半导体器件知识

半导体器件知识§2半导体的基本知识

在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。硅原子锗原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。

本征半导体的共价键结构束缚电子在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。一.本征半导体

本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。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”。

这一现象称为本征激发，也称热激发。当温度升高或受到光的照射时，价电子会获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

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，称为空穴。

可见本征激发同时产生电子空穴对。

外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。

与本征激发相反的现象——复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：锗：自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对在外电场的作用下，空穴和电子会产生移动，即不断有共价键中的电子摆脱束缚，填充到原有的空穴中，即象是空穴在移动，形成的电流方向就是空穴移动的方向

+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E＋－本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制二.杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。1.

N型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。

N型半导体多余电子磷原子硅原子多数载流子——自由电子少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对2.

P型半导体杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子少子浓度——由本征激发产生，与温度有关多子浓度——与所掺杂质浓度有关与温度无关内电场E因多子浓度差形成内电场多子的扩散空间电荷区

阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层三.PN结及其单向导电性

1.PN结的形成

少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，E内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流＝漂移电流总电流＝02.PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区

外电场的方向与内电场方向相反。

外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流

(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区

外电场的方向与内电场方向相同。

外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IRPN

在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。

PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；

PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。3.PN结的伏安特性曲线及表达式

根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图正偏IF（多子扩散）IR（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿热击穿——PN结电击穿后，电流很大，电压又很高，消耗在PN结上的功率很大，容易使PN结发热超过它的耗散功率而过度到热击穿，烧坏PN结电击穿——雪崩击穿和齐纳击穿，可逆

根据理论分析：u为PN结两端的电压降i为流过PN结的电流IS为反向饱和电流UT=kT/q

称为温度的电压当量其中k为玻耳兹曼常数1.38×10－23q为电子电荷量1.6×10－9T为热力学温度对于室温（相当T=300K）则有UT=26mV。当u>0u>>UT时当u<0|u|>>|UT

|时4.PN结的电容效应

当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。

(1)势垒电容CB(2)扩散电容CD

当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来极间电容（结电容）§

2半导体二极管二极管=PN结+管壳+引线NP结构符号阳极+阴极-

一、半导体二极管的V—A特性曲线

硅：0.5V锗：

0.1V(1)正向特性导通压降反向饱和电流(2)反向特性死区电压击穿电压UBR实验曲线uEiVmAuEiVuA锗硅：0.7V锗：0.3V二.二极管的模型及近似分析计算例：IR10VE1kΩD—非线性器件iuRLC—线性器件二极管的模型DU串联电压源模型UD二极管的导通压降。硅管0.7V；锗管0.3V。理想二极管模型正偏反偏导通压降二极管的V—A特性二极管的近似分析计算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串联电压源模型测量值9.32mA相对误差理想二极管模型RI10VE1kΩ相对误差0.7V例：二极管构成的限幅电路如图所示，R＝1kΩ，UREF=2V，输入信号为ui。

(1)若ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo解：（1）采用理想模型分析。

采用理想二极管串联电压源模型分析。（2）如果ui为幅度±4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。解：①采用理想二极管模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V

②采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。三.二极管的主要参数

(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UBR———

二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。

(3)反向电流IR——

在室温下，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。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四、稳压二极管

稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管正向同二极管反偏电压≥UZ反向击穿＋UZ－限流电阻

稳压二极管的主要参数

(1)稳定电压UZ——(2)动态电阻rZ——

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。

rZ=U

/I

rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。

(3)最小稳定工作电流IZmin——

保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。

(4)最大稳定工作电流IZmax——

超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。已知：稳压二极管DZ的稳定电压UZ，最小稳定工作电流IZmin，最大稳定工作电流IZmax。讨论：（1）电路的功能（2）电路正常工作时，负载变化范围（1）此电路为一稳压电路。当Vin>UZ时，输出电压为Vout=UZ-VBE。对于三极管来说，其发射结正偏，集电结反偏，所以工作在放大区。所以VBE几乎为一恒定值。当输入电压Vin增大，或负载电阻RL增大时，输出电压Vout将随着增大，即晶体管发射极电位VE升高；稳压管端电压基本不变，即晶体管基极电位VB基本不变；故晶体管的VBE（=VB-VE）减小，导致IB（IE）减小，从而使Vout减小；因此可以保持Vout基本不变。当输入电压Vin减小，或负载电阻RL减小时，变化与上述过程相反。(2)由关系式：iB=iR-iZ;Iout=(1+β)iB;=(1+β)(iR-iZ);又因为：iR最大值为IZMAX；iZ最小值为IZMIN；故：IoutMAX==(1+β)(IZMAX-IZMIN)

