电工学-第章半导体器件

第8章半导体器件8.4双极型晶体管8.6集成电路8.5场效应管8.1半导体的基础知识8.2半导体二极管8.3特殊二极管8.1半导体的基础知识2导体、半导体、绝缘体。

物质按导电能力划分：

半导体的导电性能：

价电子参与导电、掺杂增强导电能力、热敏特性、光敏特性。一、本征半导体

1.什么是本征半导体

是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。3

完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子4本征半导体的导电机理

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流

(1)自由电子作定向运动电子电流

(2)价电子递补空穴空穴电流注意：

(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；

(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。5二、杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。(1)掺入五价的杂质元素自由电子的浓度空穴的浓度。自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。称这种杂质半导体为N型半导体。(2)掺入三价的杂质元素自由电子的浓度空穴的浓度。空穴为多数载流子。自由电子为少数载流子。称这种杂质半导体为P型半导体。6

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子

在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。

在N

型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。7

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。三、PN结1.PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体

内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。

扩散的结果使空间电荷区变宽。

扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区9＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－

多数载流子的扩散运动与少数载流子的漂移运动达到动态平衡——平衡的PN结。内电场10内电场越强，多数载流子的运动越难以进行。内电场越强，少数载流子的运动越易于进行。

扩散运动：多数载流子由于浓度的差别而形成的运动。

漂移运动：少数载流子由于内电场的作用而形成的运动。2.PN结的特性PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF

内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–12PN结变宽PN结加反向电压（反向偏置）外电场

内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－8.2半导体二极管13一、普通二极管

ＰN阳极阴极(1)按结构分类

点接触型、面接触型。(2)按材料分类硅管、锗管。(3)按用途不同分类普通管、整流管、开关管等。1.基本结构14(a)点接触型(b)面接触型

结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。

结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型

用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。15阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)

点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b)面接触型半导体二极管的结构和符号二极管的结构示意图阴极阳极(

d

)

符号D二、伏安特性硅管0.5V,锗管0.2V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。

外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.7V锗0.3VUI死区电压PN+–PN–+

反向电流在一定电压范围内保持常数。17UD(2)近似特性UI

OUI

O(3)理想特性3.主要参数(1)额定正向平均电流（最大整流电流）IF

(2)正向压降UF(3)最高反向工作电压UR

一般规定为反向击穿电压的1/2或1/3。(4)最大反向电流IRm

18二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。

3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。19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1：

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。D6V12V3kBAUAB+–20两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向电压为－6V流过D2

的电流为求：UAB

在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–21ui>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3：二极管的用途：

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++––228.3特殊二极管1.稳压二极管符号UZIZIZMUZIZ伏安特性

稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻_+UIO23稳压二极管的主要参数(1)稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)电压温度系数ｕ环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3)动态电阻(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(5)最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。

[解](1)Ui＝10V时DZ反向击穿稳压：UO=UZ=5V。

(2)Ui

=3V时DZ反向截止：UO=Ui

=3V。

(3)Ui

=－5V时DZ正向导通：UO=0V。

(4)ui

=10sin

tV时当0＜ui＜5V时，DZ反向截止：UO=Ui

=10sin

tV。当ui＞5V时，DZ反向击穿稳压：如图所示电路，设UZ=

5V，正向压降忽略不计。当直流输入Ui

=10V、3V、－5V时，Uo=？当输入为交流ui

=10sin

tV时，分析uO的波形。RDZ

＋Ui－＋UO－5

tuO/VO23UO=UZ=5V。当ui＜0V时，DZ正向导通：UO=0V。25光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加符号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，正向电压较一般二极管高，电流为几~几十mA光电二极管发光二极管268.4

双极型晶体管1.基本结构NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管27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28二、工作状态条件:发射结正偏,集电结反偏。

发射区发射载流子

→形成电流IE

少部分在基区被复合

→形成IB

大部分被集电区收集

→形成IC

1．放大状态⑴电流的形成NPNB

E

CRCUCCUBBRB晶体管中载流子的运动过程IEICIB29⑵电流的关系

IE=IB+IC

当IB=0时，

直流(静态)电流放大系数

交流(动态)电流放大系数≈ICIBIC－ICEOIBβ

=ICIBβ=

UCE=常数

ICIB≈IC=ICEONPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIB电路图30IB微小的变化，会产生IC很大的变化。IC

