第1章 半导体器件

第1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半导体二极管的基本应用电路*1.4稳压管1.5其他类型的二极管1.6晶体三极管1.7场效应晶体管1.1半导体基础知识1.1.1本征半导体1.1.2本征激发和两种载流子1.1.3杂质半导体1.1.4PN结自然界的物质，按照导电能力的强弱，可分为导体、半导体和绝缘体三类。1.1.1本征半导体

将纯净的半导体经过一定工艺过程制成的单晶体，即被称为本征半导体。本征半导体中的四价元素是靠共价键结合成分子的，图1.1所示为本征半导体硅和锗晶体的共价键结构平面示意图。图1.1共价键结构平面示意图1.1.2本征激发和两种载流子晶体的共价键具有很强的结合力，在常温下，本征半导体内部仅有极少数的价电子可以在热运动的激发下，挣脱原子核的束缚而成为晶格中的自由电子，与此同时，在共价键中将留下一个带正电的空位子，称为空穴，如图1.2所示。热运动激发所产生的电子和空穴总是成对出现的，称为电子—空穴对。本征半导体因热运动而产生电子—空穴对的现象称为本征激发。图1.2本征激发示意图热运动激发所产生的电子和空穴总是成对出现的，称为电子—空穴对。本征半导体因热运动而产生电子—空穴对的现象称为本征激发。1.1.3杂质半导体半导体的导电能力除了与温度有关外，还与半导体内部所含的杂质有关。由于掺入半导体中的杂质不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体两大类。在本征半导体硅（或锗）中，掺入微量的五价元素，如磷（P），掺入的杂质并不改变本征半导体硅（或锗）的晶体结构，只是半导体晶格点阵中的某些硅（或锗）原子被磷原子所取代。五价元素的四个价电子与硅（或锗）原子组成共价键后，将多余一个价电子。1.N型半导体如图1.3所示，这一多余的电子不受共价键的束缚，只需获得较小的能量，就能挣脱原子核的束缚而成为自由电子。于是，半导体中自由电子的数量增加。自由电子导电成为此类杂质半导体的主要导电方式，故称它为电子型半导体，简称N型半导体。图1.3N型半导体的晶体结构在本征半导体中掺入微量的三价杂质元素，如硼（B），杂质原子取代晶体中某些晶格上的硅（或锗）原子，三价元素的3个价电子与周围4个原子组成共价键时，缺少1个电子而产生了空位，如图1.4所示。空穴的数目远大于自由电子的数目，导电是以空穴载流子为主，故称空穴型半导体，简称P型半导体。2.P型半导体图1.4P型半导体的晶体结构1.1.4PN结1.PN结的形成单个的P型半导体或N型半导体内部虽然有空穴或自由电子，人们利用特殊的掺杂工艺，在一块晶片的两边分别生成如图1.5（a）所示的N型半导体和P型半导体。扩散运动的结果，使P型半导体的原子在交界处得到电子成为带负电的离子，N型半导体的原子在交界处失去电子成为带正电的离子，形成如图1.5（b）所示的空间电荷区。图1.5PN结的形成由于空间电荷区在形成的过程中，移走的是载流子，留下的是不能移动的正、负离子，这种作用与电容器存储电荷的作用相等效，因此，PN结也具有电容的效应，该电容称为PN结的结电容，PN结的结电容有势垒电容和扩散电容两种。处于平衡状态下的PN结没有实用的价值，PN结的实用价值只有在PN结上外加电压时才能显示出来。2.PN结的单向导电性在PN结上外加正向电压时的电路如图1.6所示，处在这种连接方式下的PN结，称为正向偏置（简称正偏）。由图1.6可见，当PN结处在正向偏置时，P型半导体接高电位，N型半导体接低电位。（1）外加正向电压图1.6PN结外加正向电压时导通在PN结上外加反向电压时的电路如图1.7所示，处在这种连接方式下的PN结称为反向偏置（简称反偏）。