第一部分半导体器件基础

第一部分半导体器件基础一、半导体基础知识二、二极管三、三极管四、场效应管

第一讲半导体基础知识一、半导体的特性

半导体的导电性能随着温度的变化而发生显著的变化。

半导体的导电性能随着光照强度的变化而发生显著的变化。

半导体的导电性能随着微量杂质的掺入而发生显著的变化。1、热敏性：2、光敏性：3、掺杂性：二、本征半导体的导电特性

非常纯净的半导体称为本征半导体。常用的有硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。用得最多的就是硅和锗。1、本征半导体的晶体结构+4+4+4●●+4+4+4+4+4+4●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●+4惯性核价电子

硅和锗原子结构简化模型及共价键结构示意图+4+4+4●●+4+4+4+4+4+4●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

共价键中的价电子被束缚在两原子之间，不给予额外的能量是不能自由移动的。在绝对零度和无外界激发时，本征半导体中没有可移动的带电粒子，相当于绝缘体。２、本征激发

在室温或光照条件下，本征半导体中产生自由电子——空穴对的过程。+4+4+4●●+4+4+4+4+4+4●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●由于热激发而产生的自由电子自由电子移走后留下的空穴

ａ、自由电子与空穴同生同灭，数量相等。

ｂ、自由电子和空穴都是载流子。

ｃ、载流子的浓度与温度成指数关系。本征激发的特征：三、杂质半导体的导电特性

在本征半导体中掺入微量杂质后所形成的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同可分为N型半导体和P型半导体。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）后形成的半导体。

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）后形成的半导体。

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位。邻近共价键中的价电子填补此空位时，在原共键中便留下一个空穴。

在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成

自由电子是少数载流子，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。1、P型半导体的形成及特性四、PN结的形成及特性1、PN结的形成PNε载流子浓度差多子的扩散出现空间电荷区产生了内电场促使少子漂移阻碍多子的扩散

当扩散与漂移达到动态平衡时，在交界面附近就形成了一个空间电荷区，即PN结。PN2、N型半导体的形成及特性

五价杂质原子与周围硅原子形成共价键，还多余一个价电子，而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。2、PN结的特性

a、单向性正偏时电流大，反偏时电流小。正偏时电阻小，反偏时电阻大。注意：①、正向电流IF=扩散电流—漂移电流。②、IR很小具有饱和性用IS表示。PNIRREPNIFRE

b、击穿性反向电压增加到某个数值时，反向电流突然增加，这种现象称为击穿。击穿时所对应的电压称为反向击穿电压，用VBR表示。根据击穿机理不同，击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。雪崩击穿机理：反向电压↑→内电地场↑→载流子的动能↑→将中性原子中的价电子撞出来→IR↑。齐纳击穿机理：反向电压↑→内电地场↑→将中性原子中的价电子拉出来→IR↑

PN结的击穿并不意味着损坏注意如果超过就是热击穿，热击穿是不可逆的；如果没有超过就是电击穿，电击穿是可逆的。

PN结是否损坏决定于击穿后电流与电压的乘积是否超过PN结容许的耗散功率。

c、电容性

如果给PN结加上变化的电压，PN结将呈现电容效应。（电压变化时有电荷的堆积与泄放的过程）①、势垒电容CBCB是由空间电荷的积累引起的

当外加正向电压增加时，PN结变窄，空间电荷量减少，相当于PN结放电。PNIFRE

当外加正向电压减少时，PN结变宽，空间电荷量增加，相当于PN结充电。外加反偏电压变化时也具有相同的效应。理论推导得：式中ε是介质常数，A是PN结的面积，d是PN结的宽度。②、扩散电容CD

CD是PN结正向电压变化时，多数载流子在扩散过程中积累引起的。PN结正偏时，多数载流子扩散到对方成为对方区域中的“少子”。这些少子在正偏电压变化时，也有堆积与泄放的过程。根据理论分析不对称结的CD为：VT为温度的电压当量，常温时为26mv；τ为非平衡少子的寿命；I为正向电流。注意1、CB和CD在结构上都是和PN结并联的，正偏时CD＞＞CB，CD起作用；反偏时CB起作用。2、CB和CD的存在都是破坏单向性的。作业：列举热敏元件、光敏元件功能及典型应用