=βIB

。0＜UCE＜UCC，

UCE

=UCC－RC

IC

。晶体管相当于通路。⑶特点3131特点：

IB↑,IC基本不变。

IC≈UCC

/RC。

UCE≈0。晶体管相当于短路。条件:发射结正偏,集电结正偏。IB↑,IC

↑UCE=(UCC－RCIC)↓

ICM=UCC/RC2.饱和状态电路图NPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIBCERCUCC饱和状态时的晶体管32特点：

IB=0IC=0UCE=UCC

晶体管相当于开路。3.截止状态条件:发射结反偏,集电结反偏。电路图CERCUCCNPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIB晶体管处于放大状态。

[例]

图示电路，晶体管的=100，求开关S合向a、b、c

时的IB、IC

和UCE，并指出晶体管的工作状态（忽略UBE

）。[解](1)开关S合向a时

UBB1RB15

500×103

IB==A=0.01mAIC=IB

=100×0.01mA=1mA

UCE=UCC－RCIC

=(15－5×103×1×10－3)V=10VUCC=15V

UBB1=5V

UBB2=1.5VRB1=

500kRB2=

50kRC=

5kUBB1SBCERCUCCRB1UBB2RB2abcUCE=0V晶体管处于饱和状态。因为若

IC=IB=100×0.1mA=10mA

UCE=UCC－RCIC

=(15－5×103×10×10－3)V=－35VUCE＜0，这是不可能的，即不可能处于放大状态。UCCRC＞=3mA

UCCRC15

5×103

IC==A=3mA

UBB1SBCERCUCCRB1UBB2RB2abcUBB1RB25

50×103

IB==A=0.1mA

(2)开关S合向b时35

(3)开关S合向c时

IB=0，IC=0，UCE=UCC=15V晶体管处于截止状态。UBB1SBCERCUCCRB1UBB2RB2abc36三、特性曲线1.输入特性

IB=f(UBE)UCE=常数

UCE≥1V25℃UCE≥1V75℃80604020UBE/VIB/AO0.40.8※

硅管：UBE0.7V

锗管：UBE0.3ViC

＋

uCE

－

＋

uBE

－iBBEC输入特性工作方式372.输出特性

IC=f(UCE)∣IB=常数放大区IC/mA4321369UCE/VOIB=020A40A60A80A100A饱和区截止区输出特性iC

＋

uCE

－

＋

uBE

－iBBEC工作方式38

动态电流放大系数

2.穿透电流ICEO3.集电极最大允许电流

ICM4.集电极最大耗散功率

PCM

PC

=UCE×IC5.反向击穿电压U(BR)CEO静态电流放大系数

四、主要参数1.电流放大系数4321369ICUCEO放大区截止区饱和区过损耗区安全工作区U(BR)CEOICMPCM功耗曲线398.5场效应型晶体管一、基本结构SiO2NMOS管PMOS管源极漏极SD铝片栅极

GBP型硅衬底

N+N+BN型硅衬底

P+P+源极栅极漏极SGD40P型硅衬底

N+N+BSGD二、基本类型按导电沟道的不同分为：

N型沟道MOS管—NMOS管

P型沟道MOS管—PMOS管N型硅衬底

P+P+BSGDNMOS管PMOS管导电沟道++++41按导电沟道形成的不同分为：

增强型—简称E型耗尽型—简称D型场效应管的图形符号:GE型

NMOSSDBGE型

PMOSSDBD型

NMOSSDGBD型

PMOSSDGB1.N沟道增强型管的工作原理EGP型硅衬底N+N+GSD+–UGSED+–

由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。

当栅源电压UGS=0时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零。SD三、工作原理EGP型硅衬底N+N+GSD+–UGSED+–

当UGS>0时，P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；N型导电沟道在漏极电源的作用下将产生漏极电流ID，管子导通。当UGS>UGS（th）时，将出现N型导电沟道，将D-S连接起来。UGS愈高，导电沟道愈宽。EGP型硅衬底N+N+GSD+–UGSED+–N型导电沟道当UGS

UGS(th）后，场效应管才形成导电沟道，开始导通，若漏–源之间加上一定的电压UDS，则有漏极电流ID产生。在一定的UDS下漏极电流ID的大小与栅源电压UGS有关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。

在一定的漏–源电压UDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。GSD符号：

如果MOS管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管。N沟道耗尽型管SiO2绝缘层中掺有正离子予埋了N型导电沟道2.N沟道耗尽型管的工作原理

由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在UGS=0时，若漏–源之间加上一定的电压U