第4章 常用半导体器件原理2013

4.1半导体物理基础

4.2PN结

4.3晶体二极管

4.4双极性晶体管

4.5场效应管第4章常用半导体器件原理

4.1

半导体物理基础

用于制造半导体器件的材料主要是硅、锗和砷化镓等。半导体的导电能力介于导体和绝缘之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。要理解这些特性，必须从半导体及其原子结构谈起。

4.1.1本征半导体无掺杂的纯净的单晶半导体，称为本征半导体。硅和锗都是4价元素，其简化原子结构模型如图所示。在本征硅和锗的单晶中，原子按一定规律整齐排列，并通过共价键把相邻原子牢固地连系在一起。如图所示。价电子共价键中的电子(价电子)，不能参与导电。

1.本征激发与复合自由电子｛本征激发空穴统称载流子〉吸收能量由于电子和空穴相互吸引，还会发生激发的逆过程—复合。复合〉空穴自由电子释放能量消失一对电子空穴在一定温度下，最终激发和复合达到动态平衡。使本征半导体内的载流子数一定。动画相邻电子过来填补空位自由电子空位+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4空位的自由移动复合〉空穴自由电子释放能量消失一对电子空穴空穴2.本征载流子浓度本征激发和复合处于平衡时，本征载流子的浓度为式中:ni和pi分别为自由电子和空穴的本征浓度(cm-3)；T为热力学温度(K)；EG0为T=0K时的禁带宽度(硅为1.21eV，锗为0.78eV)；k为玻尔兹曼常数(8.63×10-6V/K)；A0是与半导体材料有关的常数。在室温下(T=300K)，本征半导体中载流子数极少，因而导电能力极弱。4.1.2N型与P型半导体1.

N型半导体：在本征半导体中掺入少量五价元素(如磷、砷、锑等)。

N型半导体中

nn>>pn电子为多数载流子(简称多子)空穴为少数载流子(简称少子)+4+4+4+4+5+4+4+4+4键外电子由于

pn+正离子数=nn所以N型半导体仍是电中性的。+1空穴自由电子+42.

P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素(如硼、铝、铟等)。P型半导体中

pp>>np

空穴为多数载流子(多子)

电子为少数载流子(少子)+4+4+4+4+3+4+4+4+4

由于np+负离子数=pp所以P型半导体也是电性中的。-1空穴自由电子空位+43.杂质半导体的载流子浓度杂质半导体中，多子浓度主要由掺杂浓度决定,而少子浓度，因掺杂不同会随多子浓度的变化而改变。在热平衡下，两者之间有如下关系：多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。N型半导体

P型半导体由以上分析可知通过控制掺杂浓度可以严格控制多子浓度,而温度变化对其影响很小；少子浓度主要由本征激发决定，因而温度变化时，

少子浓度将会发生明显变化。

本征半导体通过掺杂，可以大大改变体内载流子浓度，并使一种载流子多，而另一种载流子少；

4.1.3漂移电流和扩散电流半导体中的电流包括漂移电流和扩散电流。

1.漂移电流：在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流，如图所示。空穴自由电子N

型半导体电场方向总漂移电流是电子漂移电流和空穴漂移电流之和，即

I=Ip－(－

In)=Ip+

Inx自由电子浓度分布n(x)x或

正比于

扩散电流正比于载流子的浓度梯度即浓度差:

2.扩散电流：在载流子浓度梯度作用下，半导体中的载流子从高浓度区向低浓度区扩散形成的电流。

扩散电流是半导体中特有的电流。4.2

PN结

密度差产生扩散力多子扩散并复合空间电荷区｛阻止多子扩散引起少子漂移扩散和漂移对立的统一4.2.1

PN结的形成形成内电场PNU---------------+++++++++++++++PN---------------+++++++++++++++内电场B空间电荷区多子扩散少子漂移

开始时，扩散运动占优势，随着扩散运动的不断进行，界面两侧显露出的正、负离子逐渐增多，空间电荷区展宽，使内电场不断增强，于是漂移运动随之增强，而扩散运动相对减弱。最后，因浓度差而产生的扩散力被电场力所抵消，使扩散和漂移运动达到动态平衡。空间电荷区的宽度一定，UB也保持一定。(b)UPN---------------+++++++++++++++内电场B空间电荷区空间电荷区也称为耗尽区(层)、阻挡区或势垒区，统称为PN结。内电场REPN---------------+++++++++++++++耗尽区UP>UNUPUN4.2.2

PN结单向导电特性

使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电压或正向偏置(简称正偏)，如图所示。正偏使耗尽区变窄内电场减弱(UB-U)扩散力>电场力多子源源不断地扩散到对方，形成正向电流。

