模拟电子技术基础-半导体器件基础

第2章半导体器件基础1/15/20231本章基本要求了解半导体的基本知识熟悉二极管(PN结)、晶体三极管(BJT)、场效应管(FET)的结构、工作原理、主要参数掌握二极管、BJT、FET的特点、伏安特性及二极管的应用电路及其分析方法。1/15/202322.1半导体基础与PN结

2.1.1半导体及其特性

一般金属电阻率为10-9～10-6Ω·cm，绝缘体的电阻率为1010～1020Ω·cm，半导体的电阻率为10-3～109Ω·cm。由于半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，故称为半导体。典型的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）、砷化镓（GaAs）及许多金属氧化物和金属硫化物。半导体具有以下特性：（1）热敏特性（2）杂敏特性（3）光敏特性（4）杂敏特性1/15/202332.1.2本征半导体

具有晶体结构的纯净半导体称为本征半导体。晶体通常具有规则的几何形状，在空间中按点阵(晶格)排列。

硅和锗原子的简化结构

1/15/20234最常用的半导体材料为硅（Si）和锗（Se）。在常温下，由于热激发，某些价电子可能获得足够的能量挣脱共价键的约束成为自由电子，绝大多数半导体材料只需要1.1eV就可以，同时在共价键中留下一个空位，称为“空穴”。空穴可以看成是带正电的粒子。由热激发产生的空穴和自由电子的现象称为本征激发。

1/15/20235共价键结构

在本征半导体中，由于原子排列的整齐和紧密，原来属于某个原子的价电子，可以和相邻原子所共有，形成共价键结构。图2-2所示为硅和锗共价键的(平面)示意图。

价电子共价键1/15/20236热激发与载流子在温度升高或者外界供给能量下最外层电子容易获得能量挣脱共价键的束缚成为自由电子，这种现象称为热激发，如图2-3所示。共价键失去电子后留下的空位称为空穴，显然具有空穴的原子带正电。本征半导体产生热激发时，电子和空穴成对出现。空穴自由电子1/15/20237复合、动态平衡自由电子在电场作用下运动时，也会填补空穴，这种现象成为复合，如图2-3所示。在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合，故在一定温度下，载流子的热激发和复合达到动态平衡，载流子的数目维持在一定的数目。新空穴复合1/15/202382.1.3杂质半导体

为了提高其导电能力，应增加载流子的数目，采用先进的工艺，在本征半导体中掺入微量的其它元素（称为掺杂），形成杂质半导体。若掺入微量的五价元素（如磷、砷、锑等），可大大提高自由电子浓度，这种杂质半导体称为N型半导体；若掺入微量的三价元素（如硼、铟），则可增加空穴数目，这种杂质半导体称为P型半导体。1/15/202391N型半导体

如果在硅或锗的本征半导体中掺入微量的5价磷（P）元素，则形成N型半导体。如图2-4所示。由于硼原子核外有5个价电子，其中4个价电子和相邻的硅或锗的形成4个共价键，而第5个价电子没有形成共价键，极容易挣脱原子核的束缚成为自由电子。N型半导体中，电子的数量远远大于空穴数，自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子，故N型半导体也称为电子型半导体，磷原子也称为施主杂质。磷原子未形成共价键的电子1/15/202310载流子浓度已知，硅的原子密度为，自由电子浓度为，若掺入250万分之一的磷，相当于磷原子的密度为，常温下磷原子全部电离，所产生的自由电子密度也为，可见比大100多万倍。所以，在掺入磷原子的本征半导体中，自由电子数目远远大于空穴数目，即自由电子为多数载流子(多子)，空穴为少数载流子(少子)，因此称为N型半导体。由于磷原子提供自由电子，故称为施主(Donor)杂质。1/15/2023112．P型半导体

如果在硅或锗的本征半导体中掺入微量的3价硼（B）元素，则形成P型半导体。如图2-5所示。由于硼原子核外有3个价电子，故只能和相邻的硅或锗的形成3个共价键，而第4个共价键中由于缺少一个电子形成空。P型半导体中，空穴的数量远远大于自由电子数，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，故P型半导体也称为空穴半导体，硼原子也称为受主杂质。硼原子未形成共价键的空穴1/15/2023122.1.4PN结

扩散运动

在图2-7中，“”是代表得到一个电子的负离子，“”是代表失去一个电子的正离子，这些离子不能自由移动。由于两边载流子浓度的差异，P型半导体中的“多子”空穴向N型区运动，而N半导体中的“多子”自由电子向P型区运动。这种由于浓度的差异形成的载流子运动称为扩散运动

