的正向导通压降约为0.3V。浙江邮电职业技术学院（2）反向特性二极管外加反向电压时，反向电流很小（I≈-IS），而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此，称此电流值为二极管的反向饱和电流。二极管呈现的电阻很大，管子处于截止状态。图1.16测反向特性

浙江邮电职业技术学院（3）反向击穿特性当反向电压的值增大到UBR时，反向电压值稍有增大，反向电流会急剧增大，称此现象为反向击穿（即电击穿），UBR为反向击穿电压。在路中采取适当的限压措施，就能保证电击穿不会演变成热击穿以避免损坏二极管。浙江邮电职业技术学院2.二极管的温度特性

二极管是对温度非常敏感的器件。随温度升高，二极管的正向压降减小，正向伏安特性左移，即二极管的正向压降具有负的温度系数（约为-2mV/℃）；温度升高，反向饱和电流会增大，反向伏安特性下移，温度每升高10℃，反向电流大约增加一倍。图1.17温度对二极管伏安特性影响浙江邮电职业技术学院3.二极管的主要参数（1）最大整流电流IF

最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。（2）反向击穿电压UBR反向击穿电压是指二极管击穿时的电压值。（3）反向饱和电流IS它是指管子没有击穿时的反向电流值。其值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。浙江邮电职业技术学院三、特殊二极管1、稳压二极管

稳压二极管又名齐纳二极管，简称稳压管，是一种用特殊工艺制作的面接触型硅半导体二极管。

（1）稳压二极管的特点杂质浓度比较大，容易发生击穿，其击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化，从而达到稳压的目的。浙江邮电职业技术学院+

U

Z－V

D反偏电压≥Uz反向击穿限流电阻当稳压二极管工作在反向击穿状态下，工作电流Iz在Izmax和Izmin之间变化时，其两端电压近似为常数稳定电压正向同二极管图1.18稳压二极管伏安特性浙江邮电职业技术学院（2）稳压管的主要参数

①稳定电压UZ：在规定的稳压管反向工作电流下，所对应的反向工作电压。②稳定电流IZ：稳压管工作在稳压状态时，稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大稳定电流IZmax之分。IZ<IZmin，稳压管不起稳压作用，相当于普通二极管；IZ>IZmax，稳压管因过流而损坏。③耗散功率PM。它是指稳压管正常工作时，管子上允许的最大耗散功率。超过此值，管子会因过热而损坏。浙江邮电职业技术学院

2、发光二极管

功能：电能转换成光能。原理：管子正向导通电流足够大时，PN结内电光效应发光。种类：发光颜色分为红、黄、橙、绿、白和蓝6种，颜色取决于制作管子的材料。应用：电子设备中的指示灯、数码显示器、电信号转为光信号等。图1.20发光二极管外形图1.19发光二极管符号浙江邮电职业技术学院3、光电二极管又称为光敏二极管，是一种光接受器件。功能：将光能转换为电能。特性：PN结工作在反偏状态，反向电流与照度成正比。应用：光测量、光电控制等。如：光纤通信。图1.21光电二极管符号图1.22光电二极管的基本电路浙江邮电职业技术学院4、变容二极管

原理：利用PN结的电容效应进行工作。特性：工作在反向偏置状态，当外加的反偏电压变化时，其电容量也随着改变。5、激光二极管

原理：在发光二极管的PN结间安置一层具有光活性的半导体，构成一个光谐振腔。工作时接正向电压，可发射出激光。应用：光盘驱动器，打印头，光通信光源等。图1.23变容二极管的符号浙江邮电职业技术学院四、半导体二极管的应用1、普通二极管利用二极管的单向导电性，可实现整流、限幅及电平选择等功能。（1）整流电路利用单向导电性能的整流元件，将正负交替变化的正弦交流电压变换成单方向的脉动直流电压。浙江邮电职业技术学院在电压正半周（设a端为正，b端为负时为正半周）电流通路如图(a)中实线箭头所示；电压的负半周，电流通路如图(b)中虚线箭头所示。通过RL的电流iL以及RL上的电压uL的波形如图1.25所示。iL、uL都是单方向的全波脉动波形。图1.24桥式整流电路(a)习惯画法(b)简化画法浙江邮电职业技术学院图1.25桥式整流电路波形图浙江邮电职业技术学院（2）二极管限幅电路降低信号幅度，保护某些器件不受大的信号电压作用而损坏。图1.26二极管限幅电路及波形ui≥E＋UD=3.7V，D导通，uo=3.7VUi最大值限制在3.7V。ui<3.7V，D截止，二极管支路开路uo=ui浙江邮电职业技术学院（3）二极管电平选择电路多路输入信号中选出最低电平和最高电平的电路。图1.27二极管低电平选择电路输入电压u1、u2<E二极管工作状态VD1VD2输出电压uou1<u2导通截止u1u1>u2截止导通u2u1=u2导通导通u1=u2

