第一章 常用半导体器件

第一章常用半导体器件在二十世纪的近代科学，特别是量子力学发展知道金属材料拥有良好的导电与导热特性，而陶瓷材料则没有。

1883年，英国法拉第发现：硫化银的电阻随着温度上升而降低。1874年，德国的布劳恩注意到：硫化物的电导率与所加电压的方向有关，这就是半导体的整流作用。1906年，美国电机发明家匹卡发明了第一个固态电子元件：无线电波侦测器。它使用金属与硅或硫化物相接触所产生的整流功能来侦测无线电波。1939年，德国的肖特基在《德国物理学报》发表了一篇有关整流理论的重要论文，做了许多推论，他认为金属与半导体间有势垒的存在，其主要贡献就在于精确计算出这个势垒的形状与宽度。1.1半导体基础知识

根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3～109cm。常用的半导体材料有：（1）元素半导体：硅（Si）和锗（Ge）等四价元素。（2）化合物半导体：砷化镓（GaAs）等。1.1.1本征半导体及其导电性本征半导体——

纯净的半导体。

制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。

图1.1硅原子空间排列硅、锗的共价键结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4

硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。

图1.2硅和锗的共价键结构电子空穴对

当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发，也称热激发。

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。本征激发和复合过程因热激发而出现的自由电子和空穴是成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图1.3所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。图1.3本征激发和复合的过程

常温下，因自由电子的浓度很低，所以本征半导体的导电能力很低。掺杂半导体(1)N型半导体：掺入5价元素的半导体。

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。(2)P型半导体：掺入3价元素的半导体。N型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。

在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。

图1.4N型半导体结构示意图P型半导体

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。图1.5P型半导体的结构示意图杂质对半导体导电性的影响

掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:

T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子浓度:

4.96×1022/cm3

3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3PN结的形成内电场P区N区P区N区空间电荷区浓度差异多子扩散内电场增强少子漂移内电场减弱动态平衡PN结的单向导电性1、PN结加正向电压时的导电情况

外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。

图1.7PN结加正向电压时的导电情况+f外f内PN结的单向导电性

外加的反向电压有一部分降落在N结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。图1.8PN结加反向电压时的导电情况2、PN结加反向电压时的导电情况PN结的电容效应PN结具有一定的电容效应，分为：一、势垒电容CB

，二、扩散电容CD

。

一、势垒电容CB

势垒电容是由空间电荷区的离子层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。(2)扩散电容CD

扩散电容是由多子扩散后在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。PN结的击穿特性

当反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此现象称为PN结的反向击穿。有两种解释：雪崩击穿：当反向电压足够高时（U>6V）PN结中内电场较强，使参加漂移的载流子加速，与中性原子相碰，使之价电子受激发产生新的电子空穴对，又被加速，而形成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤增。齐纳击穿：对掺杂浓度高的半导体，PN结的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压（U<4V），耗尽层可获得很大的场强，足以将价电子从共价键中拉出来，而获得更多的电子空穴对，使反向电流骤增。半导体二极管的结构类型

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图1.11所示。(1)点接触型二极管(a)点接触型图1.11二极管的结构示意图(c)平面型(3)平面型二极管

往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管(b)面接触型PN结面积大，用于工频大电流整流电路。半导体二极管的伏安特性曲线

半导体二极管的伏安特性曲线如图1.12所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示:图1.12二极管的伏安特性曲线

式中IS为反向饱和电流，uD为二极管两端的电压降，UT=kT/q

称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q

为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有VT=26mV。(1)正向特性

硅二极管的死区电压Uth=0.5V左右，

锗二极管的死区电压Uh=0.1V左右。

当0＜uD＜Uth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。(2)反向特性当VBR＜uD＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS

。当uD

≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。半导体二极管的参数(1)最大整流电流IF：二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压VBR(3)最大反向工作电压VRM：在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。

(4)反向电流IR：室温下在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。半导体二极管的参数（续）

(5)正向压降VF

：在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。(6)动态电阻rd：二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即rd=VF/IF半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：P半导体二极管实物图特殊二极管

稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。其伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图1.14所示。

特殊二极管包括稳压管、光电二极管、发光二极管等，下面着重介绍稳压二极管。(1)稳定电压VZ(2)动态电阻rZrZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率PZM=