第二讲晶体二极管一、结构及符号

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。1、点接触型二极管特点PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。2、面接触型二极管特点PN结面积大，用于工频大电流整流电路。3、平面型二极管4、二极管的代表符号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。二、二极管的伏安特性正向特性反向特性反向击穿特性线性段非线性段1、稳压特性（△I大，△V小）稳流特性（△V大，△I小）2、3、死区电压VthSi：0.5VGe:0.1V4、导通电压VFSi：0.6---0.8VGe:0.1---0.3V注意三、二极管的主要参数1、最大整流电流IF2、最大反向工作电压VR3、反向电流IR4、最高工作频率fM6、交流电阻rd5、直流电阻rD

a、参数的物理意义或定义。

b、参数的测量方法。

c、是质量参数还是特性参数。

d、参数的大小与器件质量间的关系。参数应从以下四个方面掌握四、D的等效电路

1.理想模型正偏时电阻为零，反偏时电阻为无穷大，相当于一个理想开关。适用于电路中的电压比D的压降大得多的情况。经常用于定性分析、估算电路状态时很方便，但误差较大。

2.恒压降模型认为D正偏导通后，管压降为恒定值（VF），相当于一个理想的压控开关，适用于iD≥1mA情况。经常用于定量计算，计算快而且基本符合实际。

3.折线模型认为D的正向压降不是恒定的，而是随着正向电流的变化而变，相当于非理想的压控开关（有导通压降）rD等于折线斜率的倒数最准确的计算，适用于各种情况。

4.小信号模型

二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。常温下（T=300K）适用于D正向通且信号在很小范围内变化的情况。即例1电路如图所示，计算二极管中的电流ID。已知二极管的导通电压UD(on)=0.6V，交流电阻rD≈0。UA=E－I1R1解得

I1=5.7mA，I2=5.4mA节点A的电压于是

ID=I1+I2=11.1mA。解求解的关键是要确定VD的工作状态，是导通还是截止。怎么确定呢？UA=－I2R2UA=－E+UD(on)=－5.4V(a)电路

(b)ui和uo的波形

(c)传输特性

1、整流电路例1分析图(a)所示二极管整流电路的工作原理，其中二极管VD的导通电压UD(on)=0.7V，交流电阻rD≈0，输入电压ui的波形如图(b)所示。五、二极管应用(a)电路

(b)ui和uo的波形

(c)传输特性例2

分析图(a)所示的二极管桥式整流电路的工作原理，其中的二极管VD1~VD4为理想二极管，输入电压ui的波形如图(b)所示。

2、限幅电路

限幅电路能限制输出电压的变化范围，又分为单向限幅电路和双向限幅电路。限幅电路又称为削波电路。半波整流电路可以认为是门限电压为零的限幅电路。R＋－－＋UiUsUoR＋－－＋UiUo3V3V限幅电路的传输特性和波形变(a)上限幅；(b)下限幅；

(c)双向限幅

(a)电路

(b)ui的波形

(c)uo的波形例1二极管限幅电路如图(a)所示，其中二极管VD的导通电压UD(on)=0.7V，交流电阻rD≈0,输入电压ui的波形见图(b)，作出输出电压uo的波形。(a)电路

(b)ui的波形

(c)uo的波形例2二极管限幅电路如图(a)所示，其中二极管VD1和VD2的导通电压UD(on)=0.3V，交流电阻rD≈0,输入电压ui的波形见图(b)，作出输出电压uo的波形。作业：4-5，4-6，4-8

