C第1章半导体器件1

1.1概述绪1.1.1本征半导体进入1.1.2杂质半导体进入1.1.3PN结及其导电性能进入第一页，共56页。第一页，共56页。

电子技术基础课程是一门技术基础课，它具有很强的理论性和实践性。其任务是学习电子技术的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生分析问题和解决问题的能力，是学习后续课程的基础。电子技术应用非常广泛，下图是电子技术用于自动检测之一例。电动机转速自动检测装置原理框图上图装置由一些基本电路组成，这些基本电路是电子技术基础课程中将要学习的部分单元电路。

第二页，共56页。第二页，共56页。自然界中的各种物质,按导电能力可分为导体、绝缘体、半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

半导体之所以得到广泛的应用，是因为它特殊的导电性能：热敏性、光敏性和杂敏性。

半导体具有特殊的导电特性是由其原子结构形成的。1.1.1本征半导体第三页，共56页。第三页，共56页。相邻原子共用电子对，形成稳定的共价键结构。共价键中的电子不容易挣脱束缚成为自由电子，所以常温下半导体导电性能较差。一、半导体的原子结构和共价键Si284Ge28184第四页，共56页。第四页，共56页。

二、本征激发本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。本征激发——光能和热能会使少量价电子挣脱共价键的束缚而形成自由电子空穴对，这种现象叫做本征激发（热激发）。动画：本征激发（热激发）产生自由电子-空穴对。第五页，共56页。第五页，共56页。温度升高或者光照增强会使自由电子空穴对的数量增多，所以半导体有热敏和光敏特性。电子空穴对——由本征激发产生一个自由电子，就会同时在共价键中留下一个空位（即空穴），所以在本征半导体中自由电子和空穴是成对出现的。第六页，共56页。第六页，共56页。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。空穴的移动实质上是价电子填补空穴的运动，所以把空穴看作正电荷。复合：自由电子和空穴在运动中相遇而消失的过程。动画：空穴的移动第七页，共56页。第七页，共56页。结论:本征半导体的电子空穴成对出现,且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度和光照有关。第八页，共56页。第八页，共56页。

1.1.2杂质半导体

在本征半导体中掺入微量的三价或五价元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。第九页，共56页。第九页，共56页。

1.N型半导体

掺入一个5价元素，就产生一个多余的价电子，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。所以掺入的5价元素越多，自由电子的数量就越多。

在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由掺杂浓度决定；空穴是少数载流子,

由热激发形成（与温度和光照有关）。第十页，共56页。第十页，共56页。

2.P型半导体

因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴，所以掺入的三价元素越多，空穴越多。

在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，

由热激发形成。P型、N型半导体的简化图示第十一页，共56页。第十一页，共56页。1.1.3PN结及其导电性能一、PN结进入二、PN结的单向导电性进入第十二页，共56页。第十二页，共56页。一、PN结在P型和N型半导体结合的交界面附近会形成一个特殊的薄层，称其为PN结。PN结是构成多种半导体器件的基础。PN结内部载流子的运动决定了它特定的性质。动画：PN结的形成第十三页，共56页。第十三页，共56页。

二、

PN结的单向导电性

当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。1.PN结加正向电压时导通PN结加正向电压时的导电情况较低的正向电阻多子运动形成较大的正向电流动画：PN结正向导通第十四页，共56页。第十四页，共56页。2.PN结加反向电压时截止PN结加反向电压时的导电情况很高的反向电阻很小的反向电流

少子运动形成反向电流，称为反向饱和电流，反向电流几乎与所加反向电压的大小无关，而受温度影响很大。

动画：PN结反向截止第十五页，共56页。第十五页，共56页。

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，反向电流很小（约等于0）。由此可以得出结论：PN结具有单向导电特性。第十六页，共56页。第十六页，共56页。1.2半导体二极管

1.2.1二极管的结构、符号和特点进入

1.2.2二极管的伏安特性进入实物图片1.2.3二极管的主要参数进入第十七页，共56页。第十七页，共56页。

1.2.1二极管的结构、符号和特点

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。点接触型

二极管的结构示意图第十八页，共56页。第十八页，共56页。(3)平面型二极管常见于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(4)二极管的代表符号第十九页，共56页。第十九页，共56页。半导体二极管图片第二十页，共56页。第二十页，共56页。1.2.2二极管的伏安特性一、二极管的伏安特性曲线硅二极管2CP10的V-I特性锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性第二十一页，共56页。第二十一页，共56页。（1）正向特性