此外，正向偏压有微小变化时，会引起正向电流较大的变化。UB－U1.PN结正向偏置内电场RE

UN>UPPN-------

-----

-

-

-++++++

+

++++++++耗尽区UNUP反偏使耗尽区变宽内电场增强(UB+U)电场力>扩散力少子漂移到对方形成极小的反向电流。

此外，反向偏压有很大变化时，反向电流基本不变。PN结正偏导通，反偏截止，即具有单向导电特性。UB＋U

使N区电位高于P区电位的接法，称PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏)，如图所示。2.PN结反向偏置3.PN结电流方程

理论分析证明，按图示的参考方向流过PN结的电流i与外加电压u之间的关系为

式中:IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料、制造工艺、温度等有关；

UT=kT/q，称为温度的电压当量或热电压。T=300K(室温)时，UT=26mV。这是一个常用参数。

对于极性不同的正、反向电压，|u|只要大于UT几倍以上，则PN结电流方程可分别近似为正向偏置反向偏置该式与上述PN结具有单向导电特性的结论完全一致。由此画出的PN结伏安特性如下PN结击穿iu0u04.2.3PN结的击穿特性

当反向电压超过一定值UBR后，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义UBR为PN结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。1.雪崩击穿在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。外电场使耗层展宽发生碰撞的连锁反应，使载流子剧增。雪崩击穿机理IR2.齐纳击穿(场致击穿)

当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子-空穴对，使反向电流急剧增大。电场强度极大IR1.势垒电容从PN结的结构看，在导电性能较好的P区和N区之间，夹着一层高阻的耗尽区，这与平板电容器相似，如图所示。4.2.4

PN结的电容特性PN结具有电容效应，它由势垒电容和扩散电容两部分组成。

耗尽区中存贮的电荷量将随外加电压的变化而改变。这一特性正是电容效应，并称为势垒电容，用CT表示。理论分析证明：

式中：CT0为外加电压u=0时的CT值，它由PN结的结构、掺杂浓度等决定；UB为内建电位差，硅管约为0.7V；n为变容指数，与PN结的制作工艺有关，一般在1/3~6之间。

2.扩散电容正向偏置的PN结，由于多子扩散，会形成一种特殊形式的电容效应。下面利用P区一侧载流子的浓度分布曲线来说明。

P区少子浓度分布曲线

N区电子向P区扩散，非平衡电子形成曲线①的浓度分布。其存贮的电荷量对应①下的面积。当偏压增大时，曲线变为②所示，电荷的增加量为△Qn。反之，偏压减小时，曲线变为③所示，其电荷的减少量为△Qn。对PN+结，可以忽略ΔQp/Δu项。经理论分析可得

同理，在N区一侧，非平衡空穴的浓度也有类似的分布和同样的变化，引起存贮电荷的变化量ΔQp。式中:τn为P区非平衡电子的平均寿命；I为某一正向偏压下的直流电流。这种外加电压改变引起扩散区内存贮电荷量变化的特性，就是电容效应，称为扩散电容，用CD表示。如果引起ΔQn、ΔQp的电压变化量为Δu，则CT、CD都随外加电压的变化而变化，所以势垒电容和扩散电容都是非线性电容。

由于CT和CD均等效地并接在PN结上，因而PN结上的总电容Cj为两者之和，即Cj=CT+CD。CTCD因为CT和CD很小，低频工作时可忽略其影响。但在高频工作时，必须考虑它们引起的不利影响。正偏时以CD为主，Cj≈CD，其值通常为几十至几百pF；反偏时以CT为主，Cj≈CT，其值通常为几至几十pF；4.2.5PN结的温度特性PN结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上即为：温度升高，正向特性左移，反向特性下移，如图中虚线所示。

ui0TT－UBR具体变化规律是：保持正向电流不变时，温度每升高1℃，结电压减小约(2~2.5)mV，即

温度每升高10℃，反向饱和电流IS增大一倍小结1.本征半导体：无掺杂的纯净的单晶半导体。ni=pi2.N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素。pp>>np空穴为多子，电子为少子nn>>pn电子为多子，空穴为少子3.

P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素。4.PN结的形成内电场UPN---------------+++++++++++++++B空间电荷区PN结正偏时导通，反偏时截止。

5.PN结的单向导电特性

正向偏置反向偏置iiu0u06.PN结电流方程7.PN结伏安特性PN结击穿8.PN结电容，击穿和温度特性

4.3晶体二极管

晶体二极管是由PN结加上电极引线和管壳构成的，其结构示意图和电路符号分别如下图所示。

普通二极管应用最广。本节主要讨论普通二极管及其应用电路。另外，简要介绍稳压二极管及其稳压电路。PN正极负极负极正极4.3.1二极管的伏安特性

普通二极管的典型伏安特性曲线如图所示，与PN结伏安特性相比，有如下特点：1.正向特性有一导通电压UD(on)，室温下，UD(on)=(0.5~0.6)V硅管

UD(on)=(0.1~0.2)V锗管在正常工作电流范围内，管压降的变化范围很小：u/V0i/mA102030－5－10－0.50.5锗管(0.2~0.3)V硅管(0.6~0.8)V2.反向特性由于表面漏电流影响，二极管反向电流要比理想PN结的Is大。对硅管一般小于0.1μA，锗管小于几十微安。4.3.2二极管的电参数