VZ/IZ(4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin(5)稳定电压温度系数——VZ温度的变化将使VZ改变，在稳压管中：当VZ

＞7V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。当VZ＜4V时，VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。当4V＜VZ＜7V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。半导体二极管的应用1.整流2.钳位VD1U=+5VFA图1.15二极管钳位电路R=3kVD2B半导体二极管的应用（续一）3.限幅（a）限幅电路（b）波形图1.16二极管限幅电路及波形RVD1+uo－+ui－－Us2++Us1－VD2ui/V10t-10uo/V+5-5t00半导体二极管的应用（续二）4.电路中的元件保护SVDeLLREi图1.16二极管保护电路双极型半导体三极管图1.17双极型三极管的结构3区3极两个结；e浓b薄.集电区用C或c表示（Collector）

发射区用E或e表示（Emitter）

基区用B或b表示（Base）发射结(Je)集电结(Jc)双极型半导体三极管的电流分配与控制图1.18

三极管内部载流子的运动情况－+－+RCcbeICIEIBVccVBBRBICBOICNIBNNPN发射结正偏，集电结反偏。双极型半导体三极管的电流分配与控制

发射结加正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电流为IE。

进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流ICN。在基区被复合的电子形成的电流是IBN。

另外，因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。于是可得如下电流关系式:IC=ICN+ICBO

IB=IBN－ICBOIE=ICN+IBN

双极型半导体三极管的电流关系

共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;

共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；图1.19三极管的三种组态共基极直流电流放大系数α:共发射极直流电流放大系数β:IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=(IC+IB)+ICBO因≈1,所以>>1双极型半导体三极管的特性曲线

输入特性曲线——iB=f(vBE)

vCE=const

输出特性曲线——

iC=f(vCE)

iB=const共发射极交流电流放大系数ICEO使特性上翘可见：三极管是一个“流控流型的器件（CCCC)”共基极交流电流放大系数当ICBO和ICEO很小时，≈、≈特征频率fT

三极管的值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。集电极最大允许电流ICM

如图1.22所示，当集电极电流增加时，就要下降，当值下降到线性放大区值的70～30％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当IC＞ICM时，并不表示三极管会损坏。图1.22值与IC的关系集电极最大允许功率损耗PCM集电极电流通过集电结时所产生的功耗:

PCM=ICVCB≈ICVCE因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用VCE取代VCB。

由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区，见图1.23。图1.23输出特性曲线上的过损耗区和击穿区例1.1：测量三极管三个电极对地电位如例图

1.1所示，试判断三极管的工作状态。

例图1.1三极管工作状态判断

放大截止饱和半导体三极管的型号国家标准对半导体三极管的命名如下:3

D

G

110B

第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、

G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管

用字母表示材料

用字母表示器件的种类

用数字表示同种器件型号的序号

用字母表示同一型号中的不同规格

三极管例如：3AX31D、3DG123C、3DK100B场效应管

场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。

场效应三极管从结构上分为两大类：

1.结型场效应三极管JFET

(JunctiontypeFieldEffectTransistor)2.绝缘栅型场效应三极管IGFET

(InsulatedGateFieldEffectTransistor)IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET

（MetalOxideSemiconductorFET）绝缘栅场效应三极管的工作原理

绝缘栅型场效应三极管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)又分为:

增强型

N沟道、P沟道

耗尽型

N沟道、P沟道N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图1.24。其中：D(Drain)为漏极，相当c；

G(Gate)为栅极，相当b；

S(Source)为源极，相当e。图1.24N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号N沟道增强型MOSFET的结构MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，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。P型半导体称为衬底，用符号B表示。图1.25N沟道增强型MOSFET的结构N沟道增强型MOSFET的工作原理1.栅源电压VGS的控制作用

当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。

当0＜VGS＜VGS(th)时（VGS(th)

称为开启电压)

，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。图1.26栅极下方出现耗尽层栅源电压VGS的控制作用（续1）当VGS＞VGS(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。图1.27栅极下方出现反型层栅源电压VGS的控制作用（续2）

随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGS＞VGS(th)后才会出现漏极电流，所以这种MOS管称为增强型MOS管。VGS对漏极电流的控制关系ID=f(VGS)VDS=const称为转移特性曲线，见图1.18。

iD=f(VGS)VDS=const=ID0(VGS/VGS(th)–1)2图1.18增强型场效应管的转移特性转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极