§

3半导体三极管半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（BipolarJunctionTransistor,简称BJT）。

BJT是由两个PN结组成的。2/2/2023一.BJT的结构NPN型PNP型符号:三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度＞＞集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。--NNP发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极--PPN发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极二．BJT的内部工作原理（NPN管）

三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结正偏：+UCE－＋UBE－＋UCB－集电结反偏：由VBB保证由VCC、

VBB保证UCB=UCE-UBE>0共发射极接法c区b区e区2/2/2023

（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子，形成了扩散电流IEN

。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。所以发射极电流IE≈

IEN。

（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流IB≈

IBN。大部分到达了集电区的边缘。1．BJT内部的载流子传输过程（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN

。

另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。2．电流分配关系三个电极上的电流关系:IE=IC+IB定义：(1)IC与IE之间的关系:所以:其值的大小约为0.9～0.99。

2/2/2023(2)IC与IB之间的关系：联立以下两式：得：所以：得：令：E-M模式：BECIBICIEIDEIDCIE=-αR*IDC+IDEIB=(1-αR)IDC+(1-αF)IDEIC=-IDC+αF*IDE又根据PN结故有:αR*IDC

αF*IDEIE=-αR*ICS(eUbc/UT-1)+IES(eUbe/UT-1)IB=(1-αR)*ICS(eUbc/UT-1)+(1-αF)IES(eUbe/UT-1)

IC=-ICS(eUbc/UT-1)+αFIES(eUbe/UT-1)

当三极管工作在正向放大工作区时:UBE>>UT=26mV;UBC<0;则:IES(eUbe/UT-1)≈IES*eUbe/UT;ICS(eUbc/UT-1)≈0;

IE=IES*eUbe/UTIB=(1-αF)*IESeUbe/UTIC=αF*IESeUbe/UT

故:α=IC/IE=αF;β=IE/IB=1/(1-αF)=1/(1-α);另：三极管的有源寄生效应三.BJT的特性曲线（共发射极接法）(1)输入特性曲线

iB=f(uBE)

uCE=const（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。（3）uCE≥1V再增加时，因为集电结的电场已足够强，可以将发射区注入基区的绝大部分非平衡少子都收集到集电极，iC无明显增大，即iB几乎不变，曲线右移很不明显。

（2）当uCE=1V时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一uBE电压下，iB减小。特性曲线将向右稍微移动一些。死区电压硅0.5V锗0.1V导通压降硅0.7V锗0.3V

(2)输出特性曲线iC=f(uCE)

iB=const

现以iB=60uA一条加以说明。

（1）当uCE=0

V时，因集电极无收集作用，iC=0。（2）uCE↑→Ic

↑

。（3）当uCE＞1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。同理，可作出iB=其他值的曲线。

输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区——iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE＜0.7

V。此时发射结正偏，集电结也正偏。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区——曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。该区中有：饱和区放大区截止区四.BJT的主要参数1.电流放大系数（2）共基极电流放大系数：

iCE△=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAI△BBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20~200之间2.31.5（1）共发射极电流放大系数：

2.极间反向电流

（2）集电极发射极间的穿透电流ICEO

基极开路时，集电极到发射极间的电流——穿透电流。其大小与温度有关。

（1）集电极基极间反向饱和电流ICBO

发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。锗管：ICBO为微安数量级，硅管：ICBO为纳安数量级。++ICBOecbICEO由本征激发的少子的漂移形成，所以与温度有关

3.极限参数

Ic增加时，要下降。当值下降到线性放大区值的70％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。（1）集电极最大允许电流ICM（2）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，

PC=ICUCE

PCM<PCM

（3）反向击穿电压

BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：

①

U（BR）EBO——集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏～十几伏。②U（BR）CBO——发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏～几百伏。③U（BR）CEO——基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。在实际使用时，还有U（BR）CER、U（BR）CES等击穿电压。--(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOUB-E间接电阻时集电极与发射极允许的最大反向电压B-E短路时集电极与发射极允许的最大反向电压

§4三极管的模型及分析方法iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA非线性器件UD=0.7VUCES=0.3ViB≈0iC≈0一.BJT的模型++++i-uBE+-uBCE+Cibeec截止状态ecb放大状态UDβIBICIBecb发射结导通压降UD硅管0.7V锗管0.3V饱和状态ecbUDUCES饱和压降UCES硅管0.3V锗管0.1V直流模型二.BJT电路的分析方法（直流）1.模型分析法（近似估算法）VCCVBBRbRc12V6V4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC例：共射电路如图，已知三极管为硅管，β=40，试求电路中的直流量IB、

