模电-第1章半导体器件基础

第一章半导体和半导体器件1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.1半导体的基础知识

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(14)和锗Ge(32)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。它们都是4价元素惯性核价电子原子结构模型硅和锗的惯性核模型

本征半导体的结构——共价键结构：束缚电子在绝对温度T=0K时，所有的价电子都紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近于绝缘体。1.1.1.本征半导体本征半导体——化学成分纯净单一的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“9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，束缚电子能量增高，有的可以摆脱共价键的束缚，成为自由电子，从而可以参与导电。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4

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。空穴是带正电荷的。空穴可见，本征激发同时产生电子空穴对。而且外加能量越高（温度越高，光照越强），产生的电子空穴对浓度越高。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，为：

常温T=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空穴电子空穴对动画演示自由电子—带负电荷—逆电场运动:电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E＋－＋总电流两种载流子空穴—带正电荷—顺电场运动:空穴流载流子电子空穴对的浓度取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。本征半导体导电机制1.1.2.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。按掺入杂质的不同，杂质半导体分为N型和P型两种。1.

N型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，如磷、砷、锑等，使自由电子浓度大大增加，称为N型或电子型半导体。

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杂质电离杂质电离本征激发本征激发

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟、铝等，使空穴浓度大大增加，称为P型或空穴型半导体。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型半导体杂质电离本征激发本征激发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——本征激发产生，与温度有关多子浓度——杂质电离产生，与杂质浓度有关，与温度无关内电场E因多子浓度差形成内电场E多子的扩散、复合空间电荷区

阻止多子扩散，促使少子漂移。P型半导体与N型半导体结合空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽区1.1.3PN结及其单向导电性

1.PN结的形成：多子扩散、少子漂移

动画演示少子漂移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散

耗尽层又失去多子，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＝0势垒UO硅0.5V锗0.1V2.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，只与温度有关，所以称为反向饱和电流IS

。

1.

PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流IF，呈现低电阻，PN结导通，开关闭合；

2.PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流IR

，呈现高电阻，PN结截止，开关断开。

由此可以得出结论：

PN结具有单向导电性。综上所述：

动画演示

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1.1.3PN结的伏安特性正偏IF（多子扩散）IR（少子漂移）反偏反向饱和电流正偏IF（多子扩散）IR（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压1.1.4.PN结的反向击穿热击穿——烧坏PN结电击穿——可逆雪崩击穿:反向电压较大时，正温度系数；齐纳击穿:反向电压较小，杂质浓度较高时，负温度系数。1.1.5.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从等效观点上看，势垒电容CB与PN结电阻是并联的。主要在PN结反偏时起作用

势垒区中正负离子的数量随外加电压变化而变化的效应称为势垒电容。(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）扩散电容CD主要在PN结正偏时起作用

当外加正向电压变化时，载流子的数量和浓度梯度都要变化，这种电容效应称为扩散电容。C=CD+CD1.2半导体二极管

二极管=PN结+管壳+引线NP结构符号阳极+阴极-1.3.1二极管的结构和类型

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1.2.1二极管的伏安特性1.PN结的伏安特性方程

实际的二极管的伏安特性

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

温度对二极管特性的影响90度20度1.2.1二极管的主要参数

(1)最大整流电流IF(2)最高反向工作电压URM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。(3)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。

(4)反向饱和电流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。1.2.3.二极管的模型例：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电路如图，求：UABV阳

=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。

在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例2：二极管的用途：

整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––例

讨论二极管的导通情况，并求UAO如下图所示，输入信号三角波信号ui幅值大于直流电源E1,E2的正弦波信号，二极管为理想器件，画出输出uo的电压波形。0-E2uit+E1uot+--+Eu2RiuOE1VD1VD2+E1-E2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1.2.4稳压二极管1.稳压管的伏安特性

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

2.稳压管的主要参数

(1)稳定电压UZ(3)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=UZ

/I

Z

rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡,稳压性能越好。

(2)稳定电流IZ

保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。

(4)最大工作电流IZM，最大耗散功率PZM

IZM

管子允许流过最大电流;

PZM管子允许耗散的最大功率;