2.1.4.1PN结的形成

利用特殊的制造工艺，在一块本征半导体（硅或锗）上，一边掺杂成N型半导体，一边形成P型半导体，这样在两种半导体的交界面就会形成一个空间电荷区，即PN结。

1/15/202313漂移运动在内电场的作用下向，P区的少子（电子）向N区漂移，N区的少子（空穴）向P区漂移，形成漂移电流。内电场的形成

在多子扩散到交界面附近时，自由电子和空穴复合，留下不能移动的带电离子，如图2-8所示。这带正、负电的离子形成了空间电荷区的内电场。

动态平衡在PN结刚形成时，扩散运动占主流，随着内电场的增强，漂移运动逐渐增强，最终扩散运动和漂移运动相等，达到动态平衡。1/15/2023142.1.4.2PN结的单向导电性1．PN结外加正向电压

如图2-7所示电路图，P区接电源的正极、N区接电源的负极。空间电荷区变窄，削弱了内电场，“多子”扩散运动增强，形成较大的扩散电流，其方向是由P区流向N区，随着外加电压的增大正向电流也增大，称之为PN结的正向导通。正向电流包括两部分：空穴电流和自由电子电流。虽然两种不同极性的电荷运动方向相反，但所形成的电流方向是一致的。请更正1/15/2023152．PN结外加反向电压PN结外加反向电压，即P区接电源的负极、N区接电源的正极，如图2-8所示。外电场使得P区的空穴和N区的自由电子从空间电荷区边缘移开，使空间电荷区变宽，内电场增强，不利于多数载流子的扩散，而有利于少数载流子的漂移形成反向电流，其方向是由N区流向P区。由于少数载流子是由于价电子获得能量挣脱共价键的束缚而产生的，数量很少，故形成的电流也很小，此时PN反向截止，呈现高阻状态。1/15/2023162.2半导体二极管

2.2.1二极管的结构、类型及符号将一个PN结封装起来，引出两个电极，就构成半导体二极管，也称晶体二极管。其电路中的表示符号如图2-9a所示。二极管的外形如图2-9b所示。1/15/202317二极管的结构示意图

二极管的结构有三种，点接触型、面接触型、平面型，如图2-10所示。点接触型面接触型平面型1/15/2023182.2.2二极管的伏安特性及主要性能参数

1．正向特性

当正向电压足够大，超过开启电压后，内电场的作用被大大削弱，电流很快增加，二极管正向导通，如图2-11(1)段。此时硅二极管的正向导通压降在0.6~0.8V，典型值取0.7V；锗二极管的正向导通压降在0.1~0.3V，典型值取0.2V。

（2－1）1/15/2023192．反向特性

二极管的反向特性对应图2-11曲线的（2）段，此时二极管加反向电压，阳极电位低于阴极电位。

在二极管两端加反向电压时，其外加电场和内电场的方向一致，当反向电压小于反向击穿电压时，由图中可以看出，反向电流基本恒定，而且电流几乎为零，这是由少数载流子漂移运动所形成的反向饱和电流。硅管的反向电流要比锗管小得多，小功率硅管的反向饱和电流一般小于0.1μA，锗管约为几个微安。1/15/2023203．击穿特性

当二极管反向电压过高超过反向击穿电压时，二极管的反向电流急剧增加，对应图2-11图中的（3）段。由于这一段电流大、电压高，所以PN结消耗的功率很大，容易使PN结过热烧坏，一般二极管的反向电压在几十伏以上。温度对二极管伏安特性的影响如图2-12所示。温度升高时，正向特性左移，UBE下降；反向特性下移，反向饱和电流增大。1/15/2023212.2.2.2主要性能参数

1．额定整流电流IF

2．最高反向工作电压URM

3．反向饱和漏电流和最大反向电流IRM

4．直流电阻RD

1/15/2023225．交流电阻6．最高工作频率二极管最高工作频率为是指二极管正常工作时，允许通过交流信号的最高频率。

7．反向恢复时间

指二极管由导通突然反向时，反向电流由很大衰减到接近IS时所需要的时间。大功率开关管工作在高频开关状态时，反向恢复时间是二极管的一项重要指标。

1/15/2023232.2.2.3二极管的测试

1．正向特性的测定

2．反向特性的测定

1/15/2023242.2.3二极管的等效模型1.小信号模型

二极管的电压和电流将在其伏安特性曲线上Q点附近变化，且变化范围较小，可近似认为是在特性曲线的线性范围之内变化，于是用过Q点的切线代替微小变化的曲线，如图2-16(a)中Q点附近的小直角三角形所示，并由此将工作在低频小信号时的二极管等效成一个动态电阻图2-15二极管的等效模型及代表符号

