第六章半导体器件

本章主要内容6.1半导体的基础知识6.2晶体二极管 6.3晶体三极管 6.4场效应管 第六章半导体器件6.1半导体的基础知识

导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体.常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge）。1、本征半导体（1）化学成分纯净、物质结构完整的半导体称为本征半导体。（2）本征半导体的共价键结构:最外层都有四个价电子;每一个价电子都和邻近原子的价电子组成一对共价键，形成相互束缚的关系。（3）本征半导体具有稳定的状态物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体（4）本征激发:温度或外界光照影响下，价电子得到能量，其中少数获得足够能量的价电子会挣脱共价键的束缚而形成自由电子,这种现象称为本征激发。（5）电子－空穴对:价电子脱离了共价键束缚后，在原共价键中缺少一个应有的电子而留下了“空穴”，形成电子－空穴对.“空穴”因失去电子而形成的，被视为带单位正电荷.（6）复合:带正电荷的空穴，会吸引相邻原子上的价电子来填补(复合)，而在这个价电子的原来地方留下新的空穴。（7）载流子空穴(+)和电子(-)都是带电的粒子，称为载流子.空穴和电子的运动是杂乱无章的,在本征半导体中不构成电流。（8）激发和复合的动态平衡:在外界环境影响下，电子和空穴的激发和复合是同时进行的，并保持动态平衡，使电子－空穴的浓度保持不变。随着温度的升高，本征激发会提高电子－空穴对浓度。2、杂质半导体本征半导体中空穴(+)和电子(-)是等量的而且很少.杂质半导体：在本征半导体中掺入微量的其它(杂质)元素。

掺杂的元素不同，分为P型(杂质)半导体和N(杂质)型半导体。（1）N型半导体在本征半导体锗或硅中掺入五价的磷(P)或锑(Sb)元素，杂质原子代替本征半导体晶格中的某些锗或硅的原子，并提供一个多余价电子，它仅受本身原子核的吸引，只要获得少量的能量就能挣脱原子核的束缚而成为自由电子。五价的杂质元素提供多余的价电子，称此杂质为施主杂质。掺入施主杂质后的半导体中自由电子的浓度远大于空穴，这样的半导体称为N型半导体。N型半导体中自由电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子.

N型半导体简化结构空穴五价的杂质原子由于给出一个价电子后成为带正电荷的离子,它被束缚在半导体晶格中不能移动而不能参与导电。（２）P型半导体在本征半导体锗或硅中掺入三价的元素，如硼、镓、铟等。三价元素的原子代替本征半导体晶格中（锗或硅）的原子。由于三价元素只有三个价电子，使第四对共价键留下“空穴”，邻近原子共价键上的电子只需获得少量的能量就能填补这个空穴，三价的杂质元素的原子能接受电子，故称为受主杂质。掺杂后的半导体中空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，这样的半导体称为P型半导体。负离子多子空穴少子电子Ｐ型半导体简化结构3、PN结的形成及单向导电性（1）PN结的形成:纯净的半导体晶片上，一边掺杂成P型半导体，一边掺成N型半导体,如下图.1)扩散运动:浓度的差异引起载流子的运动称为扩散运动.扩散从P区与N区的交界处开始。空穴扩散到N区与电子复合，在P区留下不能移动的负离子；电子扩散到P区与空穴复合.在N区留下不能移动的正离子。2)空间电荷区:在P区和N区的交界附近形成一个不能移动的正、负离子的空间电荷区称为PN结。3)漂移运动:由正、负离子组成的空间电荷区,其电场是由N区去指向P区，即PN结的内电场。内电场力阻碍多子的扩散，有利于双方少子向对方运动(漂移运动)。漂移运动所形成的电流称为漂移电流。4)动态平衡漂移运动方向与扩散运动方向相反，当漂移运动达到和扩散运动相等时，处于动态平衡状态。(1)PN结正向偏置:如图 P区接电源的正极，N区接电源的负极.外电场消弱了内电场，使PN结变窄，破坏了原动态平衡，多子的扩散大于少子的漂移，外电路可测到一个正向电流I，此时称为PN结导通.PN结呈现为低电阻.2.PN结的单向导电性PN结两端加不同极性的电压，就会有不同的导电特性。(2)PN结反向偏置:如图---P区接电源的负极，N区接电源的正极.