该电路能选出任意时刻的低电平。浙江邮电职业技术学院2、稳压二极管稳压管稳压电路图1.28硅稳压管稳压电路负载上电压UO＝UZ＝UI－IRRRL不变：UIUOIZIRURUO保持稳定同理UIUO保持稳定UI不变：RLIOUOIZIR不变UO保持稳定同理RLUO保持稳定浙江邮电职业技术学院1.3半导体三极管

一、三极管的结构及符号1.三极管的基本结构三极管的结构特点：

（1）基区做得很薄，且掺杂浓度低；（2）发射区杂质浓度很高；（3）集电区面积较大.图1.29三极管结构与符号NPNPNP浙江邮电职业技术学院

2.三极管的分类（1）工作频率高低分：低频管（3MHz以下）、高频管（3MHz以上）。（2）特殊性能要求分：开关管、低噪声管、高反压管等。（3）制作材料分：硅管和锗管。（4）功率分：大、中、小功率管。(a)、(b)小功率管(c)中功率管(d)大功率管图1.30三极管外形浙江邮电职业技术学院二、三极管的电流分配原则及放大作用三极管电流放大作用条件是：内部条件：发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度低且很薄，集电结面积大。外部条件：发射结加正向电压（正偏），而集电结必须加反向电压（反偏）。1.三极管的工作条件

图1.31三极管电流放大实验电路浙江邮电职业技术学院2.三极管实现电流分配的原理图1.32三极管内部载流子的传输与电流分配（1）发射区向基区发射自由电子，形成发射极电流IE。（2）自由电子在基区与空穴复合，形成基极电流IB。（3）集电区收集从发射区扩散过来的自由电子，形成集电极电流IC。另外，集电区的少子形成漂移电流ICBO。浙江邮电职业技术学院

3.三极管的电流分配关系图1.32三极管内部载流子的传输与电流分配三极管的直流电流放大系数：=IC/IB

三极管的交流电流放大系数：=△IC/△IB

一般≥1，通常≈电流分配关系：IE=IC+IB

IC=IB浙江邮电职业技术学院三、三极管的特性曲线及主要参数

1.三极管的特性曲线（1）输入特性曲线

图1.33三极管的输入特性曲线当UCE>1V时输入特性基本重合输入特性形状与二极管伏安特性相似发射极电压UBE>死区电压时，进入放大状态。UBE略有变化，IB变化很大。UCE≥1V时输入特性浙江邮电职业技术学院

（2）输出特性曲线

图1.34三极管的输出特性曲线IB＝60μA为例：UCE＝0V时，集电极无收集作用，IC＝0；UCEIC当UCE>1V后，收集电子能力足够强。发射到基区的电子都被集电极收集，形成IC。UCE再增加，IC基本保持不变。浙江邮电职业技术学院

（2）输出特性曲线

图1.34三极管的输出特性曲线①截止区（a）发射结和集电结均反向偏置；（b）不计穿透电流ICEO，有IB、IC近似为0；（c）集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一个开关断开。②放大区（a）发射结正偏，集电结反偏；（b）IC=βIB；（c）NPN型硅管，UBE≈

0.7V；锗管，UBE≈

0.2V。浙江邮电职业技术学院

（2）输出特性曲线

图1.34三极管的输出特性曲线③饱和区（a）发射结和集电结均正向偏置；（b）三极管的电流放大能力下降，通常有IC<βIB；（c）此时UCE值很小，称三极管的饱和压降，用UCES表示。一般硅三极管的UCES约为0.3V，锗三极管的UCES约为0.1V；（d）集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关导通。三极管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和导通状态；作为放大元件使用时，一般要工作在放大状态。浙江邮电职业技术学院

