第1章-半导体器件20150320

第一章半导体器件

国家级精品课程《模拟电子技术基础教程》编写组第一章半导体器件

1.1半导体基础知识

1.2半导体二极管

1.3半导体三极管

1.4场效应晶体管

1.5光电子器件

1.6例题1.1半导体基础知识

在自然界中，有的物质很容易导电，如铜、铝、铁、银等，我们称之为导体。

有的物质不导电，如塑料、陶瓷、石英、橡胶等，称之为绝缘体。还有一类物质，其导电性能介于导体和绝缘体之间，我们称之为半导体，常用的半导体材料有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等，其中硅应用最广。

1.1.1半导体的特性

1.1.2本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。T=0K、无外界激发时,价电子被共价键束缚，无自由带电粒子（即载流子），相当于绝缘体。怎样才能导电？有外界激发（如T=300K），少数价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子。1.本征激发

这一现象称为本征激发，也称热激发。+4+4..+4.......+4+4..+4.........+4+4+4................自由电子空穴

1.1.2本征半导体2.空穴+4+4..+4.......+4+4..+4.........+4+4+4................自由电子空穴

自由电子产生的同时，原共价键中出现呈正电性的空位，称为空穴。空穴-电子对

1.1.2本征半导体+4+4..+4.......+4+4..+4.........+4+4+4................自由电子空穴空穴的本质：模拟共价键中束缚电子的移动3.空穴载流子和空穴电流附近电子填补空穴→空穴的迁移→正电荷的移动----

空穴是载流子。两部分电流：

1.自由电子移动产生的电流。

2.空穴移动产生的电流。载流子：自由电子、空穴4.复合自由电子和空穴相遇释放能量，自由电子-空穴对消失。+4+4..+4.......+4+4..+4.........+4+4+4................自由电子空穴本征激发和复合在一定条件下达到动态平衡。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。5.平衡载流子浓度与温度的关系ni（T）=pi（T）=本征激发和复合动态平衡时有ni=pi

在常温下，硅载流子浓度ni=pi=1.5×1010/cm3，锗载流子浓度ni=pi=2．5×1013／cm3。能否直接用来制造半导体器件？

1.1.3

杂质半导体

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。掺入杂质（3价或5价元素）的本征半导体称为杂质半导体。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。

1.N型半导体

多子：自由电子（杂质）少子：空穴（热激发）。

五价杂质原子成为正离子，也称施主杂质。

2.P型半导体

多子：空穴少子：自由电子

三价杂质原子成为负离子，也称受主杂质。多子浓度：主要取决于掺杂浓度；少子浓度：主要取决于温度。

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/cm3

3.杂质对半导体导电性的影响1.1.4

PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。图1.2.1PN结的形成过程P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽，内电场越强。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。内电场阻碍多子扩散漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E扩散和漂移最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。

因浓度差

多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区

空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。形成了空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。1.1.5

PN结的单向导电性正偏：P区加正、N区加负电压。

PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。反偏：P区加负、N区加正电压。－－－－++++RE一、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。PN结处于正向导通状态，正向等效电阻较小。二、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。REPN结处于反向截止状态，反向等效电阻较大。三、PN结方程1.定义：

PN结两端的外加电压和流过PN结的电流I之间的关系为PN结方程。2.PN结方程：PN正偏(且∣U∣大于UT几倍以上)时PN反偏(且∣U∣大于UT几倍以上)时UT=kT/qT=300K时,UT=26mV1.1.6PN结的电容特性

PN结的耗尽层内的空间电荷量与耗尽层外载流子数量在外加电压变化时将发生变化，这种电荷量随外加电压变化的现象，称为PN结的电容效应。两方面的因素决定:

一是势垒电容CB

。

二是扩散电容CD

。

一、势垒电容CB势垒电容：外加电压变化空间电荷变化电容——势垒电容。

势垒电容示意图

当外加电压有一定的增量则相应的空穴（或电子）扩散运动在PN结两侧产生一定的电荷增量ΔQ，二者之比为扩散电容：二、扩散电容PN结的结电容是扩散电容和势垒电容之和，即正偏：扩散电容为主；反偏：势垒电容为主。结电容的容抗随工作频率提高而降低在高频运用时，对PN结单向导电性变差。rdPN结高频小信号等效电路1.2半导体二极管1.2.1二极管的结构半导体二极管是以PN结为核心，在PN结的两端各引出一个电极，并加管壳封装而成。P型半导体一端引出的电极为阳极（或称正极），PN结的N型半导体一端引出的电极为阴极（或称负极）阳极阴极二极管结构可分为点接触型和平面型两类：点接触型二极管，PN结面积很小，结电容很小，适用于高频电路和数字电路。平面型二极管PN结面积大，可承受较大的电流，适用于整流。

