半导体的基础知识

3.1半导体的基础知识第3章常用半导体器件重点掌握基本概念及器件的外特性引入：物体分类根据物体的导电性，可将物体分为：导体：低价元素，导电绝缘体：高价元素或高分子元素，不导电半导体：四价元素，导电能力介于以上二者之间1.1

半导体的导电特性

热敏性光敏性掺杂性掌握半导体的导电特性1.1.1本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi价电子一、本征半导体1、定义：化学成分完全纯净的半导体制成单晶体结构。2、共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子硅和锗的共价键结构1.1

半导体的导电特性3、理解本征半导体的导电机理温度为0K时，无自由电子，不导电常温300K时，少数自由电子本征激发

+4+4+4+4本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴，二者总是成对出现温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强载流子的产生与复合－－动态平衡－－温度一定，浓度一定1.1

半导体的导电特性二、杂质半导体本征半导体特点？1、电子浓度=空穴浓度；2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！(1)N型半导体(2)P型半导体在本征半导体中掺入微量元素－－杂质半导体1.1

半导体的导电特性

(1)N型半导体掺杂：掺入少量五价杂质元素（如：磷）+4+4+5+4多余电子磷原子特点：多数载流子：自由电子（主要由杂质原子提供）少数载流子：空穴（由本征激发形成）

(2）P型半导体（空穴型半导体）掺杂：掺入少量三价杂质元素（如：硼）特点：多子：空穴（主要由杂质原子提供）少子：自由电子（

由热激发形成）+4+4+3+4杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。bc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba

(3)杂质对半导体导电性的影响1.杂质半导体中

的移动能形成电流。（a.多子、b.少子）2.掺入杂质越多，多子浓度越

，少子浓度越

。（a.高、b.低、c.不变）3.当温度升高时，多子的数量

，少子的数量

。（a.减少、b.基本不变、c.增多）abba影响很大起导电作用的主要是多子。多子的数量主要与杂质浓度有关，近似认为多子与杂质浓度相等，受温度影响小。少子浓度对温度敏感，影响半导体性能。

(3)杂质对半导体导电性的影响小结

1、半导体的导电能力与

、

和

有关。

2、在一定温度下，本征半导体因

而产生

，故其有一定的导电能力。

3、本征半导体的导电能力主要由

决定；杂质半导体的导电能力主要由

决定。

4、P型半导体中

是多子，

是少子。N型半导体中

是多子，

是少子。本征激发自由电子和空穴对温度掺杂浓度空穴自由电子自由电子空穴温度光强杂质浓度P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区加宽，使内电场越强。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也叫耗尽层。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E当扩散和漂移达到动态平衡时，空间电荷区的宽度基本不变。扩散电流与漂移电流大小相等方向相反。三、PN结1、了解PN结的形成浓度差

多子扩散空间电荷区(杂质离子)

内电场

促使少子漂移

阻止多子扩散

PN结的实质：PN结=空间电荷区=耗尽层3.1

半导体的导电特性三、PN结2、掌握PN结的单向导电性(1)PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄

P接正、N接负

外电场I

内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。PN结加正向电压时，正向电流较大，PN结导通。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–RI(2)PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+2、掌握PN结的单向导电性PN结变宽外电场

内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。ISP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－正向导通，反向截止2、掌握PN结的单向导电性(2)PN结加反向电压（反向偏置）IS结构示意图一、了解结构类型和符号PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路

二极管=PN结+引线+管壳。类型：点接触型、面接触型和平面型1.2

半导体二极管

金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)

点接触型PN结面积大，用于低频大电流整流电路PN结面积大的用于大功率整流，结面积小的用作开关管。结构示意图铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b)面接触型阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型阴极阳极(

d

)

符号D符号二、重点掌握伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降外加电压＞死区电压二极管才能导通。

外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.1~0.3VUI死区电压PN+–PN–+

反向电流在一定电压范围内保持常数。室温附近，温度每升高1°C，正向压降减小2-2.5mV，温度每升高10°C，反向电流增大约一倍。综上所述，二极管的伏安特性具有以下特点：(1)二极管具有单向导电性；(2)二极管的伏安特性具有非线性；

(3)二极管的伏安特性与温度有关。

三、了解主要参数1.

最大整流电流

IF二极管长期工作时，允许流过二极管的最大正向平均电流。几mA到几百安培2.

反向工作峰值电压UR保证二极管不被击穿允许外加的最大反向电压。通常为U(BR)的一半。3.