显然，正向RD随工作电流增大而减小，反向的RD随反向电压增大而增大。如图中Q1点处的RD小于Q2点处的RD

。一般正向电阻为几十~几百欧，反向电阻为几十~几百千欧。

显然，正向电阻越小，反向电阻越大，单向导电性能越好。0UDuIDiQ1Q21.直流电阻RD

2.交流电阻rD

rD定义为：二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)处的电压微变量与电流微变量之比，即

rD的几何意义如图，即二极管伏安特性曲线上Q(IDQ，UDQ)点处切线斜率的倒数。rD可以通过对二极管电流方程求导得出，即0UDuIDiQ1Q2ID

可见，rD与工作电流IDQ成反比，并与温度有关。室温(T=300K)

条件下:

通过对二极管交、直流电阻的分析可知，由于二极管的非线性伏安特性，所以交、直流电阻均是非线性电阻，即特性曲线上不同点处的交、直流电阻不同，同一点处交流和直流电阻也不相同。

3.最大整流电流IF

IF指二极管允许通过的最大正向平均电流。实际应用时，流过二极管的平均电流不能超过此值。

4.最大反向工作电压URM

URM指二极管工作时所允许加的最大反向电压。通常取

UBR的一半作为URM。

5.反向电流IR

IR越小，单向导电性能越好。IR与温度密切相关，使用时应注意IR的温度条件。

6.最高工作频率fM

fM是与结电容有关的参数。工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能变坏。二极管是一种非线性电阻(导)元件，在大信号工作时，其非线性主要表现为单向导电性，即正偏时呈现低阻，反偏时呈现高阻。而正偏导通后所表现的非线性往往是次要的。4.3.3二极管的简化电路模型u/V0i/mA102030－5－10－10.5

在工程分析中，器件的模型力求简单、实用，能突出电路的主要功能及特性。

①.A1BC近似，其模型为图(a)。其中管压降UD取0.7V(硅管)或0.3V(锗管)，导通电阻rD一般为几十欧姆。(a)

②.A2BC近似，对应模型为图(b)。保留管压降UD。(b)

③.A3B0C近似，对应模型为图(c)。称为理想二极管。(c)

二极管伏安特性用折线近似后，即可用线性元件来等效各线性段，从而得出电路摸型。根据不同的应用场合，分别有：以上三种电路模型，是在不同近似条件下模拟了大信号运用时二极管的开关特性。其中(b)、(c)是低频工作时最常用的近似模型。二极管截止

I=0UD=-5V或I=5/10=0.5mA

实际中，在分析二极管电路时，必须首先判断管子是正偏导通还是反偏截止。然后用相应模型等效来分析电路。[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近似为零。UA

=－E＋UD(on)＝－6＋0.6＝-5.4V

A解：可以判断二极管处于导通状态，则电路模型:作业

4-6，4-7,4-9。PN正极负极负极正极在分析实际二极管电路时，必须首先判断管子是正偏导通还是反偏截止。然后用相应模型等效再来分析电路。

普通二极管的单向导电特性u/V0i/mA102030－5－10－10.74.3.4二极管基本应用电路tui0tuo0

1.二极管整流电路把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图所示。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波时，求输出u0。Vui＋－uo＋－RL该电路是半波整流电路。若二极管反接，uo=?ui>0时，V导通，uo=ui；ui<0时，V截止，uo=0

。ui>0时，V1、V3导通；V2、V4截止

uo=ui全波整流电路uo=|ui|

ui<0时，V2、V4导通；V1、V3

截止uo=－ui；2.精密整流电路由于二极管存在死区电压UON(硅管为0.6~0.7V左右)，因而只有当输入电压幅值大于死区电压时，电路才能正常工作。为此，插入运放以减小等效死区电压。1）.精密半波整流电路

(1).当ui＞0时，uo′＜0，V2截止，V1导通，uo=0

(2).当ui＜0时，uo′＞0，V2导通，V1截止传输特性

①.当ui＞0时，uo′＜0，V2导通，V1截止，则

②.当ui＜0时，uo′<0，V2截止，V1导通，uo=0

传输特性2）.精密全波整流电路––绝对值电路用半波整流和反相加法器构成全波整流电路：①.当ui＞0时，uo1=-ui，uo=-ui-2uo1=-ui+2ui=ui②.当ui＜0时，uo1=0，uo=-ui