死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降:硅管0.7V,锗管0.2V。反向击穿电压UBR1.2.2二极管的特性曲线1.2.3二极管的主要参数1．最大整流电流IFM

：指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。大小由PN结的结面积和外界散热条件决定。2．最大反向工作电压URM

：二极管安全运行时所能承受的最大反向电压。

手册上一般取击穿电压U(BR)的一半作为URM。3．反向电流IR

:二极管未击穿时反向电流。

IR

值越小，二极管单向导电性越好。注意：IR

的值随温度变化而改变。4.最高工作频率fM：fM

由PN结的结电容大小决定。二极管的工作频率超过fM，单向导电性变差。1.2.4

二极管的电路模型一．理想模型在正向偏置时，其管压降为0V，而当二极管处于反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。二．恒压降模型二极管导通后其管压降近似为恒定值，典型值为0.7V（硅管）、0.2V（锗管）。不考虑二极管的正向导通电阻。

三．折线模型除考虑二极管的导通压降外，还考虑了二极管的动态导通电阻四.小信号模型该模型主要用于二极管处于正向偏置的交流分析中。

微变等效电阻：五、应用举例RLuiuouiuott1二极管半波整流2.二极管静态工作情况分析理想模型（R=10k）（1）VDD=10V时恒压模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设（2）VDD=1V时（自看）3.二极管导通时的正向压降为0.7V，判断下图所示电路的二极管是否导通，并求输出电压Uo的大小。R8VUo+－D1D210V12V(b)10VUo+－D1D23V6V(a)R4k解:（a）D2导电，D1截止，

（b）D1、D2都截止，

1.2.5特殊二极管一.稳压二极管稳压二极管反向电压加到某一定值时，反向电流急增，产生反向击穿，起稳压作用。+-阴极阳极1.稳定电压UZ，稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。2.稳定电流Iz

，稳压管正常工作时的参考电流。3.动态内阻rz

，稳压管两端电压和电流的变化量之比。

rz=ΔU/ΔI4.电压的温度系数αU，稳压管电流不变时，环境温度对稳定电压的影响。5.额定功耗Pz

，电流流过稳压管时消耗的功率。主要参数：使用稳压管组成稳压电路时的要点：稳压管必须工作在反向击穿区，稳压管应与负载RL并联，必须限制流过稳管的电流IZ二．变容二极管变容二极管结电容的大小与外加电压有关。可以通过控制直流电压来改变二极管的结电容的容量三．肖特基二极管肖特基二极管有两个重要特点：1.电容效应很小，工作速度高，适用于高频电路和开关电路。2.正向导通电压较小（约0.2V），反向击穿电压较低，一般不超过60V。1.3半导体三极管双极型三极管是组成放大电路的核心元器件1.3.1三极管的结构三极管又称为双极型晶体管

分类方法：结构：NPN型、PNP型；功率：大、中、小功率管；材料：硅管、锗管；频率：高频管、低频管。BECNNP基极发射极集电极NPN型三极管的结构示意图发射区e集电区c基区bBECIBIEIC三极管的结构示意图发射区e集电区c基区bPNP集电极基极发射极BCEPNP型BECIBIEICBECNNP基极发射极集电极发射结集电结 两个PN结：ｅ区和ｂ区交界处的PN结称为发射结三极管的PN结ｃ区和ｂ区交界处的PN结称为集电结。BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高三极管的结构特点三极管的结构特点•发射区的掺杂浓度最高；•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。管芯结构剖面图1.3.2三极管的工作原理一.三极管内部载流子的传输过程(1)发射区向基区发射载流子，形成电流(2)载流子在基区扩散与复合，形成电流(3)集电区收集载流子，形成电流二．电流分配关系

三种组态:共基极、共发射极和共集电极.三个电极，一个作为信号输入端，另一个作为信号输出端，剩下的电极是输入、输出回路的公共端。共基直流电流传输系数共射直流电流放大系数集电极与发射极之间的反向饱和电流ICEO=（1+β）ICBOIE=IC+IBIC