反向电流IR指二极管未击穿时的反向电流。愈小愈好。一般几纳安到几微安。4.最高工作频率fM:其值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，则fM愈低。死区电压=0导通电压=0vDOiD1、理想二极管vDOiD2、恒压降模型死区电压=0.7V导通电压0.7V（硅管）四、熟练应用二极管的等效电路练习题：判断图中的二极管是导通还是截止，并求出AO两端电压UAO。

分析方法：1.选零电位参考点；2.将二极管断开，判断其两极电位。3.根据电位判二极管状态，求AO两端电压。UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。使用时要加限流电阻五、稳压二极管稳压管是利用反向击穿区的稳压特性进行工作的，因此，稳压管在电路中要反向连接。稳压管的反向击穿电压称为稳定电压，不同类型稳压管的稳定电压不一样，某一型号的稳压管的稳压值固定在一定范围。例如：2CW11的稳压值是3.2V到4.5V，其中某一只管子的稳压值可能是3.2V，

另一只管子则可能是4.5V。

（2）稳定电流IZ：稳压管工作在稳压状态时的参考电流，电流低于此值时稳压效果变坏。IZmin（4）额定功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压

UZ：规定电流下稳压管的反向击穿电压（5）温度系数（%/℃）

稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。3.稳压二极管稳压电路

图中Ui为有波动的输入电压，并满足Ui>UZ。

R为限流电阻，RL为负载。该电路的稳压原理是：当电网电压升高时，必然引起整流滤波电路输出电压Ui升高，而Ui

的升高又会引起输出电压Uo（即UZ

）的增大。由稳压管的稳压特性可知，UZ的增大，势必引起IZ的较大增大，于是限流电阻R上的电流IR增大，R上的电压降也增大，这在很大程度上让R承担了Ui的变化，从而使Uo基本上趋于稳定（Ui↑→Uo↑→IZ↑→I↑→UR↑→Uo↓）。反之，当Ui下降而引起Uo变小时，也会引起IZ减小，R上的压降UR减小，同样保持了Uo的基本稳定。由上分析可见，在这种稳压电路中，稳压管起着电流控制作用。即不论是由于Ui还是由于IL

的变化使输出电压UL发生小的波动时，IZ都会产生较大变化，从而改变了总电流的大小而调整了R上的压降，或是补偿了IL的变化，结果都使UL维持基本不变。R在电路中起着限流和调压作用。如R=0，则会使Ui（远大于UZ）直接加于VDZ两端，引起过大的IZ，使VDZ损坏。另外，R=0时，始终是UL=Ui，电路不会有稳压性能。因此，这种电路的稳压作用是稳压管VDZ和限流电阻R共同完成的。1.光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加六、其他类型二极管有正向电流流过时发光。电－＞光的能量转换器件。电路中常用做指示或显示及光信息传送。七段显示发光二极管3.发光二极管符号六、其他类型二极管2023/2/1e：发射区b：基区c：集电区集电结发射结基区集电区发射区三极:三区:两结:发射极e(Emitter),基极b(Base),集电极c(Collector)发射结集电结3.3

晶体三极管一、晶体管的结构及类型NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN两种类型:NPN和PNPPNP电路符号NPN电路符号BECIBIEICBECIBIEIC基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大1.各电极电流分配关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05结论:IE=IC+IB

IC

=βIB

IE=(1+β)

IB二、重点掌握晶体管电流放大作用ΔIC

=β

ΔIBβ共射极电流放大倍数2023/2/12.放大条件内部条件？三区掺杂不同！发射结正偏，集电结反偏。对NPN型：VC

＞VB

＞VE对PNP型：VC

＜

VB

＜VE

二、重点掌握晶体管电流放大作用

外部条件：NPNebc电子空穴IENICNIEPICBOIEICIBIBN空穴流与电流方向相同；电子流与电流方向相反。IE=IEN+IEP且IEN>>IEPIC=ICN+ICBOICN=IEN

-IBN

IB=IEP+IBN

-ICBO推导3.了解内部载流子传输过程对于NPN型三极管，集电极电流和基极电流是流入三极管，发射极电流是流出三极管，流进的电流等于流出的电流，即IE=IB+IC。发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度低且很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。两个二极管能否代替一个三极管？不能！三、晶体管的共射特性曲线晶体管各电极电压与电流的关系曲线。为什么要研究特性曲线：

1）直观地分析管子的工作状态

2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路

重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线1.输入特性UCE1ViB(A)uBE(V)204060800.40.8UCE=0VUCE=0.5VUCE不变时，呈指数关系曲线UCE增大时，曲线右移iB=f(uBE)

UCE=const2.输出特性iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。——iC=f(uCE)

IB=constIC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC≈0,UBE<开启电压，称为截止区。——iC=f(uCE)

IB=constIC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中集电结、发射结均正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。——iC=f(uCE)

IB=const输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<死区电压且集电结反偏，此时IB=0，IC=ICEO

0

应当指出，当uCE增大到某一值时，iC将急剧增加，这时三极管发生击穿。例1：测量三极管三个电极对地电位如图。试判断三极管的工作状态。

放大截止饱和1.电流放大系数共射直流放大系数四、了解晶体管的主要参数共射交流电流放大系数当ICBO和ICEO很小时，≈例：在UCE=6V时，在Q1点IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2点IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1点，有由Q1和Q2点，得2.极间反向电流ICBO

ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBOICBOA+–EC3.

穿透电流ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。

ICEO=（1+）ICBO

当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。4.最大集电极电流ICM5.

极间反向击穿电压U(BR)CEO6.