【例2-1】测得三只晶体管的直流电位如图2-8(a)、(b)、(c)所示，试判断它们的工作状态。图1.35例图

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2.三极管的主要参数

（1）共发射极电流放大系数①共射直流电流放大系数:②共射交流电流放大系数：（2）极间反向电流①集电极基极间的反向饱和电流ICBO发射极e开路时，集电结在反向电压作用下，集-基之间由少子漂移运动形成的反向饱和电流。②集电极发射极间的穿透电流ICEO基极b开路时，集电极和发射极之间的穿透电流。浙江邮电职业技术学院

（3）极限参数

极限参数是指三极管正常工作时不能超过的值，否则有可能损坏管子。

①集电极最大允许电流ICM②集电极最大允许功率损耗PCM③反向击穿电压U（BR）EBOU（BR）CBOU（BR）CEO图1.36三极管的安全工作区

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3.温度对三极管特性的影响图1.37温度对三极管输入特性的影响图1.38温度对三极管输出特性的影响

相同IB下，UBE随温度升高而减小－－负温度特性。相同△IB下，曲线间隔随温度升高而拉宽，β值增大。反向电流随温度升高而增大。浙江邮电职业技术学院五、特殊三极管

1.光电三极管光电三极管又叫光敏三极管，是一种相当于在三极管的基极和集电极之间接入一只光电二极管的三极管，光电二极管的电流相当于三极管的基极电流。从结构上讲，此类管子基区面积比发射区面积大很多，光照面积大，光电灵敏度比较高，因为具有电流放大作用，在集电极可以输出很大的光电流。浙江邮电职业技术学院

光电三极管有塑封、金属封装（顶部为玻璃镜窗口）、陶瓷、树脂等多种封装结构，引脚分为两脚型和三脚型。一般两个管脚的光电三极管，管脚分别为集电极和发射极，而光窗口则为基极。图1.39光电三极管的符号、等效电路和外形

浙江邮电职业技术学院2.光耦合器光耦合器是把发光二极管和光电三极管组合在一起的光—电转换器件。图1.40光耦合器的一般符号

浙江邮电职业技术学院3.达林顿管（复合管）达林顿管是指两个或两个以上的三极管按一定方式连接而成的管子，电流放大系数及输入阻抗都比较大。达林顿管分为普通达林顿管和大功率达林顿管，主要用于音频功率放大、电源稳压、大电流驱动、开关控制等电路。浙江邮电职业技术学院1.4场效应管

场效应管是一种电压控制器件，它是利用电场效应来控制其电流的大小，内部参与导电的只有多子一种载流子，因此它是单极性器件。场效应管分类：

浙江邮电职业技术学院一、结型场效应管

结型场效应管分为N沟道和P沟道结型管，它们都具有3个电极：栅极、源极和漏极，分别对应三极管的基极、发射极和集电极。1、结型场效应管的结构与符号结型场效应管符号中的箭头，表示由P区指向N区图3.1N沟道结型管的结构与符号

图3.2P沟道结型管的结构与符号

浙江邮电职业技术学院2.N沟道结型场效应管的工作原理（1）当栅源电压UGS=0时，两个PN结的耗尽层比较窄，中间的N型导电沟道比较宽，沟道电阻小。图3.3UGS=0时的导电沟道

浙江邮电职业技术学院图3.5UGS＜UP时的导电沟道

（2）当UGS<0时，两个PN结反向偏置，PN结的耗尽层变宽，中间的N型导电沟道相应变窄，沟道导通电阻增大。图3.4UGS<0时的导电沟道UGS越来越负，UGS<UP时，PN结的耗尽层完全合拢，N型导电沟道完全夹断，沟道导通电阻无穷大。UP－夹断电压浙江邮电职业技术学院

（3）当UP<UGS≤0且UDS>0时，可产生漏极电流ID。ID的大小将随栅源电压UGS的变化而变化，从而实现电压对漏极电流的控制作用。

UDS的存在，使得漏极附近的电位高，而源极附近的电位低，即沿N型导电沟道从漏极到源极形成一定的电位梯度，这样靠近漏极附近的PN结所加的反向偏置电压大，耗尽层宽；靠近源极附近的PN结反偏电压小，耗尽层窄，导电沟道成为一个楔形。图3.6UGS和UDS共同作用的情况