1/15/2023252.大信号模型

二极管在许多情况下都是工作在大信号条件下(如整流二极管、开关二极管等)。在大信号条件下，根据不同的精度要求，二极管可以用折线模型、恒压模型和理想模型来表示。

(1)折线模型

当时二极管才导通，且电流与成线性关系，直线的斜率为，其中，当时二极管截止，电流为零。

二极管的折线模型如图2-15(b)所示。

1/15/2023262.大信号模型(2)恒压降模型图2-16(c)为二极管的恒压降模型。当二极管的正向导通压降UF与外加电压相比不能忽略时，二极管正向导通可看成是恒压源（硅管典型值为0.7V，锗管典型值为0.2V），且不随电流变化而变化；截止时反向电流为零，做开路处理。(3)理想模型

图2-16(d)为二极管的理想模型。在二极管的工作电压幅度较大时，认为可以忽略二极管的正向导通压降和反向饱和电流，即正偏时二极管导通电压为零，相当于开关闭合；反偏压时二极管截止电流为零，相当于开关断开。【例2-1,2-2】链接1/15/2023272.3特殊半导体二极管

2.3.1稳压管及其应用

1.稳压管

稳压管是一种由特殊工艺制成的点接触型硅二极管，与普通二极管相比，其正向特性相似，而反向特性比较陡，其表示符号与伏安特性如图2-18所示。稳压管工作时是在反向击穿区，并且在一定电流范围内（△IZ），稳压管不会损坏。由于稳压管的击穿是齐纳击穿，故稳压管也称为齐纳二极管。1/15/202328稳压管的主要参数

1）稳定电压UZ

2）稳定电流IZ

3）最大稳定电流IZM

4）最大允许耗散功率PZM

5）动态电阻rZ

6）电压温度系数

1/15/202329稳压管稳压电路在负载变化不大的场合，稳压管常用来做稳压电源，由于负载和稳压管并联，又称为并联稳压电源。稳压管在实际工作时要和电阻相配合使用，其电路如图2-19所示。

【例2-3】【例2-4】链接1/15/202330可得电阻R的取值范围为

1/15/2023311/15/2023322.3.2发光二极管

2.3.2.1半导体能带结构1/15/2023332.3.2.1半导体能带结构

自由空间的电子所能得到的能量值基本是连续的，而半导体晶体中孤立原子中的价电子处于非常固定的相同能级上，如图2-21(b)所示。晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有5×1022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。致使离原子核较远的壳层发生交叠，原子的外层(高能级)电子，势垒穿透概率较大，壳层之间相互交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子共有化。共有化使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，若晶体中有N个原子，在共有化过程中，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,在晶体中变成了N条靠得很近的有一定宽度的能级带，称为能带，如图2-21(a)所示。其中，允许电子占据的能带叫允许带，允许带与允许带之间不允许电子存在的范围叫禁带。1/15/202334图2-23(a)所示是本征半导体的能带示意图

1/15/202335图2-23(b)所示是N型半导体的能带示意图

1/15/202336图2-23(c)所示是P型半导体的能带示意图

1/15/2023372.3.2.1LED及其工作原理

LED将电能转化成光能的原理是，当发光二极管(PN结)外加正向电压后，P区和N区的多数载流子获得能量，在外加电场的驱动下，P区的“多子”—空穴扩散到N区，N区的“多子”—电子扩散到P区，成为非平衡“少子”，当非平衡“少子”—电子在P区与空穴复合时，将多余的能量以光子辐射的形式释放，产生自发辐射的光波。1/15/202338图2-24所示为发光二极管的典型结构、外形及其电路中的符号1/15/2023392.4半导体二极管的应用示例二极管的应用范围很广泛，只要是由于二极管具有单向导电性，所以利用二极管可以进行整流、限幅、保护、检波、箝位及开关电路等。1/15/2023401/15/2023412.5双极型三极管

2.5.1双极型三极管的分类及结构双极型三极管通常简称为晶体三极管，也称为晶体管或三极管。

BJT按照制造材料分为锗管和硅管；按照工作频率分为低频管和高频管；按照允许耗散的功率大小分为小功率管、中功率管和大功率管。三极管链接1/15/202342图2-31三极管的结构示意图及其符号