集电极最大允许耗散功耗PCM三极管消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。

PC

=iC

uCE

PCMICICMICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区由三个极限参数可画出三极管的安全工作区ICUCEO过流区过损区过压区1、温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优于锗管。2、温度每升高1C，UBE将减小2--2.5mV，即UBE具有负温度系数。3、温度每升高1C，增加0.5%~1.0%。五、了解温度对晶体管特性及参数的影响1.4

场效应管(FET)结型场效应管JFETN沟道结型场效应管P沟道结型场效应管绝缘栅型场效应管MOS增强型N沟道增强型MOS管P沟道增强型MOS管耗尽型N沟道耗尽型MOS管P沟道耗尽型MOS管一、结型场效应管JFET1、结构及电路符号N基底：N型半导体PP两边是P区S源极D漏极导电沟道G(栅极)DGSN沟道结型场效应管P沟道结型场效应管DGSPG(栅极)S源极D漏极NN2、工作原理（以N沟道为例）uDS=0V时NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDPN结反偏，|uGS|越大则耗尽层越宽，导电沟道越窄。UDS=0时NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDNDPPuGS达到一定值时（夹断电压UGS(off)）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS0V，漏极电流ID=0A。NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDUGS(off)<uGS<0时①当uDS=0时，iD=0。NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDDPPN②uDS↑→iD↑

→靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。UGS(off)<uGS<0时NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDNDPP③当uDS↑,使uGD=uGS-

uDS=UGS（off)时，在靠漏极处夹断——预夹断。UGS(off)<uGS<0时NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDNDPP④uDS再↑，预夹断点下移。UGS(off)<uGS<0时uDS↑→ID几乎不变。（1）输出特性曲线：iD=f（uDS）│UGS=常数3、结型场效应三极管的特性曲线四个区：①可变电阻区：预夹断前。②恒流区：预夹断后。△iD/△uGS≈常数=gm△iD=gm△uGS（放大原理）③夹断区④击穿区

(a)输出特性曲线(b)转移特性曲线（2）转移特性曲线：iD=f（uGS）│uDS=常数

IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransistor)

MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)应用：集成电路分类：

N沟道增强型

N沟道耗尽型

P沟道增强型

P沟道耗尽型

二、绝缘栅型场效应管

取一块P型半导体作为衬底，用B表示。

用氧化工艺生成一层SiO2

薄膜绝缘层。

然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。扩散两个高掺杂的N区。

从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。

在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。符号DGSB形成两个PN结。（绿色部分）结构1、N沟道增强型MOS管

令漏源电压uDS=0，加入栅源电压uGS。

uGS排斥空穴，形成一层负离子层（耗尽层）。感生电子电荷，在漏源之间形成导电沟道。称为反型层。若加上uDS

，就会有漏极电流iD产生。反型层工作原理（1）栅源电压uGS的控制作用

工作原理（1）栅源电压uGS的控制作用当uGS较小时，iD＝0当uGS增加到一定数值使iD刚刚出现，对应的UGS称为开启电压，用UGS(th)或UT表示。改变uGS－＞改变沟道－＞影响iD

：uGS对iD有控制作用。

设uGS＞UGS(th)，增加uDS，沟道变化如下：uDS从漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和衬底之间反偏最大，PN结的宽度最大。漏源之间会形成一个倾斜的PN结区。预夹断工作原理

（2）漏源电压uDS的控制作用预夹断uDSUDS再，ID基本不变，增加的UDS基本上降落在夹断区。转移特性曲线（3）N沟道增强型MOS管特性曲线iD

=f(uGS

)UDS=constOV2GS=UV3+V5.3+V4+DImA/15105DU/V恒流区.夹断区可变电阻区工作原理输出特性曲线iD

=f(uD

)UGS=constSDGPN+N+SiO2型衬底B+++++++++在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了一定量的正离子。结构和符号当uGS=0时，这些正离子已经感生出电子形成导电沟道。只要有漏源电压，就有漏极电流存在。2、N沟道耗尽型MOS管DGSB夹断电压饱和漏极电流IDSS当UGS=0时，对应的漏极电流用IDSS表示。当UGS＞0时，将使ID进一步增加，直至进入恒流区，漏极电流保持不变。UGS＜0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。此时的UGS称为夹断电压，用符号UGS(off)表示特性曲线N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS>0N沟道增强型MOS管只能工作在UGS>UGS(th)>0三、场效应管的主要参数直流参数交流参数极限参数②夹断电压UGS(off)

夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UGS(off)时,漏极电流为零。③饱和漏极电流IDSS

耗尽型场效应管当UGS=0时所对应的漏极电流。④直流输入电阻RGS(DC)栅源间所加的恒定电压UGS与栅极电流IG之比。结型场效应管RGS(DC)约大于107Ω，MOS管RGS(DC)约是109～1015Ω。（1）直流参数①开启电压UGS(th)

开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。①低频跨导gm：数值大小反映了uGS对iD控制作用的强弱。

gm是转移特性曲线上某一点的切线