使PN结变宽，破坏了原有的动态平衡，多数载流子的扩散运动受阻。由于少子的数量很少，因此，少子的漂移运动产生的电流很小，可忽略不计，此时称为PN结截止。PN结呈现出高电阻。PN结重要的单向导电性： 正向偏置呈导通状态，正向电阻很小，正向电流很大；反向偏置呈截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。6.2晶体二极管1、基本结构及分类一个PN结上引出两个电极，加上外壳封装,如右图(a)。半导体二极管用图(b)符号表示.加工工艺不同,二极管类型:点接触型二极管、面接触型、二极管平面型2、伏安特性指流过二极管的电流和加在二极管两端电压之间的关系，如下图。1）当正向偏置电压<Uth值:

正向偏置电压不足以克服内电场，流过二极管的电流非常小--死区2）正向偏置电压>Uth值:

流过二极管的电流才随电压的增加而迅速增长—导通区Uth称为二极管的死区(门限)电压。锗管:Uth值约为0-0.2V;硅管:Uth值约为0-0.5V。使二极管上有明显的电流流过，锗管正向电压应取(0.2~0.3)V硅管正向电压应取(0.6~0.7)V，这个电压称为二极管导通电压UD(正向导通压降)。

死区导通区UD（1）正向特性伏安特性曲线（2）反向特性:

1)反向截止状态 : 二极管加反偏置电压时，只有少数载流子的漂移运动产生微小的反向电流，称为反向饱和电流2)反向击穿状态: 当反向电压加大到某一数值时，反向电流将会急剧增加，---称为反向击穿，该反向电压称为反向击穿电压UBR。这时，二极管失去单向导电的特性。伏安特性曲线4、稳压二极管（1）伏安特性及符号:当二极管两端的反向电压加大到一定程时,反向电流急剧增加大---二极管反向击穿特性.在这区间里，反向电流在很大范围内变化，而二极管两端电压基本不变。符号3、主要参数(1)最大整流电流---最大正向平均电流.

(2)最大反向工作电压--二极管加反向电压时不被击穿的极限参数。(3)反向电流---单向导电性能好坏的指标.采用特殊的工艺可制作成稳压二极管，它在电路中能起到稳压的作用。它的反向击穿是可逆的。（2）主要参数1)稳定电压UZ：是稳压二极管正常工作时的稳压值2)稳定电流IZ：正常稳压时的最小工作电流。（3）使用稳压管时应注意的问题1)应工作在反向击穿状态；2)为了不使管子上的电流超过其反向击穿电流，使用时必须串接限流电阻；3)稳压管串联后的稳压值为各个管子的稳压值之和。6.3晶体三极管1、基本结构及符号

通过一定工艺，将两个PN结结合在一起。根据结构的不同，三极管分成两类：NPN型和PNP型，如图所示。三个区两个结三个极晶体三极管又称为双极型三极管（BJT），简称三极管2、电流放大原理三极管(NPN为例)要实现放大的条件:内部条件：基区很薄、发射区载流子浓度远大于基区载流子浓度。外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置锗管正向电压应>(0.2~0.3)V;硅管正向电压应>(0.6~0.8)V，

UCB>0

（1）发射区发射多数载流子形成IE1)发射区中多子—电子向基区扩散形成电流IEN

2)基区中多子—空穴，向发射区扩散形成电流IEP

3)两者的电流方向相同，形成发射极电流IE

IE=IEN+IEP≈IEN

E区掺杂的浓度远高于B区掺杂的浓度.1)少数电子在基区与空穴复合形成复合电流IBN

2)集电结反向偏置，基区和集电区的少子互向对方漂移，形成漂移电流ICBO，称为反向饱和电流。

（2）基极电流IB（3）集电区收集载流子形成集电极电流IC1)从发射区发射过来的大量电子集结在集电结附近，在电场力作用下越过集电结，到达集电区，形成电流ICNIC=ICN+ICB0=IEN-IBN+ICB0(6-2)

IB=IBN+IEP-ICBO≈IBN-ICBO

(6-1)(6-1)+(6-2)得IB+IC

=

IEN+IEP=IE即IE=IB+IC（4）电流放大倍数将IC和IB的关系写成:

称为直流放大倍数，IC比IB的电流大得多同样可写成电流变化量比:称为交流放大倍数

在实际中，两个放大倍数在数值上很接近，常相互替换.

可看出:当IB(ΔIB)有很小的变化时，就会控制IC(ΔIC)的很大变化. 特性曲线可以通过实验方法（如图）或用晶体管图示仪获得。

3.共射输入输出特性曲线

射极是基极回路(输入回路)和集电极回路(输出回路)共有，此电路的接法称为共发射极电路。（1）输入特性曲线: 输入回路的函数关系式：

IB=f(UBE)│UCE=常数

UCE为常数时，基极回路中基极电流IB与UBE的关系曲线.特性曲线相当于二极管的正向伏安特性曲线输入特性曲线（如图）：

IB=f(UBE)│UCE=常数

OUBEIBUCE=0VUCE≥1V当UCE=0，晶体管相当于两个二极管的正向并联，其特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似。当UCE1时，特性曲线的形状并不改变，曲线仅仅右移一段距离。只要UBE不变，无论怎样增大UCE，IB都基本不变，曲线基本重合。因此，通常将UCE=1的特性曲线作为晶体管的输入特性曲线。(2)共射输出特性曲线基极电流IB为常数，集电极回路中IC与集电极、发射极间电压UCE的关系曲线。函数关系式为:

IC=f(UCE)│IB=常数完整的输出特性曲线如右图.OUCE/VIC/mAIB=0IB=20μA截止饱和放大406080100三个工作区域，代表三极管的三个不同的工作状态。(1)截止区：位于输出特性曲线的最下端，IB=0曲线以下区域。 三极管的两个结都处于反向偏置状态，即

UBE<0，UBC<0此时IC=IB=ICBO≈0，三极管不导通(截止)。(2)放大区： 在输出特性曲线区域的中间部分，是由一族近乎水平的直线组成。发射结(UBE>0)正向偏置，集电结(UBC<0)反偏状态。特点：(3)饱和区： 当UCE<0.7时，三极管处在饱和区工作。 三极管的两个结都处于正向偏置状态，即UBE>0，UBC>0 可看出：IC电流不受IB的控制，IC和IB已不符合β的关系。OUCE/VIC/mAIB=0IB=20μA截止饱和放大4060801002)IB一定时，IC基本不随UCE的变化而变化，具有恒流特性。1)三极管导通,电流特点符合IC=βIB的放大关系。（2）极间反向电流1)集－基反向饱和电流ICBO2)集－射穿透电流ICEO

ICBO是发射极开路时，集—基反向饱和电流。通常希望ICBO越小越好。在温度稳定性方面，硅管比锗管好。ICEO是基极开路时，从集电极直接穿透晶体管到达发射极的电流。ICEO越小则其温度的稳定性就越好。4、三极管主要参数选择和使用三极管的重要依据。（1）共射极直流交流放大系数:1）集电极最大允许电流ICM集电极电流IC超过一定值时，值要下降，当降到原来值的2/3时，对应的IC称为ICM。（3）极限参数2）集电极最大允许耗散功率PCM集电极耗散功率的定义为PC=UCEIC三极管在工作时，工作电压UCE主要落在集电结上。IC流过集电结时要产生热量，使结温上升，会引起三极管参数发生变化。 若实际使用功率PC超过PCm，将使管子发热严重而损坏。由U(BR)CEO、PCM、ICM共同确定晶体管的安全工作区，如图所示。3）反向击穿电压集－射极之间电压超过U(BR)CEO时，集电极电流会大幅度上升，此时，晶体管被击穿而损坏。Ｕ(BR)CEO——基极开路时,集电极-发射极间的反向击穿电压。Ｕ(BR)CBO——发射极开路时,集电极-基极间的反向击穿电压。Ｕ(BR)EBO——集电极开路时,发射极-基极间的反向击穿电压,此电压一般较小,仅有几伏左右。6.4场效应管三极管:输入电流控制输出电流---电流控制器件.场效应管:用输入电压控制输出电流---电压控制器件

种类:场效应管(FieldEffectTransistor，简称FET) 按结构和导电机理分成两类: 一类为结型场效应管(unctionFET，简称JFET)； 一类为绝缘栅型场效应管(InsulatedGateFET，简称IGFET)。广泛应用在大规模集成电路中.

5.4.1绝缘栅型场效应管

由金属(Metal)—氧化物(oxide)—半导体(semiconductor)场效应管构成，简称MOS管 种类:分为N沟道和P沟道(NMOS和PMOS)，每种沟道中又有增强型和耗尽型之分，共有四种类型。增强型场效应管:输入端(栅源)电压为零时，管子内部没有导电沟道，场效应管产生电流。耗尽型场效应管:栅源电压为零时，管子内部已经存在了导电沟道，当场效应管加上漏源电压，就有电流存在。

1.绝缘栅型场效应管的结构:以N沟道增强型场效应管结构为例,如图所示。1)低掺杂的P型硅片作为衬底2)上面制成两个相距很近的掺杂浓度很高的N+型区(N+型漏区和N+型源区).3)分别安置两个电极(源极S和漏极D)。4)在两个N+型区之间的硅表面上做一层二氧化硅的氧化膜，再安置一个金属电极(栅极G)。5)衬底B的大部分是和源极S相连，也有单独引出的(B)。特点:(1)栅极G同半导体P是绝缘; 因而栅源之间的电阻(输入电阻)RGS有极高的阻值.(2)在N+型的漏区和N+型的源区之间被P型的衬底所隔开，形成了两个背靠背的PN+结。 在UGS=0时，不管漏极D和源极S之间加上何种极性的电压，这两个背靠背的PN+结，总有一个反向偏置，都不能使漏极D和源极S之间产生电流，即漏极电流ID=0。电路符号如右图所示。场效应管的转移特性曲线

如图连接:

(1)加UGS>0，源极S和P型的衬底相连接.在靠 近绝缘层表面P区一侧感应出负电荷。感 应负电荷随着UGS加大而增多，产生N+型 层---称为反型层。在两个N+型区之间形 成了一条N型的导电沟道. 形成N型导电沟道的栅源电压UGS 称为开启电压UGS(th)。(2)这时如加正电压UDS