第6章半导体器件基础

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电路与模拟电子技术教程（第三版）第六章半导体器件基础

左全生主编PublishingHouseofElectronicsIndustryPublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础本章要点半导体基本知识半导体二极管半导体三极管绝缘栅场PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.1半导体基本知识6.1.1半导体及其特点热敏性光敏性杂敏性6.1.2本征半导体

本征半导体就是纯净(不含杂质)且具有完整晶体结构的半导体。对共有价电子所形成的束缚作用叫做共价键。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础可以参与导电的带电粒子，称为载流子。

图6.1.1硅晶体平面结构示意图

图6.1.2自由电子-空穴对的产生

自由电子和空穴总是相伴而生、成对出现的，称为自由电子-空穴对。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.1.3N型半导体

N型半导体是在本征半导体硅晶体内掺入微量的五价元素磷构成。自由电子数远超过空穴数，以电子导电为主的杂质半导体为电子型半导体(

N型半导体)。

自由电子是多数载流子，简称多子。

空穴是少数载流子，简称少子。在N型半导体中，整个晶体呈电中性。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.1.4P型半导体P型半导体是在本征半导体硅晶体内掺入微量的三价元素硼构成。以空穴导电为主的半导体，称为空穴型半导体(P型半导体)。空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。整个晶体呈电中性。

图6.1.3N型半导体结构示意图

图6.1.4P型半导体结构示意图

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6.2PN结与半导体二极管6.2.1PN结的形成通过掺杂工艺，使一块完整的半导体晶片的一边为P型半导体，另一边为N型半导体，两种半导体的交界处形成一个具有特殊物理性质的带电薄层，称为PN结。交界处两侧，因浓度差作用产生的定向运动称为多子的扩散运动。带异性电荷的薄层，称为空间电荷区，或称为PN结。空间电荷区内部电荷产生一个电场，称为内电场。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础图6.2.1多数载流子的扩散运动图6.2.2空间电荷区

PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.2.2PN结的单向导电性图6.2.3PN结加正向电压图6.2.4PN结加反向电压PN结外加正向电压时(又称正向偏置)，正向电阻较小，正向电流较大，处于导通状态；PN结外加反向电压时(又称反向偏置)，反向电阻很大，反向电流很小，处于截止状态。PN结的这种特性称为单向导电性，它是PN结最重要的特性。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.2.3PN结电容PN结有一定的电容效应。外加电压改变时，空间电荷区的电荷量将随着改变，这些现象都和电容器的作用类似，称之为结电容。

PN结外加电压的变化，电子浓度和N型半导体区的空穴扩散运动变化，这和电容的充、放电作用类似，称为扩散电容。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.2.4二极管的基本结构半导体二极管是将PN结外加封装、引线构成(图6.2.5)。从P区引出的电极称为正极或阳极，从N区引出的电极称为负极或阴极。二极管的电路符号如图6.2.6，表示二极管具有单向导电性。

图6.2.5二极管的结构示意图

图6.2.6二极管的电路符号

二极管的种类：按材料分有硅二极管和锗二极管；按结构分有点接触型和面接触型二极管。

点接触型二极管结面积小，结电容也小，高频性能好，允许通过的电流较小。面接触型二极管结面积较大，结电容也大，可通过较大的电流。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.2.5二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线是流过二极管的电流随外加偏置电压变化的关系曲线，它定量表示了二极管的单向导电性。图6.2.7二极管的伏安特性曲线PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.2.6二极管的参数最大整流电流IVDM，是指二极管长时间使用时所允许通过的最大正向平均电流值。最高反向工作电压URM，是指二极管上允许外加的最大反向电压瞬时值。

最大反向电流IRM，是指在一定的环境温度下，二极管上外加最高反向工作电压时流过的电流，常称为反向饱和电流。

最高工作频率，当二极管的工作频率超过这个数值时，二极管将失去单向导电性。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.2.7特种二极管肖特基二极管变容二极管发光二极管光电二极管光电池稳压二极管PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.3半导体三极管6.3.1半导体三极管的基本结构3个区：发射区、基区、集电区；3个电极：发射极、基极、集电极。发射区与基区间的PN结叫发射结，集电区与基区间的PN结叫集电结。

3个半导体区的不同组合方式，三极管又可分为NPN型和PNP型。图6.3.1NPN型晶体管

图6.3.2PNP型晶体管

PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础三极管的内部结构的特点：基区很薄，一般只有几微米的宽度，而且杂质浓度很低。发射区的杂质浓度远高于基区的杂质浓度，以便于有足够的载流子供“发射”。集电区的面积较大，以利于收集载流子。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.3.2三极管的电流放大原理多数载流子的运动由于发射结正偏，发射区多数载流子越过发射结向基区扩散，形成发射极电流IE。

进入基区的电子，向集电结方向扩散，由于集电结反偏，在内电场作用下，大量漂移到集电区，形成集电极电流IC。

在基区中，扩散到集电区的电子数与复合的电子数的比例决定晶体管的放大能力。复合电子数只占很小的一部分，即IB远小于IC。晶体管的电流放大原理就是用较小的基极电流IB去控制较大的集电极电流IC。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础图6.3.3三极管的电流放大原理示意图

