第1章常用半导体器件

第

一

章常用半导体器件本章重点：本章难点：晶体三极管的导电机理PN结的组成原理与特性半导体二极管的特性与应用双极性晶体管的工作原理与特性曲线场效应管的类型与工作原理1.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.3双极型晶体管1.4场效应管本章内容常用半导体材料均为四价元素。1.1半导体基础知识导体半导体绝缘体低价元素高价元素如Cu为+2价、Al为+3价如惰性气体导电能力强不导电导电能力弱一种物质的导电性能取决于它的载流子密度（浓度）。1.1.1本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体。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”。它在物理结构上呈单晶体形态。1.1.1本征半导体一、结构特点GeSi完全纯净的、结构完整的半导体晶体。1.1.1本征半导体一、结构特点完全纯净的、结构完整的半导体晶体。硅和锗的晶体结构：

共价键1.1.1本征半导体一、结构特点完全纯净的、结构完整的半导体晶体。共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子二、本征半导体的导电机理1、本征激发半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象条件：加热、光照及射线照射+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子载流子二、本征半导体的导电机理2、复合自由电子运动填补空穴两者同时消失的现象+4+4+4+4电子的运动相当于空穴的反向迁移P1=P2二、本征半导体的导电机理3、总结本征激发复合动态平衡注意：半导体有自由电子和空穴两种载流子导电三、本征半导体中载流子的浓度载流子浓度受环境温度影响，计算公式为：自由电子的浓度空穴的浓度N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子。1.1.2杂质半导体在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体一、N型半导体杂质元素V族元素P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。1.1.2杂质半导体在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体二、P型半导体杂质元素Ⅲ族元素1.1.3PN结一、半导体内载流子的运动1、漂移运动（DriftMovement）条件：有电场力作用表现：电子和空穴定向运动结论：产生漂移电流。2、扩散运动条件：浓度差表现：电子和空穴定向运动结论：产生扩散电流。在P型半导体和N型半导体的交界处形成的空间电荷区空间电荷区也称作“耗尽区”

“势垒区”

二、PN结的形成浓度差引起载流子扩散扩散形成自建电场在P型半导体和N型半导体的交界处形成的空间电荷区二、PN结的形成自建电场阻止扩散，加强漂移。扩散=漂移动态平衡PN结形成扩散漂移1、PN结正向偏置三、PN结的单向导电性P区接高电位，N区接低电位正偏内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。结论：正向导通以电子的运动进行说明2、PN结反向偏置三、PN结的单向导电性P区接低电位，N区接高电位反偏结论：反向截止内电场被被加强，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。四、PN结的电流方程玻耳兹曼常数k=1.38×10-23J/K电子电荷量q=1.6×10-19C外加电压取时反向饱和电流PN结的伏安特性曲线对应表:五、PN结的伏安特性正向特性反向特性

注意：击穿需要避免但并不意味着PN结烧坏。特殊情况PN结的反向击穿反向电压超过某一数值时，反向电流急剧增加齐纳击穿雪崩击穿高掺杂情况低掺杂情况五、PN结的伏安特性势垒电容Cb势垒电容：耗尽层宽窄变化所等效的电容。具有非线性，与结面积、耗尽层宽度、半导体的介电常数及外加电压有关。扩散电容：载流子浓度差所等效的电容。为了形成正向电流，注入P区的少子在P

区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。P+-N六、PN结的电容效应扩散电容Cd请问：以下知识点你掌握了吗？1.本征半导体的载流子有几种？分别为？2.掺杂半导体的种类？3.载流子在外力作用下有几种运动？4.PN结是如何形成的？5.PN结有什么重要特性？返回本章首页PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型1.2半导体二极管1.2.1基本结构PN二极管的电路符号：UI死区电压硅管0.5V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR1.2.2伏安特性1、正向特性死区电压：硅管0.5V锗管0.1V线性区：硅管0.6V～1V锗管0.2V～0.5V对温度变化敏感：温度升高→正向特性曲线左移温度每升高1℃→正向压降减小约2mV。UI导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。2、反向特性反向电流：很小。硅管0.1微安锗管几十个微安受温度影响大：温度每升高10℃→反向电流增加约1倍。3、反向击穿特性反向击穿UBR:几十伏以上。UI反向击穿电压UBR1.最大整流电流

IF2.反向击穿电压UBR1.2.3主要参数3.反向电流

IR4.最高工作频率5.微变电阻5.微变电阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流1.2.4应用举例

ui

π2π3π4πtwo

uo（io）

π2π3π4πtwo

iD

π2π3π4πtwo

iD1iD3

iD2iD4

uo+_u+_RLD4D2

D1D3ioAB二极管的应用举例2：二极管全波整流二极管的应用举例3：限幅电路：如下图，设vi(t)=3sinωt+-1.2.5稳压二极管专门工作于反向击穿状态的二极管→稳压管UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。UZUIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。1.2.5稳压二极管（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗1、稳压二极管的参数:（1）稳定电压