外加正向电压较小时，PN结仍处于截止状态---死区。锗二极管2AP15的V-I特性正向导通特性

正向电压大于死区电压后，正向电流随着正向电压增大迅速上升---正向导通。

通常正向导通电压变化范围很小，常取硅管0.7V，锗管0.3V。第二十二页，共56页。第二十二页，共56页。外加反向电压不超过击穿电压UBR时，反向电流

很小（约等于0）----反向截止（2）反向特性反向电压大于击穿电压UBR时，反向电流急剧增加---反向击穿，反向击穿时电流在一定范围内变化，电压却变化很小---稳压。锗二极管2AP15的V-I特性反向截止特性反向击穿特性第二十三页，共56页。第二十三页，共56页。二、半导体二极管的开关特性DR5Kuss1、二极管的静态开关特性2）.外加反向电压使二极管截止时，通过管子的电流约等于0，二极管相当于断开的开关。1）.外加正向电压使二极管导通时，管压降约等于0，二极管相当于闭合的开关。第二十四页，共56页。第二十四页，共56页。2、动态开关特性

1）.PN结有电容效应2）.开关时间ussi00treI2I10.1I2ttUIHUIL由于结电容的影响，开关的状态转换需要时间---开关时间。因此，对二极管的最高工作频率有一定的限制。第二十五页，共56页。第二十五页，共56页。

1.2.3二极管的主要参数(1)最大整流电流IFM(2)反向击穿电压U(BR)和最大反向工作电压URM(3)反向电流IR(4)正向压降UF(5)极间电容CB(6)最高工作频率fM半导体器件命名方法第二十六页，共56页。第二十六页，共56页。例1.3.5ui=2sin

t(V),求uO，分析二极管的限幅作用。V1V2uiuORui<0.7VV1、V2均截止uO＝uiuO＝0.7Vui0.7VV2导通V１截止ui<

0.7VV1导通V2截止uO＝0.7V思考题:V1、V2支路各串联恒压源，输出波形如何？OtuO/V0.7Otui

/V20.7第二十七页，共56页。第二十七页，共56页。1.3.1三极管的结构、符号和特点1.3晶体三极管1.3.2三极管的电流分配与放大进入1.3.3三极管共射极电路的特性曲线进入1.3.4三极管的主要参数进入第二十八页，共56页。第二十八页，共56页。1.3.1三极管的结构、符号和特点第二十九页，共56页。第二十九页，共56页。—基区—发射区—集电区NPN型ECBPPNEBCECBPNP型1.3.1三极管的结构、符号和特点NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结第三十页，共56页。第三十页，共56页。结构特点：•基区很薄，且掺杂浓度很低；发射区的掺杂浓度最高；集电区面积最大。三极管的分类：三极管的种类很多,按其结构类型分为NPN管和PNP管;按其制作材料分为硅管和锗管;按工作频率分为高频管和低频管;按功率大小分为大功率管和小功率管;按封装形式分为塑封和金属封。

三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。半导体器件命名方法第三十一页，共56页。第三十一页，共56页。1.3.2三极管的电流分配与放大三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子的运动体现出来的。

实现放大的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。第三十二页，共56页。第三十二页，共56页。一、三种基本连接方式

第三十三页，共56页。第三十三页，共56页。二.三极管共射极放大电路的电流分配IE=IB+ICNPN和PNP三极管共射放大电路的直流电源接法

由实验测得△IE=△IC+△IB

三极管的电流分配关系符合节点电流定律三极管内部载流子运动输入回路输出回路RCVCCiBIERB+uBE+uCEVBBCEBiC+++第三十四页，共56页。第三十四页，共56页。三、三极管的电流放大通过实验测得：IC>>IB，很小的输入回路电流（IB）使电路获得了较大的输出回路电流（IC），这是三极管的直流电流放大作用。而△IE=△IC+△IB，其中△IC>>△IB，说明基极很小的电流变化能引起集电极电流较大的变化，这就是三极管的交流电流放大作用。三极管的放大特性是其内部载流子运动的结果。第三十五页，共56页。第三十五页，共56页。(2)当UCE≥1V时，特性曲线右移。(1)当UCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.3.3三极管共射极电路的伏安特性

iB=f(uBE)UCE=常数1.输入特性曲线共射极放大电路输入特性输入回路VCCRCiCiBIERB+uBE+uCEVBBCEB++-VμA第三十六页，共56页。第三十六页，共56页。①死区 ②正向导通区1.输入特性曲线1.3.3三极管共射极电路的特性曲线三极管的输入特性曲线是非线性的，可分为死区和正向导通区，当管子正向导通时，发射结压降变化不大，对于硅管约为0.6~0.8V，对于锗管约为0.2~0.3V。工程上发射结导通时常取UBE为常数：硅管UBE≈0.7V，锗管UBE≈0.2V。第三十七页，共56页。第三十七页，共56页。饱和区：条件：发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。特点：iC随uCE的增加而增加，这时uCE很小，用UCES表示，小功率硅管UCES≈0.3V≈0，三极管相当于开关”闭合”iC=f(uCE)