由图1.7可见，当PN结处在反向偏置时，P型半导体接低电位，N型半导体接高电位。（2）外加反向电压图1.7PN结外加反向电压时截止根据半导体材料的理论可得，加在PN结上的端电压v与流过PN结的电流i之间的关系为令VT=kT/q，VT称为温度电压当量，在T=300K的常温下，温度电压当量VT≈26mV。将温度电压当量的表达式代入式（1-1）中可得3.PN结的电流方程4.PN结的伏—安特性曲线由PN结的电流方程式（1-2）可得，当PN结外加正向电压vVT时，式（1-2）中的指数项远大于1，故i≈ISev／VT，即电流随电压按指数规律变化。根据式（1-2）所作的曲线称为PN结的伏—安特性曲线，如图1.8所示。图1.8PN结的伏安特性曲线1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的几种常见结构1.2.2二极管的伏—安特性1.2.3二极管的主要参数1.2.4二极管极性的简易判别法1.2.5二极管的等效电路将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线后就构成半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极称为二极管的阳极（或正极），由N区引出的电极称为二极管的阴极（或负极），常用二极管的外形如图1.9所示。常见的二极管的结构图和图形符号如图1.10所示，二极管在电路中用VD表示。1.2.1半导体二极管的几种常见结构图1.9二极管外形图图1.10二极管的结构和图形符号用实验的方法，在二极管的阳极和阴极两端加上不同极性和不同数值的电压，同时测量流过二极管的电流值，就可得到二极管的伏—安特性曲线。该曲线是非线性的，如图1.11所示。1.2.2二极管的伏—安特性图1.11二极管伏—安特性曲线当正向电压很低时，正向电流几乎为零，此时二极管呈现高电阻值，基本上还是处在截止的状态。当正向电压超过如图1.11所示的二极管开启电压Von时，二极管才呈现低电阻值，处于正向导通的状态。1.正向特性在分析PN结加上反向电压时，已知少数裁流子的漂移运动形成反向电流。因少数载流子数量少，且在一定温度下数量基本维持不变。因此，反向电压在一定范围内增大时，反向电流极微小且基本保持不变，等于反向饱和电流IS。二极管的特性曲线对温度很敏感。2.反向特性二极管的参数是二极管电性能的指标，是正确选用二极管的依据。1.2.3二极管的主要参数1.最大整流电流IF2.反向工作峰值电压VR3.反向峰值电流ＩR4.最高工作频率fM判别的方法是：利用万用表的R×10挡或R×100挡测量二极管的正、反向电阻。1.2.4二极管极性的简易判别法能够模拟二极管特性的电路称为二极管等效模型。二极管的等效模型主要有伏—安特性折线化和微变等效电路模型两类。二极管的伏—安特性曲线分析计算不方便，在一定的条件下，可以用折线替代曲线，实现二极管伏—安特性曲线的折线化。根据折线化的伏—安特性曲线所模拟的电路称为伏—安特性曲线折线化等效电路，如图1.12所示。1.2.5二极管的等效电路图1.12伏—安特性曲线折线化等效电路图1.12（a）所示的折线化伏—安特性表明二极管导通时的正向压降为零，截止时反向电流为零，称为理想二极管。图1.12（b）所示的折线化伏-安特性表明二极管导通时的正向压降为一个常量Von，对于硅管Von＝0.7V，锗管Von=0.3V，截止时反向电流为零。因而等效电路是理想二极管串联电压源Von。图1.12（c）所示的折线化伏-安特性表明当二极管的正向电压v大于Von后，流过二极管的电流与电压成正比，比例系数为1/rVD，二极管截止时反向电流为零。因而等效电路是理想二极管串联电压源Von和电阻rVD，且rVD=ΔV/ΔI。该模型也称为二极管微变等效电路模型。