≈βIBIE=（1+β）IB

共基:共发：1.3.3三极管的特性曲线一.输入特性输出电压为常数，输入电流与输入电压之间的关系uCE=0时，iB和uBE的关系与二极管相似uCE增大，iB减小,特性曲线右移uCE≥1V，特性曲线重合二．输出特性

当输入电流为某一数值，集电极电流与电压间的关系发射结正偏，集电结反偏。IC=IB（⊿IC=⊿IB）称为线性区（放大区）。UCEUBE,发射结、集电结均正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。击穿区：IB=0uCE(V)iC

(mA)ICEOo输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且

IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

对于PNP管，VBB、VCC极性与NPN管相反。2023/2/4例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？当USB

=-2V时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大饱和电流：Q位于截止区

2023/2/4例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？IC<

ICmax(=2mA)，

Q位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB

=2V时：2023/2/4USB

=5V时:例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIC>

Icmax(=2mA)，Q位于饱和区。(实际上，此时IC和IB

已不是的关系）2023/2/4例：已知晶体管工作在线性放大区，并测得其各极电压如图所示。试判断各电极名称、三极管类型，并说明是硅管还是锗管。①中间电位的电极——B②|UBE|=0.7VSi0.3VGe对应电极——E；另一电极——C③UBE>0VNPN<0VPNPBECGePNP（1）对输入特性曲线的影响：100C25C三.温度对三极管特性曲线的影响温度升高时，UBE减小；特性曲线左移（2）对输出特性曲线的影响：

100C25C温度升高时，β增大；曲线间隔增大温度升高时，ICBO增大；特性曲线上移温度每升高1℃，β增加0.5％~1.0％左右。共射1.4.4三极管的主要参数一.电流放大系数1.直流放大系数共基2.交流放大系数

当ICBO和ICEO很小时，≈、≈，可以不加区分。

2.集电极发射极间的反向饱和电流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

二.极间反向电流ICEO 1.集电极基极间反向饱和电流ICBO

发射极开路时，集电结的反向饱和电流。

即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。BECNNPICBOICEO=

IBE+ICBO

IBEIBEICBO进入N区，形成IBE。根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。集电结反偏有ICBO2.集-射极穿透电流ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。2.集电极最大允许功耗PCMPC=ICUCEPCMUCEICICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区三．极限参数

集电极最大电流ICMIC↑→

↓

3.集-射极反向击穿电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿2023/2/4例：某三极管PCM=150mW，ICM=100mA，U(BR)CEO=30V，试问：（1）若UCE=10V，求ICmax；（2）若UCE=1V，求ICmax；（3）若IC=1mA，求UCEmax。1.3.5三极管的小信号模型

三极管工作在放大区时，迭加在静态工作点上的交流信号足够小，三极管特性可近似为线性，这时三极管可用一个线性等效电路(模型)来表示。H参数等效电路一.H参数等效电路vBEvCEiBcebiCBJT双口网络uBEuCEube≈rbeibrbebibicceubeuce一.H参数等效电路vBEvCEiBcebiCBJT双口网络uBEuCErbeibbibicceubeuceIC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AIC=IB一.H参数等效电路vBEvCEiBcebiCBJT双口网络uBEuCErbeibbibicceubeuce

ib

是受控源

，且为电流控制电流源(CCCS)。电流方向与ib的方向是关联的。分析交流小信号ube≈rbeibic≈

ibH参数的确定

一般用测试仪测出；

rbe

与Q点有关。rbe=rbb’+(1+

)re对于低频小功率管rbb’≈100~300则

(T=300K)

rbeibbibicceubeuce1.4场效应晶体管场效应晶体管FET只有多数载流子参与导电场效应晶体管FET是电压控制电流元件分类：结型场效应管绝缘栅场效应管增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道N沟道P沟道P沟道N基底：N型半导体P+P+两边是P区G(栅极)S源极D漏极一、结构导电沟道(动画1-7)N沟道结型场效应管的结构DGSGatel.4.1结型场效应管PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管DGS二、工作原理（以N沟道为例）GSNNNPPDUDSIDUGS＋－基本思想：反偏UGS控制R沟道，漏源UDS控制ID变化规律（工作区域）PN结反偏：UGS<0UGS、UDS如何加？多子电子S→D：UDS>0ID>0令UDS=0VGSIDNNNPPDUGS＋－二、工作原理（以N沟道为例）令UDS=0V1.反偏UGS对R沟道的控制PP-UGS↑→耗尽区↑→导电沟道↓→R沟道↑。UGS＝0→耗尽区最小→导电沟道最大→R沟道最小。UGS继续增加结果如何？沟道中是线性电阻。NGSDUDSUGSPPIDUDS=0时PP-UGS↑↑（＝UGS(off)）→耗尽区最大→导电沟道无（夹断）→R沟道最大。UGS是影响导电沟道的主要因素GSIDNNNPPD令UGS＝0UGD较小（<UGS(off)