PZM=UZIZM例发光二极管是一种能将电能转换为光能的电子器件，简称LED(LightEmittingDiode).采用砷化镓、磷化镓、氮化镓等化合物半导体材料制造耐用。伏安特性与普通二极管类似，其正向导通压降较大，为1~4V左右，工作电流较为6~30mA,体积小，具有发光均匀稳定，寿命长等特点，现已应用于数码显示、大屏幕显示、交通信号灯、汽车尾灯、照明等方面。发光二极管LED灯光效高、耗电少,寿命长、易控制、免维护、安全环保;是新一代固体冷光源,光色柔和、艳丽、丰富多彩、低损耗、低能耗,耐震，可频繁开关而不影响其寿命，绿色环保不含汞。

将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示：普通白炽灯的光效为12lm／W，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm／W，寿命小于8000小时，T5三基色荧光灯则为96lm／W，寿命大约为1万小时，而直径为5毫米的白光LED光效可以超过150lm／W，寿命十万小时。数码显示用七只发光二极管分别显示数字的七个段，不同的亮暗组合构成不同的数字显示。八段数码管：七段发光二极管

共阳极：

共阴极：

二极管按结构分三大类：(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(3)平面型二极管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PN结面积大，用于工频大电流整流电路。半导体二极管分类国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9A用字母代表器件规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管，W稳压管，L整流堆，N阻尼管，U光电管。用字母代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。用数字代数产品的极性，2代表二极管，3代表三极管。用数字代表产品的序号。

1.3半导体三极管

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

BJT是由两个PN结组成的。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1.3.1BJT的结构NPN型PNP型

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发射极集电极基极符号:cebbec2023/2/41.3.2BJT的内部工作原理

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(1).BJT内部的载流子传输过程（a）发射区向基区注入电子：

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=

IEP

+I

EN

≈

IEN（b）电子在基区中的扩散与复合：

发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到空穴复合掉，形成IBN。它是基极电流IB的一部分。由于基区很薄，大部分电子到达了集电区的边缘。IBN

(d)集电结的反向饱和电流：集电结区的少数载流子形成漂移电流ICBO。

（c）集电区收集电子:

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

，ICN

=I

EN–

I

BN

IBN(a)IC与IE之间的关系:所以:(2).电流分配关系三个电极上的电流：IB

=I

BN+I

EP–

I

CBOIC

=I

CN+

I

CBO

IE

=I

EN+I

EP

=I

CN+I

BN+I

EP

=IB+IC

IBN定义：（≈0.9～0.99）称为共基极直流电流放大系数

动画演示(b)IC与IB之间的关系：联立以下两式：得：

所以：令：共发射极直流电流放大系数(c)IE与UBE之间的关系：五.BJT的型号第二位：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国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B1.3.3BJT的特性曲线1.输入特性曲线

iB=f(uBE)

uCE=const发射结的特性类似于一个PN结。死区电压硅0.5V锗0.1V导通压降硅0.7V锗0.3V=1VCEu2输出特性曲线iC=f(uCE)

iB=const

1）当发射极开路时，iE=0

，iC=ICBO。2）当基极开路时，iB=0

，iC=ICEO=(1+β)ICBO。输出特性曲线iC=f(uCE)

iB=const

3）在近原点，uCE

很小时,ic

小；

uCE↑→ic

↑

。4）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。

以iB=60uA一条加以说明。基区宽度调制效应3.BJT的三个工作区饱和区——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。Ic<βIb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1.3.4BJT的主要参数1.电流放大系数（2）共基极电流放大系数：

iCE△=5uA(mA)B=10uAICu=0(V)=20uAI△BBBIBiIBI=25uACBI=15uAi一般为20~200之间1.51（1）共发射极电流放大系数β：(1)集-基极反向截止电流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+–EC(2)集-射极反向截止电流(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。2.极间反向电流

3.极限参数（1）集电极最大允许电流ICMPCMIc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。（2）集电极最大允许耗散功率PCM

PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。PC<PCM=ICUCE

硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。

（3）反向击穿电压

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。②

U（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)EBOU

BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：ICMU(BR)CEO4.BJT安全工作区ICUCEO功耗限制线：ICUCE=PCM安全工作区过流线5.温度对BJT的影响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(2~2.5)mV，即晶体管具有负温度系数。3.温度每升高1C，增加0.5%~1.0%。截止状态ecb放大状