*1.3半导体二极管的基本应用电路1.3.1二极管整流电路1.3.2桥式整流电路1.3.3倍压整流电路1.3.4限幅电路1.3.5与门电路二极管在电子电路中主要起整流、限幅、开关的作用。1.3.1二极管整流电路利用二极管的单向导电性可以将交流信号变换成单向脉动的信号，这种过程称为整流。最简单的二极管整流电路如图1.13（a）所示。输入、输出电压的波形如图1.13（b）所示。图1.13二极管整流电路及波形图1.3.2桥式整流电路图1.14所示为桥式整流电路。利用高等数学求平均值的方法，可计算输出电压的脉动系数，计算的过程如下：图1.14桥式整流电路及波形1.3.3倍压整流电路利用电容器存储电能的作用，由多个二极管和电容器可以获得几倍于输入电压的输出电压，这种电路称为倍压整流电路，如图1.15所示。图1.15倍压整流电路同理还可组成三倍压、四倍压的整流电路。在图1.16所示的电路中，若输出信号是C1和C3两端电压的和，则输出电压为输入电压的三倍压，组成三倍压整流电路；若输出信号是C2和C4两端电压的和，则输出电压为输入电压的四倍压，组成四倍压整流电路。图1.16三倍压、四倍压整流电路1.3.4限幅电路在电子电路中，为了保护电路不会因电压过高而损坏，需要对输入电压进行限制，利用二极管限幅电路就可实现该目的。二极管限幅电路及波形如图1.17所示。图1.17限幅电路及波形1.3.5与门电路利用二极管通、断的开关特性，可以组成实现与逻辑函数关系的电路，该电路称为与门电路。二极管与门电路如图1.18所示。在规定高电压用1来表示，低电压用0来表示的前提下，上述的关系可表示成表1.1所示的真值表。图1.18与门电路【例1.1】求如图1.19所示电路的输出电压Vab的值。解求Vab的关键点是判断二极管VD1和VD2的通、断状态。二极管VD1和VD2的通、断状态可根据它们的偏置来判断，判断的方法是：先找出电路的最高和最低电位点，观察这些点与二极管正极、负极的连接情况，即可确定二极管的偏置状态。在图1.19所示的电路中，电源的正极接地，所以，接地点是电路的最高电位点；因二极管VD2的负极与电路的最低电位点-6V相接，所以，二极管VD2因正向偏置而导通，二极管VD1因反向偏置而截止，设二极管导通的电压为0.7V，则Vab=-6+0.7=-5.3V图1.19例1.1*1.4稳压管1.4.1稳压管的结构和特性曲线1.4.2稳压管的主要参数1.4.1稳压管的结构和特性曲线稳压管与二极管的外形相似，稳压管的特性曲线如图1.20（a）所示，常用的图符如图1.20（b）所示，稳压管在电路中用VDZ来表示。图1.20稳压管的特性曲线和符号稳压管工作于反向击穿状态，击穿电压从几伏到几十伏，反向电流也比一般的二极管大。能在反向击穿状态下正常工作而不损坏，是稳压管工作的特点，稳压管在电路中正确的连接方法如图1.21所示。图1.21稳压管的连接1.4.2稳压管的主要参数1.稳定电压VZ2.稳定电流ＩZ3.额定功耗PZM4.动态电阻rd5.温度系数α1.5其他类型的二极管1.5.1发光二极管1.5.2光电二极管1.5.1发光二极管发光二极管包括可见光、不可见光、激光等不同的类型，这些二极管除了具有PN结的单向导电性外，还可以将电能转换成光能输出。发光二极管的外形和符号如图1.22所示。图1.22发光二极管和符号1.5.2光电二极管光电二极管是一种远红外线接收管，它可将所接收到的光能转换成电能。PN结型光电二极管充分利用PN结的光敏特性，将接收到光能的变化转换成电流的变化。光电二极管的外形和符号如图1.23所示。图1.23光电二极管1.6晶体三极管1.6.1晶体管的结构及类型1.6.2三极管的电流放大作用1.6.3三极管的共射特性曲线1.6.4三极管的主要参数晶体三极管又称双极型器件（用BJT表示），它的基本组成部分是两个靠得很近的，且背对背排列的PN结。