双极型三极管的结构示意图及其符号如图2-31所示1/15/202343

三极管都有3个区：基区、集电区和发射区；2个PN结：集电区和基区之间的PN称为集电结，基区和发射区之间的PN结称为发射结；3个电极：基极b、集电极c和发射极e。结构特点是发射区掺杂浓度高，集电区掺杂浓度比发射区低，且集电区面积比发射区大，基区掺杂浓度很低且很薄，符号中的箭头方向是表示发射极电流的实际流向。1/15/2023442.5.2双极型三极管的工作原理

1.三极管放大交流信号的外部条件

要使三极管正常放大交流，要求：发射结外加正向电压（正偏），集电结外加反向电压（反偏），对于NPN管，，；对于PNP管，，。为此，利用两个电源、来实现正确偏置，如图3-3所示。1/15/2023452.晶体管内部载流子运动过程①发射区的电子向基区运动如图3-3所示。由于发射结外加正向电压，多子的扩散运动增强，所以发射区的多子—自由电子不断越过发射结扩散到基区，形成了发射区电流（电流的方向与电子运动方向相反）。同时电源向发射区补充电子，形成电流。而此时基区的多子—空穴也会向发射区扩散，形成空穴电流。但由于基区掺杂浓度低，空穴浓度小，很小，可忽略不计，故基本上等于发射极电流。

ENI1/15/202346②发射区注入到基区的电子在基区的扩散与复合当发射区的电子到达基区后，由于浓度的差异，并且由于基区很薄，电子很快运动到集电结。在扩散过程中有一部分电子与基区的空穴相遇而复合，同时，电源不断向基区补充空穴，形成基区复合电流。由于基区掺杂浓度低且薄，故复合的电子很少，亦即很小。

1/15/202347由于集电结加反向电压，有利于少子的漂移运动，所以基区中扩散到集电结边缘的电子－少子，在电场力作用下，几乎全部漂移过集电结，到达集电区，形成集电极电流。同时，集电区少子—空穴和基区本身的少子—电子，也要向对方做漂移运动，形成反向饱和电流。的数值很小，一般可忽略。但由于是由少子形成的电流，称为集电结反向饱和电流，方向与一致，该电流与外加电压关系不大，但受温度影响很大，易使管子工作不稳定，所以在制造管子时应设法减少。

③集电区收集发射区扩散过来的电子1/15/202348三极管内部载流子运动过程1/15/2023493.三极管的电流分配关系(2-13)(2-12)(2-11)(2-10)1/15/202350三极管的组态

三极管有三个电极，可视为一个二端口网络，其中两个电极构成输入端口、两个电极构成输出端口，输入、输出端口公用某一个电极。根据公共电极的不同，三极管组成的放大电路有3种连接方式，通常称为放大电路的三种组态，即共基极、共发射极和共集电极电路组态，如图2-36所示。1/15/2023512.5.3三极管的特性曲线晶体三极管的特性曲线是指其各电极间电压和电流之间的关系曲线，包括输入特性曲线和输出特性曲线，它们是三极管内部特性的外部表现，是分析放大电路的重要依据。

1.输入特性曲线对于图2-37所示测试电路，输入特性曲线是指在集射极电压为一定值时，输入基极电流与输入基射极电压之间的关系曲线(2-24)1/15/202352饱和区截止区过功耗区放大区1/15/202353输出特性曲线的三个区域【例2-62-7】链接1/15/2023542.5.4三极管的主要参数

1．电流放大倍数1）直流电流放大系数2）交流电流放大系数2．极间反向电流

1）集电极－基极之间的反向饱和电流

2）集电极－发射极之间的穿透电流

3．集电极最大允许电流4．集电极－发射极之间反向击穿电压5．集电极最大允许功率损耗1/15/2023552.6场效应晶体管

与双极型晶体管(BJT)类似，场效应管(FieldEffectTransistor，FET)也是具有放大作用的三极管，但两者的工作原理不同。BJT工作在放大区时，有两种载流子(电子和空穴)共同参与带点，且输入回路的PN结(BE结)加正向偏压，输入阻抗小，属于电流控制电流器件。FET利用器件内部的电场效应控制输出电流的大小，属于电压控制电流器件，其输入回路的PN结通常工作在反偏压或绝缘状态，输入阻抗很高(107～1012)。场效应管具有体积小、耗电少、寿命长、内部噪声小、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单以及便于集成等特点。1/15/202356FET分类

场效应管根据结构和工作原理的不同，分为两大类：结型场效应管(JunctionFieldEffectTransistor,JFET)和金属－氧化物－半导体场效应管（MOSFET），其中包括耗尽型和增强型。本章先介绍JFET和MOSFET的结构、工作原理、特性曲线及主要参数，再讨论场效应管放大电路的3种组态：共源极、共漏极和共栅极放大电路。1/15/2023572.6.1N沟道结型场效应管(JFET)