IC、UBE、UCE。+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC0.7VβIBecbIC+VCCRc(+12V)4KΩ+UBE—IB+VBBRb(+6V)150KΩ+UCE—解：设三极管工作在放大状态，用放大模型代替三极管。UBE=0.7V2.图解法VCCVBBRbRc12V6V4KΩ150KΩ+uCE—IB=40μAiCiC=f(uCE)

iB=40μAM(VCC,0)(12,0)(0,3)iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB直流负载线斜率：UCEQ6VICQ1.5mAIB=40μAIC=1.5mAUCEQ=6V直流工作点Q+VCCVinRbRc(+5V)45Ω2KΩ+UBE—+UCE—IBICVout讨论：当（1）Vin=0.5V；（2）Vin=0.5V；（3）Vin=0.5V时Vout?其中β=100，硅管（1）当Vin=0.5V+VCCVin=0.5VRbRc(+5V)45Ω2KΩ+UBE—+UCE—IBICVout发射结反偏，集电结反偏，所以三极管工作在截止区。IC=βIB=0;Vout=VCC-IC*RC=5V;1.模型分析法（2）当Vin=2V+VCCVin=2VRbRc(+5V)45Ω2KΩ+UBE—+UCE—IBICVout发射结正偏，集电结不可知。假设集电结反偏，其工作在放大区。IB=(Vin-UBE)/Rb=(2-0.7)/2K=0.65mA;IC=βIB=65mA;集电极电压：VC=VCC-IC*RC=5-65*45*10-3=2.075V又基极电压：VB=0.7V，故集电结反偏；所以假设成立，三极管工作在放大区；Vout=VC=2.075V（2）当Vin=3V+VCCVin=2VRbRc(+5V)45Ω2KΩ+UBE—+UCE—IBICVout发射结正偏，集电结不可知。假设集电结反偏，其工作在放大区。IB=(Vin-UBE)/Rb=(3-0.7)/2K=1.15mA;IC=βIB=115mA;集电极电压：VC=VCC-IC*RC=5-115*45*10-3=-0.175V又基极电压：VB=0.7V，故集电结正偏；所以假设不成立，三极管工作在饱和区；Vout=UCES=0.3V;2.图解法M(VCC,0)(5,0)(0,116)iCCE(V)(mA)=0.8mAIBu=0.2BBII=0.4mABI=0.6mAB=1.0mAI=1.2mAIB直流负载线120β=IC/IB=100（1）Vin=0.5V,IB=0mA;Q1(5,0)(2)Vin=2V,IB=0.65mA;Q2(2.075,65)(3)Vin=3V,IB=1.15mA;Q3(0.3,115)

§5场效应管

BJT是一种电流控制元件(iB~iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道FET分类：

绝缘栅场效应管结型场效应管

场效应管（FieldEffectTransistor简称FET）是一种电压控制器件(uGS~iD)，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。一.绝缘栅场效应三极管

绝缘栅型场效应管(MetalOxide

SemiconductorFET)，简称MOSFET。分为：

增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道

1.N沟道增强型MOS管

（1）结构4个电极：漏极D，源极S，栅极G和衬底B。符号：

当uGS＞0V时→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→耗尽层。（2）工作原理

当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。再增加uGS→纵向电场↑→将P区少子电子聚集到P区表面→形成N型导电沟道。①栅源电压uGS的控制作用

如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。

定义：开启电压（UT）——刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。

N沟道增强型MOS管的基本特性：

uGS＜UT，管子截止，uGS＞UT，管子导通。uGS越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。

②漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用

当uGS＞UT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。（设UT=2V，uGS=4V）

（a）uds=0时，id=0。（b）uds↑→id↑；同时沟道靠漏区变窄。（c）当uds增加到使ugd=UT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。（d）uds再增加，预夹断区加长，uds增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，id基本不变。（3）特性曲线

四个区：（a）可变电阻区（预夹断前）。

①输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=const（b）恒流区也称饱和区（预夹断后）。

（c）夹断区（截止区）。

（d）击穿区。可变电阻区恒流区截止区击穿区

②转移特性曲线：iD=f(uGS)uDS=const

可根据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：UT

一个重要参数——跨导gm：gm=iD/uGS

uDS=const(单位mS)

gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。

在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。附：特性曲线的计算LW导电沟道沟道中单位面积电荷Q（y)可表示为：Q（y)=Cox[VGS-VT-V(y)];其中：Cox为单位面积氧化物电容（F/cm2)沟道中单位长度dy的电阻：dR=ρ*dy/(W