注意：结型场效应管在工作时，栅极和源极之间的PN结必须反向偏置。浙江邮电职业技术学院3.结型场效应管的特性曲线及主要参数（1）输出特性曲线可变电阻区（预夹断前）：UDSID调整UGS值改变导电沟道宽度调整D、S间导通电阻恒流区：ID几乎与UDS无关改变UGS改变ID截止区（夹断区）：UGS≤UP导电沟道完全夹断ID≈0，漏极和源极间电阻近似无穷大，管子截止。图3.7N沟道结型场效应管的输出特性曲线

击穿区：UDS大，管子击穿。浙江邮电职业技术学院（2）转移特性曲线

它反映了场效应管栅源电压对漏极电流的控制作用。图3.8N沟道结型场效应管的转移特性曲线当UGS=0时，导电沟道电阻最小，ID最大，称此电流为场效应管的饱和漏极电流IDSS。当UGS=UP时，导电沟道被完全夹断，沟道电阻最大，此时ID=0，称UP为夹断电压。浙江邮电职业技术学院（3）主要参数①夹断电压（UP）②饱和漏极电流IDSS③直流输入电阻（RGS）④最大耗散功率（PDM）⑤低频跨导（gm）⑥漏源击穿电压（U（BR）DS）⑦栅源击穿电压（U（BR）GS）浙江邮电职业技术学院二、绝缘栅场效应管

绝缘栅场效应管是由金属（Metal）、氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）材料构成的，因此又叫MOS管。绝缘栅场效应管分为增强型和耗尽型两种，每一种又包括N沟道和P沟道两种类型。1.增强型绝缘栅场效应管（1）结构与符号图3.9N沟道增强型MOS管符号图3.10N沟道增强型MOS管结构符号中的箭头表示从P区（衬底）指向N区（N沟道），虚线表示增强型。浙江邮电职业技术学院（2）N沟道增强型MOS管的工作原理在栅极G和源极S之间加电压UGS，漏极D和源极S之间加电压UDS，衬底B与源极S相连。图3.11N沟道增强型MOS管加栅源电压UGS

UDS一定，形成导电沟道所需要的最小栅源电压UGS，称为开启电压UT。栅源电压UGS<0，栅、源极间没有导电沟道，管子截止；UGS≥

UT有沟道形成，管子导通。（a）

UGS

＝0（b）

UGS

>0浙江邮电职业技术学院（3）特性曲线①输出特性（漏极特性）曲线图3.12N沟道增强型MOS管的输出特性曲线

四个区域：可变电阻区、恒流区、截止区、击穿区。源电压UGS大于开启电压UGS，漏极和源极之间加电压UDS时，才有漏极电流ID产生。浙江邮电职业技术学院②转移特性曲线图1.13N沟道增强型MOS管的转移特性曲线

浙江邮电职业技术学院2.耗尽型绝缘栅场效应管（1）结构、符号与工作原理图3.14N沟道耗尽型MOS管的结构与符号沟道刚刚消失所需的栅源电压UGS，称为夹断电压UP。UGS>

0，导电沟道加宽，沟道电阻变小。UGS<

0，导电沟道变窄，沟道电阻变大。当UGS小到一定负值时，沟道会被夹断，电阻为无穷大。符号中的箭头表示从P区（衬底）指向N区（N沟道），实线表示耗尽型。栅源电压UGS＝0时，漏极D和源极S间仍有导电沟道存在，加上UDS可产生电流ID；浙江邮电职业技术学院（2）特性曲线图3.15N沟道耗尽型MOS管的输出特性曲线和转移特性曲线

耗尽型MOS管工作时，其栅源电压UGS可以为0，也可以取正值或负值，在应用中有较大的灵活性。UDS为一定值，UGS＝0时，对应的漏极电流称为饱和漏极电流IDSS

。浙江邮电职业技术学院3.绝缘栅场效应管的主要参数①夹断电压（UP）②开启电压（UT）③直流输入电阻（RGS）④饱和漏极电流IDSS⑤漏源击穿电压（U（BR）DS）⑥栅源击穿电压（U（BR）GS）⑦最大耗散功率（PDM）⑧低频跨导（gm）浙江邮电职业技术学院三、场效应管比较1.各种场效