根据排列方式不同，分为PNP型和NPN型两种类型。1.6.1晶体管的结构及类型半导体二极管内部只有一个PN结，若在半导体二极管P型半导体的旁边，再加上一块N型半导体，由图1.24（a）可见，这种结构的器件内部有两个PN结，且N型半导体和P型半导体交错排列形成3个区，分别称为发射区、基区和集电区。晶体三极管通常简称三极管或晶体管，三极管在电路中常用字母VT来表示。图1.24（a）所示三极管的3个区分别由NPN型半导体材料组成，这种结构的三极管称为NPN型三极管，图1.24（b）所示为NPN型三极管的符号，符号中箭头的指向表示发射结处在正向偏置时电流的流向。根据同样的原理，也可以组成PNP型三极管，图1.25所示为PNP型三极管的内部结构和符号。常见三极管的外形如图1.26所示。图1.24NPN型三极管和符号图1.25PNP型三极管和符号图1.26三极管的外形图图1.26（a）和图1.26（b）所示为小功率管，图1.26（ｃ）所示为中功率管，图1.26（d）所示为大功率管。1.三极管内部PN结的结构对模拟信号进行处理最基本的形式是放大。具有电流放大作用的三极管，PN结内部结构的特殊性是：①为了便于发射结发射电子，发射区半导体的掺杂溶度远高于基区半导体的掺杂溶度，且发射结的面积较小；1.6.2三极管的电流放大作用半导体二极管内部只有一个PN结，若在半导体二极管P型半导体的旁边，再加上一块N型半导体，由图1.24（a）可见，这种结构的器件内部有两个PN结，且N型半导体和P型半导体交错排列形成3个区，分别称为发射区、基区和集电区。晶体三极管通常简称三极管或晶体管，三极管在电路中常用字母VT来表示。②发射区和集电区虽为同一性质的掺杂半导体，但发射区的掺杂溶度要高于集电区的掺杂溶度，且集电结的面积要比发射结的面积大，便于收集电子；③联系发射结和集电结两个PN结的基区非常薄，且掺杂溶度也很低。放大器是一个有输入和输出端口的四端网络，要将三极管的3个引脚接成四端网络的电路，必须将三极管的一个脚当公共脚。取发射极当公共脚的放大器称为共发射极放大器，基本共发射极放大器的电路如图1.27所示。图1.27基本共发射极放大电路共发射极电路三极管内部载流子运动情况的示意图如图1.28所示。图1.28中载流子的运动规律可分为以下的几个过程。2.共发射极电路三极管内部载流子的运动情况（1）发射区向基区发射电子的过程（2）电子在基区中的扩散与复合的过程（3）集电结收集电子的过程图1.28载流子运动情况示意图3.三极管的电流分配关系和电流放大系数1.6.3三极管的共射特性曲线三极管的特性曲线是描述三极管各个电极之间电压与电流关系的曲线，它们是三极管内部载流子运动规律在管子外部的表现。三极管共发射极放大电路的特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线，下面以NPN型三极管为例，来讨论三极管共射电路的特性曲线。1.输入特性曲线图1.29输入特性曲线①在输入特性曲线上也有一个开启电压，在开启电压内，vBE虽已大于零，但iB几乎仍为零，只有当vBE的值大于开启电压后，iB的值与二极管一样随vBE的增加按指数规律增大。硅晶体管的开启电压约为0.5V，发射结导通电压Von约为0.6V～0.7V；锗晶体管的开启电压约为0.2V，发射结导通电压约为0.2V～0.3V。②三条曲线分别为VCE=0V，VCE=0.5V和VCE=1V的情况。当VCE=0V时，相当于集电极和发射极短路，即集电结和发射结并联，输入特性曲线和PN结的正向特性曲线相类似。当VCE＝1V，集电结已处在反向偏置，管子工作在放大区，集电极收集基区扩散过来的电子，使在相同vBE值的情况下，流向基极的电流iB减小，输入特性随着VCE的增大而右移。