+原理传输特性假设二极管v为理想二极管，①.当ui＞0时，v管截止，②.当ui<0时，v管导通，若取R1=R2，则限幅电路的传输特性如图所示,图中UIH、UIL分别称为上门限和下门限电压：

2.二极管限幅电路限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换、整形和输入保护电路。uiuoUILUomaxUOminUIH当ui<E+UD(on)=2.7V时，V管截止，uo=ui。Vui＋－uo＋－RE2Vtui/V05­5tuo/V0­52.7【例1】一个简单的上限幅电路如图所示。当输入幅度为5v的正弦波时，其输出波形如图。当ui≥2.7V时，V管导通，uo=2.7V，即把ui最大电压限制在2.7V。

2.7当ui>E+UD(on)=-2+0.7=-1.4V时，V管导通，uo=ui-0.7。【例2】限幅电路如图所示。当输入幅度为5v的正弦波时，其输出波形如图。当ui<-1.4V时,V管截止,

uo=-2V，即把ui最小电压限制在－2V。

Vui＋－uo＋－RE2Vtui/V05­5-1.4Vtuo/V0­24.3Vui＋－uo＋－RE1VRtui/V6­6【例3】电路如图所示，已知输入为幅度6V的正弦波时，试画出输出波形。①当时V管截止即

②当时V管导通即tuo/V0­1.730-3.4当|ui|<0.7V时，二极管D1和D2截止，u--u+=ui；

【例4】二极管限幅器作为输入保护电路的应用当|ui|≥0.7V时，二极管D1和D2总有一个导通，此时|u--u+|=0.7V即|u--u+|≤0.7V当uI>5.7V时，D1导通，ui=5.7V当uI<-0.7V时，D2导通，ui=-0.7V当-0.7V<uI<5.7V时，D1和D2截止，此时ui=uI即-0.7V<ui<5.7V3.二极管电平选择电路从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路，称为电平选择电路。二极管低电平选择电路如图所示。

V1u1＋－uoV2ERu2设两路输入信号u1,u2均小于E：

A)若u1<u2，V1导通，uo=u1+0.7v，使V2截止。

B)若u2<u1，V2导通，uo=u2+0.7v，使V1截止。

C)当u1=u2时，V1、V2都导通。可见，该电路能选出任意时刻两路信号中的低电平信号。

V1u1＋－uoV2ERu2u/Vtt0130u2/V3uto/V3.700.7如果把高于3V的电平当作高电平，为逻辑1，而低于0.7V的当作低电平，为逻辑0。则该电路输出与输入之间是逻辑与的关系。因而也称为与门电路。当u1、u2为方波时，输出端选出的低电平波形如图所示。5V4.峰值检波电路在一些测量电路中，需要检出信号峰值，如图所示。实现这种功能的方法是使电容只充电而不放电，其中一种电路如下图。由于uo=uC

，当ui>uo时，V管导通，uo=ui

。当ui<uo时，V管截止，uo

保持不变。1.稳压二极管的特性稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图所示。4.4稳压二极管电路

稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管，其除了可以构成限幅电路之外，主要用于稳压电路。ui0IZminIZmaxUZ其正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时，其两端电压几乎不变。2.稳压二极管的主要参数1).稳定电压UZ

UZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。ui0IZminIZmaxUZ2).额定功耗PZ

PZ是由管子结温限制所限定的参数。PZ与PN结所用的材料、结构及工艺有关，使用时不允许超过此值。3).稳压电流IZ

IZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。稳定电流的最大值IZmax有一限制，即

IZmax=PZ/UZ超过此值会烧坏管子。另外，工作电流也有最小值IZmin的限制，小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。4).动态电阻rZ

rZ一般为几欧姆到几十欧。VZUi＋－Uo＋－RRLILIZIR3.稳压二极管稳压电路

稳压二极管实现稳压必须满足两个条件：1).稳压管反向击穿；2).串接限流电阻。其电路如图所示。。若Ui增大，RL不变时若RL增大，Ui不变时所谓稳压是指当Ui和RL变化时，输出电压U0要保持恒定。电路稳压原理如下：当Ui、RL变化时，IZ应始终满足Izmin<IZ<IZmax。VZUi＋－Uo＋－RRLILIZIR即ui0IZminIZmaxUZ限流电阻R的选择方法可见，当Ui=Uimin,RL=RLmin时，IZ最小。这时应满足设Ui的最小值为Uimin，最大值为Uimax；RL最小时IL的最大值为UZ/RLmin；RL最大时IL的最小值为UZ/RLmax。而当Ui=Uimax，RL=RLmax时，IZ最大。这时应满足即可得限流电阻的取值范围是VZUi＋－Uo＋－RRLILIZIRRui0IZminIZmaxUZIZmax增大VZUi＋－Uo＋－R4.利用稳压二极管构成的限幅