一、N沟道结型场效应管的结构结型场效应管的结构示意图及其符号如图2-38所示。其中图2-38(a)为N沟道JFET的结构剖面图，实际器件内部P型衬底与栅极(高掺杂区)相连接(图中未画出)，图中的耗尽层即是图2-38(b)中两侧的耗尽层。1/15/202358一、N沟道结型场效应管的结构1/15/202359如图2-42(b)所示，在一块N型半导体材料的各分别扩散一个高参杂浓度的P型区(用P+表示)，两侧P+区与N沟道交界处形成两个PN结，由于P+区内侧耗尽层非常窄，可见这两个PN结都是非对称PN结。

两边P+区各引出一个欧姆接触电极并连接在一起，称为栅极G(Gate)；在N型半导体的两端各引出一个欧姆接触电极，分别称为源极S(Source)和漏极D(Drain)。两个PN结之间的N型区域称为N型导电沟道，简称N沟道。N沟道JFET的符号如图2-42(d)所示，其中，箭头所指方向表示栅极和源极之间的PN结加正向偏压时，栅极电流的方向是从P指向N。

如图2-42(c)所示为P型沟道JFET的结构示意图，其符号如图2-42(d)所示。对于P沟道JFET，在使用过程中，除了直流电源电压极性和漏极电流的方向与N型沟道JFET相反外，两者的工作原理完全一样。

1/15/2023602.6.1.2N沟道结型场效应管的工作原理

1/15/2023611对导电沟道和的控制作用

导电沟道沟道变窄沟道夹断1/15/2023621/15/202363沟道最宽但电流为零沟道变窄1/15/202364沟道预夹断沟道夹断1/15/2023651/15/202366(2-28)1/15/2023673结型场效应管的特性曲线

1．输出特性曲线

(2-29)图2-46(a)所示N沟道JFET的输出特性曲线。1/15/2023681)可变电阻区4)截止区转移特性3)击穿区2)放大区1/15/2023691/15/2023701/15/2023712．转移特性曲线

(2-30)(2-31)1/15/2023722.6.2绝缘栅场效应管(IG-FET)

1/15/2023732.6.2.1N沟道增强型MOSFET

1N沟道增强型MOSFET的结构绝缘层衬底铝电极1/15/202374在一块掺杂浓度较低的P型半导体材料(衬底)上，利用扩散工艺在衬底上形成两个高掺杂浓度的N型区域(用N+表示)，并在此N区域上引出两个接触电极(铝电极)，分别称为源极(S)和漏极(D)，两个电极之间的衬底表面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层，该绝缘层上再沉积金属铝层并引出电极作为栅极(G)，从衬底引出的电极称为衬底电极(B)，通常将衬底电极和栅极连接在一起使用。1/15/2023752N沟道增强型MOSFET的工作原理

1/15/202376反型层导电沟道无反型层导电沟道1/15/202377导电沟道发生变化导电沟道夹断1/15/2023781/15/2023791/15/2023803N沟道增强型MOSFET的特性曲线

N沟道增强型MOSFET的特性曲线也分为输出特性和转移特性，如图2-49所示。

图2-49(b)为N沟道增强型MOSFET的输出特性曲线，输出特性同样分为可变电阻区、放大区(饱和区)、击穿区和截止区。1/15/202381(2-32)是时的漏极电流

1/15/2023822.6.2.2N沟道耗尽型MOSFET

N沟道耗尽型MOSFET的结构示意图如图2-50(a)所示。耗尽型MOSFET的符号如图2-50(b)所示。N沟道耗尽型MOSFET的结构与增强型MOSFET结构相似，不同之处在于N沟道耗尽型MOSFET在制造过程中在栅源之间的SiO2中注入一些离子(图中2-50中用“＋”表示)，使漏源之间的导电沟道在时导电沟道就已经存在了，这一沟道称为初始沟道。

1/15/202383“＋”离子导电沟道1/15/202384(2-34)1/15/2023851/15/2023862.6.3双栅场效应管(DGFET)

双栅MOS场效应管有两个栅极，其结构示意图如图2-49所示。由于双栅MOSFET具有上、下两个栅，增强了对沟道的控制能力。对于厚膜双栅MOSFET,硅膜在正面、背面栅压作用下的最大反型区域小于硅膜厚度,即两个反型沟道相对独立,而硅膜的中间部分没有反型,没有电流通道。在这种状况下,双栅MOSFET相当于两个普通硅MOSFET的简单并联。在线性区,其漏源间电流为

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