3、电平选择电路

4、调制解调电路五、特殊二极管1、稳压二极管①稳压原理稳压二极管反向击穿后，电流在很大的范围变化，电压变化很小且稳定于某一数值附近。②特性曲线③主要参数

a稳定电压UZ稳压管反向击穿后两端的电压。

b稳定电流IZ具有稳压功能时的电压值。

c动态内阻rZ稳压管击穿后的电压变化量与电流变化量之比。rZ=△UZ△IZIZ④稳压管稳压电路R＋－－＋UiUoRLIRIZIO限流电阻R的选择分析思路2、发光二极管作业：4-4，4-10

第三讲晶体三极管一、三极管的结构和符号

半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管二、电流分配关系及放大作用

三极管具有放大作用不仅仅是它有两个PN结，还取决于它的内、外部条件。要想理解三极管的放大作用，首先要明确各区的功能：

发射区的主要功能是发射载流子；基区的主要功能是运输和控制载流子；集电区的主要功能是收集载流子。

要保证三区具有以上功能，在制造晶体管时就要使三区具有以下特点（内部条件）：

发射区的掺杂浓度最高；基区很薄，且掺杂浓度最低；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大。

要使各区的功能能够发挥出来，就必须满足以下的条件（外部条件）：发射结正偏，集电结反偏。IENIEPICBOICNIEICIBVBBVCCIBNRbRc1、晶体管内部载流子的传输过程

a、发射区发射载流子IE=IEN+IEP

b、基区传输与控制载流子IB=IEP+IBN－ICBO=I/B－ICBO

c、集电区的收集载流子IC=ICN+ICBOIENIEPICBOICNIEICIBVBBVCCIBNRbRc2、电流分配关系IC=ICN+ICBO

为了定量描述三个极电流之间的关系，引入共基极的直流电流放大系数=aCNIIEIB=IE－ICIB=（1－α)IE－ICBOIE=IB+IC

IC=αIE+ICBO_

为电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般

=0.90.99根据

IB=（1－α)IE－ICBO

得：

IBICBO1－α1－α

IE=+代入IC的表达式1－α1－αααIC=IB+ICBO+ICBOIC=βIB+（1+β）ICBO再令

ICEO=(1+)ICBO穿透电流IC=βIB+ICEOIE=（1+β）IB+ICEO

IB=IE一IC

是另一个电流放大系数，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般

=202001－αα

令

β=①、放大电路的三种组态共集电极接法，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。3、晶体管的放大作用②、放大作用

如果电路输入端有一较小的变化量，输出就有一较大的变化量，则称电路有放大作用。bceRL1k

共射极放大电路VBBVCCIBIEIC+-viv0+-RLecb1k

VEEVCCIBIEIC+-vivo+-共基极放大电路共基极电路：有电压放大，无电流放大。共射极电路：有电压放大，有电流放大。共集电极电路：无电压放大，有电流放大。都有功率放大作用三、晶体管的特性曲线

iB

=f(vBE)

vCE=const(2)当vCE≥1V时，

vCB=vCE

-vBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。vCE=0VvCE

1V(1)

当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线iC

=f(vCE)

iB=const2.输出特性曲线

放大区e结正偏，c结反偏，满足电流分配关系。曲线特点三种状态的外部条件及特征

饱和区VCE＜VBE时T所处的区域。E结正偏，C结正偏，不满足电流分配关系。VBE=0.7VVCE=VCES=饱和的条件及特征0.1V(Ge)0.3V(si)特征条件

截止区IB=0以下的区域，E结反偏，C结反偏，不满足电流分配关系。截止的条件及特征VBE＜Vth

IB=0，

IC=0,IE=0

。VCE=VCC条件特征例1电路如图所示，已知晶体管的UBE(on)=0.6V，β=50。当输入电压Ui分别为0V、3V和5V时，判断晶体管的工作状态，并计算输出电压Uo。分析思路1、先判断晶体管通断。2、若晶体管通，再根据集电结的偏置确定是在放大或饱和状态。1、先判断T的状态。2、再计算极电流和极间电压。步骤与方法电压法电流法例2