少数载流子的运动发射结两边的少数载流子的漂移运动较弱，不考虑其影响，但由于集电结反偏，其内电场增强，集电结两边的少数载流子的漂移运动增强，所形成的电流用ICBO表示，称为反向饱和电流。晶体管是一种双极型半导体器件。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.3.3晶体管的伏安特性曲线输入特性曲线：UCE为一定值时，基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线。数学表达式：晶体管的输入特性曲线与二极管伏安特性曲线相似，也有一段死区，硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。晶体管正常工作时UBE变化很小，硅管约0.6V～0.8V，锗管约0.2V～0.3V。图6.3.5晶体管的输入特性曲线

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输出特性曲线:指基极电流IB为一定值时，集电极电流IC与集-射极间电压UCE之间的关系曲线。数学表达式：工程上一般把输出特性曲线分为三个区域：截止区：IB=0以下的区域。集电极只有很小的穿透电流ICEO，晶体管可截止。饱和区：IC与IB的关系呈饱和状态。放大区：UCE在1V以上，集电极电流IC基本上不随UCE变化，晶体管具有近似恒流源的特性。晶体管工作于放大区，有电流放大作用，是许多放大电路的核心。晶体管工作于饱和区与载止区，有开关作用，可构成各种脉冲数字开关电路。

晶体管的应用PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.3.4晶体管的主要参数共发射极电流放大系数，用表示：共发射极交流电流放大系数，用表示：温度每升高1℃，

值约增加0.5%～1%

共发射极电流PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础极间反向电流集电极-基极反向饱和电流ICBO是发射极开路时，集电极-基极间的反向电流。它受温度变化的影响特别大。集电极-发射极反向电流ICEO是基极开路（IB=0）时，集电结反偏、发射结正偏时的电流。又称为穿透电流。温度稳定性差是晶体管的一个主要缺点。图6.3.7ICEO与ICBO的关系PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础晶体管的极限参数集电极最大允许电流ICM，集电极电流IC超过一定数值后，电流放大系数显著下降。当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流ICM。集-射极击穿电压U(BR)CEO，它是基极开路时(IB=0)，能加在集-射极之间的最大允许电压。

集电极最大允许耗散功率PCM，集电极消耗的功率可用集电极耗散功率PC=ICUCE表示，根据晶体管工作时允许的集电结最高温度(锗管约为70℃，硅管约为150℃)，定出了集电极最大允许耗散功率PCM，晶体管工作时应满足ICUCE<PCM的条件。晶体管的频率特性参数PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础图6.3.8晶体管的安全工作区

图6.3.9晶体管的频率特性曲线

特种三极管肖特基三极管、

光电三极管、光电耦合管PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.4场效应管场效应管也是一种半导体器件，它利用电场的效应来控制固体材料的导电能力。它的最大优点是具有极高的输入电阻，其噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单。6.4.1N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构和工作原理

UGS=0，P型衬底上不能形成可以导电的沟道。图6.4.1N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础图6.4.2N沟道增强型绝缘栅场效应管的工作原理UGS超过某一临界值以后，形成N型导电沟道。栅极电压UGS愈大，N型沟道愈厚，沟道电阻愈小。在漏、源之间接上电源，如图6.4.2(b)，形成漏极电流ID，管子导通。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.4.2N沟道增强型绝缘栅场效应管的伏安特性和主要参数当漏源电压UDS一定时，漏极电流ID和栅源电压UGS之间的关系曲线，称为转移特性曲线。ID与UGS之间的关系为说明栅源输入电压UGS对漏极输出电流ID的控制特性，如图6.4.3(b)。

图6.4.3N沟道增强型绝缘栅场效应管的伏安特性曲线

PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础当栅源电压一定时，漏极电流ID和漏源电压UDS之间的关系曲线，叫做漏极特性曲线。ID与UDS之间的关系为Ⅰ区，UDS对沟道的影响较小。导电沟道主要受栅源电压的控制。ID基本上与UDS成线性关系。可把该区看作是一个受栅源电压UGS控制的可变电阻区，也称非饱和区。Ⅱ区，当UDS增大到UDS=UGS-UT时，UGD=UT，ID基本不变，趋于饱和，称为饱和区或恒流区。ID的大小仅受UGS的控制。Ⅲ区，UDS进一步增大，在栅、漏和栅、源间都可能击穿，称击穿区。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.4.3MOS管的4种基本类型及其特点图6.4.44种绝缘栅型场效应管的电路符号P沟道MOS管，称为PMOS。N沟道MOS管，称为NMOS。PublishingHouseofElectronicsIndustry第6章半导体器件基础6.4.4使用场效应管的注意事项使用场效应管时，要注意各电极电压的极性不能搞错，要注意各电压、电流、耗散功率等数值不能超过最大允许值。绝缘栅管保存和使用不当时，极易造成管子