当VCE>1V以后，输入特性几乎与VCE＝1V时的特性曲线重合，这是因为VCC＞1V后，集电极已将发射区发射过来的电子几乎全部收集走，对基区电子与空穴的复合影响不大，iB的改变也不明显。2.输出特性曲线图1.30输出特性曲线ＩB＝0特性曲线以下的区域称为截止区。（1）截止区图1.27所示的三极管放大电路中，集电极接有电阻RC，如果电源电压VCC一定，当集电极电流iC增大时，vCE＝VCC-iCRC将下降，对于硅管，当vCE

降低到小于0.7V时，集电结也进入正向偏置的状态，集电极吸引电子的能力将下降，此时iB再增大，iC几乎就不再增大了，三极管失去了电流放大作用，此时称三极管处于饱和状态。（2）饱和区三极管输出特性曲线饱和区和截止区之间的部分就是放大区。（3）放大区1.6.4三极管的主要参数1.共射电流放大系数

和β集电结反向饱和电流ＩCBO是指发射极开路，集电结加反向电压时测得的集电极电流。常温下，硅管的ＩCBO在NA（10-9）的量级，通常可忽略。2.极间反向饱和电流ＩCBO和ＩCEO3.极限参数（1）集电极最大允许电流ＩCM晶体管的集电极电流ＩC在相当大的范围内β值基本保持不变，但当ＩC的数值大到一定程度时，电流放大系数β值将下降。使β值明显减少的ＩC即为ＩCM。为了使三极管在放大电路中能正常工作，ＩC不应超过ＩCM。三极管工作时，集电极电流在集电结上将产生热量，产生热量所消耗的功率就是集电极的功耗PCM，即PCM＝ＩCVCE（1-14）功耗与三极管的结温有关，结温又与环境温度、管子是否有散热器等条件相关。根据式（1-14），可在输出特性曲线上做出三极管的允许功耗线，如图1.31所示。功耗线的左下方为安全工作区，右上方为过损耗区。（2）集电极最大允许功耗PCM图1.31允许功耗反向击穿电压VBR（CEO）是指基极开路时，加在集电极与发射极之间的最大允许电压。（3）反向击穿电压VBR（CEO）几乎所有的三极管参数都与温度有关，因此不容忽视。温度对下列的三个参数影响最大。（1）对β的影响三极管的β随温度的升高将增大，温度每上升1℃，β值约增大0.5%～1%，其结果是在相同的ＩB情况下，集电极电流ＩC随温度上升而增大。4.温度对三极管参数的影响（2）对反向饱和电流ＩCEO的影响ＩCEO是由少数载流子漂移运动形成的，它与环境温度关系很大，ＩCEO随温度上升会急剧增加。温度上升10℃，ＩCEO将增加一倍。由于硅管的ＩCEO很小，所以，温度对硅管ＩCEO的影响不大。（3）对发射结电压vbe的影响和二极管的正向特性一样，温度上升1℃，vbe将下降2mV～2.5mV。1.7场效应晶体管1.7.1结型场效应管的类型和构造1.7.2绝缘栅型场效应管的类型和构造1.7.3场效应管主要参数由前面的分析可知，三极管的输入阻抗不够高，对信号源的影响较大。为了提高三极管的输入阻抗，发明了利用输入回路电场的效应来控制输出回路电流变化的半导体器件，即场效应管。1.7.1结型场效应管的类型和构造1.结型场效应管的类型和构造结型场效应管有N沟道和P沟道两种类型，N沟道结型场效应管的符号和结构示意图如图1.32所示。根据相同的构造原理也可以制作P沟道结型场效应管，P沟道结型场效应管的符号和结构示意图如图1.33所示。图1.32N沟道结型场效应管图1.33P沟道结型场效应管2.结型场效应管的工作原理图1.34场效应管工作原理图1.35导电沟道的改变3.结型场效应管的特性曲线和电流方程（1）输出特性曲线它也有3个工作区，分别称为可变电阻区、恒流区和夹断区。夹断区位于图中靠近横轴的部分，因该区域的特点是vgs<Vgs（off），导电沟道被夹断，漏极电流id约等于零，该区域的导电沟道呈现夹断不导电的状态