电路如图所示，已知晶体管的UBE(on)=－0.7V，β=50。判断晶体管的工作状态，并计算IB、IC和UCE。PNP管如何分析1、电流按实际方向，全取正。2、电压计算按NPN管方法，结果加负号。四、晶体管的主要参数1、放大系数：反映放大能力的。2、极间电流：反映工作稳定性的。3、频率参数：决定工作频率的。4、极限参数：保证安全工作的。思考题1、介绍一种特殊用途的半导体器件。2、半导体器件的识别方法。3、制作一个光控电子开关并指示其通断。

第四讲场效应管及其放大电路场效应管是利用电场效应控制半导体中载流子运动的一种器件。由于它是依靠一种载流子导电工作的，故也称为单极型晶体管。与双极型晶体管相比，它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单、便于集成等优点。最突出的特点是控制端基本上不需电流的压控器件，得到了广泛的应用。场效应管主要有结型场效管和绝缘栅型场效应管两大类。一、结构和类型结型场效应管N栅极G漏极DS源极漏极DPN+N+栅极GS源极SDGSDGP+P+二、工作原理1、VDS=0，VGS对沟道的控制作用

a.VGS=0时

N沟道和P沟道结型场效应管工作大原理完全相同，只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而异。NGDSP+P+VGG沟道无变化b.VGS（off）＜VGS＜0此时两个PN结反向偏置，PN结要变宽，PN结向N区（沟道）方向扩展。（a）PN结加宽。（b）PN结主要向N区扩展。（c）导电沟道变窄。（d）导电沟道电阻增大。NGDSP+P+VGG特征c.0＞VGS＝VGS（off）沟道夹断，PN结合拢。（a）PN结合拢。（b）导电沟道夹断。VGS（off）—栅源截止电压或夹断电压NGDSP+P+VGG特征2、VGS=0，VDS对沟道的控制作用a.0＜VDS＜VGS（off）（a）漏极电流ID≠0，VDS↑→ID↑（b）沿沟道方向有电位梯度。（c）沿沟道PN结反偏电压不同。（d）沟道PN结呈楔形。沟道的不同位置对源极有不同的电位，漏极处最高，接近源极的位置最低。VDS越大，楔形越厉害。沟道电阻增加，电流会减小。VDDNGDSP+P+特征

b.VDS＝VGS（off）（a）漏极电流ID达到最大值。（b）沟道点夹断（预夹断）。沟道在一点处夹断

c.VDS＞VGS（off）（a）漏极电流ID达到最大值，且几乎不随VDS的增大而变化。（b）沟道夹断区延长。VDDNGDSP+P+VDDNGDSP+P+特征3、VGS＜0，VDS＞0对沟道的控制作用a.VDS和

VGS一起改变沟道的宽度。b.PN结在漏极的反偏电压最大，VDG＝VDS－VGS。

c.VDG＝VGS（off）时沟道出现预夹断。（1）JFET是利用电场效应控制沟道中流通的电流大小，因而称之为场效应管。（2）场效应管为电压控制型器件。（3）在N沟道的场效应管中，VGS和VGS（off）均为负值。

在P沟道的场效应管中，VGS和VGS（off）均为正值。NGDSP+P+VDDVGG小结三、特性曲线1、输出特性（漏极特性）iD＝f（uDS）uGS=c可变电阻区截止区放大区iD/mAuDS/VUGS＝0UGS＝UGS（off）－2V－0.5V－1V－1.5V0VDG＝－VGS（off）（1）可变电阻区

a.uDS较小，沟道尚未夹断。

b.VDG＜VGS（off）

c.管子相当于受UGS控制的压控电阻。

UGS大，曲线的斜率大，对应的电阻小。所以UGS的变化可控制沟道电阻的大小，UGS的绝对值越大，沟道的电阻越大。放大区iD/mAuDS/VUGS＝0UGS＝UGS（off）－2V－0.5V－1V－1.5V0VDG＝－VGS（off）（2）放大区a.沟道预夹断。

b.VDG≥VGS（off）

c.