）时PP2.UDS对ID的控制越靠近D端，PN结反压越大；沟道呈楔形UGD

＝UGS

－UDS

＝-UDS沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。GSIDNNNPPDUGS＝0,UGD=UGS(off)时PP漏端的沟道被夹断，称为预夹断。UDS继续增大，沟道如何变化？IDUGD

↓

＝UGS

－UDS

↑

＝-UDS＝UGS(off)GSIDNNNPPDUGS=0

UGD>UGS(off)时PP此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。(动画1-8)PPUDS继续增大，沟道如何变化？三、特性曲线l.输出特性可变电阻区：iD与uDS基本上线性关系，但不同的uGS其斜率不同。恒流区：又称饱和区，iD几乎与uDS无关，iD的值受uGS控制。击穿区：反向偏置的PN结被击穿，

iD电流突然增大。UGS-6–5–4–3–2–10IDIDSS饱和漏极电流UGS(off)夹断电压

2.转移特性

2.转移特性结型场效应管的转移特性近似公式为饱和漏极电流为夹断电压P沟道结型场效应管的特性曲线PGSDUDSUGSNNNNIDUGS>0UDS<0ID<0UGS0IDIDSSUGS(off)饱和漏极电流夹断电压转移特性曲线P沟道结型场效应管的特性曲线

结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。1.4.2绝缘栅场效应管（一）、结构和电路符号P型基底SiO2绝缘层导电沟道金属铝GSDN沟道增强型N+N+源区漏区P衬底二氧化硅BGSDUDD铝一、N沟道增强型MOS管P衬底杂质浓度较低，引出电极用B表示。N+两个区杂质浓度很高，分别引出源极和漏极。栅极与其它电极是绝缘的，通常衬底与源极在管子内部连接。（二）、工作原理PNNGSDUDSUGSUGS=0时D-S间相当于两个反接的PN结ID=0对应截止区1.UGS对沟道的控制(令UDS＝0)PNNGSDUDSUGSUGS>0时UGS足够大时（UGS>UGS(th)）出现以电子导电为主的N型导电沟道。感应出电子UGS(th)称为阈值电压反型层UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。PNNGSDUDSUGSPNNGSDUDSUGS当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。2.UDS对沟道的控制(令UGS>UGS(th)

)PNNGSDUDSUGS夹断后，即使UDS继续增加，ID仍呈恒流特性。IDUDS增加，UGD=UGS(th)时，靠近D端的沟道被夹断，称为预夹断。（三）、特性曲线转移特性曲线0IDUGSUT可近似用以下公式表示当时

为当时的输出特性曲线UGS>0可以分为三个区域：可变电阻区恒流区截止区预夹断轨迹二、N沟道耗尽型MOS管增强型的MOS管UGS>UT时才有导电沟道，工作电压受限制。如何解决？0IDUGSUGS(off)0IDUGSUT二、N沟道耗尽型MOS管N沟道耗尽型PNNGSD预埋了导电沟道GSDUGSUGS(off)0ID输出特性曲线NPPGSDGSDP沟道增强型三、P沟道增强型MOS管四、P沟道耗尽型MOS管P沟道耗尽型NPPGSDGSD预埋了导电沟道六种场效应管特性曲线比较绝缘栅型P沟道增强型耗尽型---1.4.3场效应管的主要参数

1．直流参数①夹断电压UGS(off)②开启电压UGS(th)③漏极饱和电流IDSS④直流输入电阻RGS2．交流参数

①低频跨导②交流输出电阻3．极限参数增强型参数耗尽型参数耗尽型参数1.4.4场效应管的小信号模型GSD跨导漏极输出电阻uGSiDuDS很大，可忽略。

场效应管的微变等效电路为：GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsuds本章小结

（1）掌握本征半导体、杂质半导体（N型半导体和P型半导体）以及PN结的特性。（2）掌握二极管的伏安特性以及稳压管的应用（3）掌握双极型三极管的放大原理以及伏安特性1.5光电子器件一.发光二极管发光二极管（LED）是具有一个PN结的半导体器件，通常由砷化镓、磷化