UZ（2）电压温度系数U（%/℃）(3)动态电阻：rz越小，稳压性能越好。2、稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL已知:负载电阻。要求当输入电压由正常值发20%波动时，负载电压基本不变。求：电阻R和输入电压ui的正常值。解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。——方程1uoiZDZRiLiuiRL令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：1、光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加1.2.6其他类型的二极管2、发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。请问：以下知识点你掌握了吗？1.二极管的死区电压是多少？导通电压呢？2.理想二极管可以如何等效？3.二极管应用在那些方面？4.稳压二极管利用了PN结的什么特性？5.稳压二极管使用时应注意哪些问题？6.发光二极管有什么特性？光电二极管呢？返回本章首页集电结发射结NPN型CPNNEB发射区集电区基区基极发射极集电极BETCNPN1.3双极型晶体管1.3.1结构及类型PNP型NPPEB基区发射结集电结集电区发射区集电极C发射极基极BETCPNP三极管在结构上的特点：(1)掺杂浓度：发射区>>集电区>>基区；(2)基区必须很薄。(3)集电结面积大于发射结面积公共端晶体管具有电流放大作用的外部条件：发射结正向偏置集电结反向偏置共发射极放大电路IEIBRBUBBICUCC输入电路输出电路RCBCE1.3.2晶体管的电流放大作用1、晶体管内部载流子的运动IBICIEVBBRBVCCRCNPN发射区向基区扩散电子电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IE电子在基区的扩散与复合集电区收集电子电子流向电源正极形成ICEB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IB由上所述可知:1由于基区很薄且掺杂浓度小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。即：IC>>IB或△IC>>△IB

当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的微小变化时，必定使IC发生较大的变化。即三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用。复合与扩散到集电区的电子数目满足统计学规律直流放大倍数交流放大倍数两者之间的关系2、晶体管的共射电流放大系数1.输入特性曲线IB

=f(UBE)UCE=常数UCE≥1VUBE/VIB/µAO材料不同，死区电压不同1.3.3晶体管的共射特性曲线IEIBRBUBBICUCC输入电路输出电路RCBCEO2.输出特性曲线IC

=g

(UCE)|IB=

常数IB

减小IB增加UCEICIB

=20µAIB

=60µAIB

=40µAIEIBRBUBBICUCC输入电路输出电路RCBCEOUCEICIB

=20µAIB

=60µAIB

=40µA截止区放大区饱和区

3.主要参数集电极基极间反向饱和电流ICBO集电极发射极间穿透电流ICEOICEO=(1+β)ICBO交流电流放大系数β=△IC/△IB直流电流放大系数β=IC/IB

电流放大系数极间反向饱和电流µAICBOCEBICEOCBEµA集电极最大允许电流ICM集-射反向击穿电压U(BR)CEO集电极最大允许耗散功率PCM过压区过流区安全工作区过损区PCM=ICUCEUCE/VU(BR)CEOIC/mAICMO使用时不允许超过这些极限参数.

极限参数温度每升高10oC，ICBO增加约一倍4.温度对晶体管特性及参数的影响21TICBO增大T输入特性曲线左移3T输出特性曲线上移且β增大

请问：以下知识点你掌握了吗？1.晶体三极管有几个区？几个极？几种类型？2.三极管的内部特性？放大的外部特性？3.如何判断三极管工作在哪个区？4.晶体三极管的重要参数有几个？分别为？返回本章首页1.4场效应管场效应管的特点电压控制元件体积小、重量轻、耗电少、寿命长输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单、便于集成213场效应管的分类结型绝缘栅型N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道1.4.1结型场效应管栅极源极漏极1.结构特点

P沟道结型场效应管2.工作原理

UGS＜0使沟道变窄UDS>0使漏极电流增强两者平衡使电流稳定

3.特性曲线

(1)输出特性曲线输出特性曲线用来描述UGS取一定值时，电流iD和电压UDS间的关系，即它反映了漏-源电压UDS对iD的影响。（2）转移特性曲线它反映了栅-源电压UGS对iD的控制作用。

(3).低频跨导gmMOS管一、N沟道增强型MOS管的结构

1.4.2金属-氧化物-半导体场效应管

N沟道增强型MOS管的工作原理1．uGS对iD及沟道的控制作用

uGS对iD及沟道的控制作用

2．uDS对iD的影响

二、N沟道增强型MOS管的特性曲线、