iD几乎与UGS无关，只受UGS的控制，放大区相当于电压控制电流源。截止区

a.VGS＜VGS（off）（3）截止区b.沟道完全被夹断管子各极电流为零。2、转移特性iD＝f（uGS）uDS=c（1）对于不同的UDS，对应的转移特性曲线不同。（2）当管子工作于放大区时，转移特性曲线基本重合。

iD＝IDSSuGSuGS（off）1－（）2iD/mAuDS/VUGS＝0UGS＝UGS（off）－2V－0.5V－1V－1.5V0VDG＝－VGS（off）iD/mAuGS/VUGS（off）0IDSS曲线特点放大区成立曲线画法四、主要参数1、直流参数（1）夹断电压UGS（off）UGS（off）＝UGSUDS＝C＝（10V）ID＜测试值（50uA）（2）零偏漏极电流IDSSIDSS＝iDUDS＝C＞UGS（off）UGS＝0（3）直流输入电阻RGSRGS＝UGSIGSUDS＝C＝（0V）UGS＝C＝（10V）2、交流参数（1）跨导gm（2）极间电容CGS、CGD、CDSgm＝diDduGSUDS＝Cgm＝diDduGS＝－2UGS（off）IDS·IDQ√当管子工作于放大区时3、极限参数（1）漏极最大允许耗散功率PDSM（2）最大漏极电流IDSM（3）栅源极穿电压UGS（4）漏源极穿电压UDSSDGRGRDVGGVDD〔例〕在图示电路中，已知场效应管的UGS（off）＝－5V，问在下列三种情况下，管子分别工作在哪个区？（1）UGS＝－8V，UDS＝4V（2）UGS＝－3V，UDS＝4V（3）UGS＝－3V，UDS＝1V1、首先根据UGS和UGS（off）大小确定在导通区还是在截止区。2、再根据UDG和UGS（off）大小确定在放大区还是在可变电阻区。（1）管子工作于截止区；（2）管子工作于放大区；（3）管子工作于可变电阻区。分析思路一、结构和类型绝缘栅型场效应管N＋N＋P衬底GSDB漏极栅极源极P＋N衬底GSDB漏极栅极源极P＋GDSBGDSB增强型MOSFET的结构和电路符号N＋N＋P衬底GSDB漏极栅极源极＋＋＋＋P＋N衬底GSDB漏极栅极源极－－－－P＋GDSBGDSB耗尽型MOSFET的结构和电路符号N＋N＋P衬底GSDBUGSUDSID＝0ID＞0N＋N＋P衬底GSDBUGSUDS二、工作原理1、UGS＝0，UDS≠0时不管UDS的极性如何，漏极和源极之间始终有一个PN反偏，ID＝02、UGS＞

0，UDS＞0时（2）当UGS足够大时，衬底上表面的自由电子浓度将明显超过空穴浓度，该区域从P型变成了N型，将漏极和源极连通，形成表面的导电沟道。在UDS的作用下产生ID。此时的UGS称为开启电压，记为UGS（th）（1）栅极和P型衬底之间产生垂直向下的电场。在电场作用下，衬底上表面的空穴被向下排斥，自由电子则被吸引到表面处。N＋N＋P衬底GSDBUGSUDSID＞03、UGS＞

UGS（off），UDS＞0时（1）当UGS

＞UGS（off），UDS↑→ID↑，由于沟道存在电位梯度，因此沟道是不均匀的，靠近源极宽，漏极窄。（2）当UGD＝UGS－UDS

＝UGS（th）时，沟道在漏极端预夹断，ID达到最大值。（3）夹断后，UDS的增加部分全部降在夹断区，ID基本不变，管子进入恒流区。三、特性曲线iD/mAuDS/VUGS＝7VUGS＝UGS（th）3V6V5V4V0VDG＝－VGS（off）1、输出特性iD＝f（uDS）uGS=c（1）可变电阻区

a.uDS较小，沟道尚未夹断，