IB=常数2.输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:1.3.3三极管共射极电路的特性曲线截止区：条件：发射结反偏，集电结反偏。特点：各极电流约等于0，相当于开关“关断”。放大区：条件:发射结正偏，集电结反偏。特点：iC=βiB，iC受iB控制，具有电流放大作用；即iB一定时，iC与uCE几乎无关，具有恒流特性。三极管输出特性测试输出回路RCIEiCVCCiBRB+uBE+uCEVBBCEB+++第三十八页，共56页。第三十八页，共56页。三极管开关特性RbibicRcVcc+-uIuO+-三极管开关电路三极管截止，ib=0,ic≈0,三极管c~e之间如同开关断开。等效电路如图所示。uo=Vcc+-uI＜0.5VRbRcVccuO+-截止状态cbe第三十九页，共56页。第三十九页，共56页。三极管开关特性RbibicRcVcc+-uIuO+-三极管开关电路三极管饱和，饱和压降UCES≤0.3V此时，c~e间相当于开关闭合。等效电路如图所示。

三极管作为开关工作在截止或饱和状态，开关的状态转换是需要时间的。第四十页，共56页。第四十页，共56页。(1)共发射极直流电流放大系数b1.3.4三极管的主要参数1.电流放大系数

如图中b点的约等于b点对应的IC与Ib之比值bUCE一定第四十一页，共56页。第四十一页，共56页。(2)共发射极交流电流放大系数

1.3.4三极管的主要参数1.电流放大系数

约为20---200UCE一定第四十二页，共56页。第四十二页，共56页。ICEO

(2)集电极发射极间的穿透电流ICEO愈小愈好

ICEO=（1+）ICBO

b(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO

愈小愈好2.极间反向电流1.3.4三极管的主要参数第四十三页，共56页。第四十三页，共56页。集电极最大允许电流ICM

Ic超过允许值后首先是β值急速下降(2)集电极最大允许功率损耗PCM

PC=ICUCE

功耗太大会烧坏管子

3.极限参数1.3.4三极管的主要参数

U(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。

反向电压太大会击穿PN结(3)反向击穿电压第四十四页，共56页。第四十四页，共56页。由PCM、ICM和U(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。

输出特性曲线上的过损耗区和击穿区第四十五页，共56页。第四十五页，共56页。

（1）温度对反向电流的影响温度升高，反向电流增大。硅管温度比室温升高约8oC反向电流增大一倍，锗管温度比室温升高约12oC反向电流增大一倍。

（2）温度对β值的影响温度比室温升高1oC则β约增加0.5％～1.0％。（3）温度对发射结导通所需电压UBE（th）的影响温度比室温升高1oC则UBE（th）约下降2～2.5mV。

4.温度对三极管参数的影响半导体三极管的测试和半导体器件命名方法第四十六页，共56页。第四十六页，共56页。1.4绝缘栅场效应管（MOS管）场效应管是单极型三极管，它只有一种载流子（多子）导电，输入阻抗高，温度稳定性好。（耗尽型）N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)分类：第四十七页，共56页。第四十七页，共56页。1.4.1N沟道增强型绝缘栅场效应管结构与符号：漏极DG栅极S源极符号N沟道增强型MOS管结构SiO2绝缘层金属铝P型衬底（掺杂浓度低）N+N+SDGB耗尽层特点：1.单极性器件(一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低2.输入电阻高(1071015，IGFET可高达1015)第四十八页，共56页。第四十八页，共56页。共源极接法iDmAVuDSuGSGSD

较小的栅源电压可以控制较大的漏极电流---MOS管有放大能力。

MOS有晶体三极管一样的功能，可以作放大器件，还可以做开关。动画：增强型NMOS管工作原理第四十九页，共56页。第四十九页，共56页。MOS管的其它类型一、N沟道耗尽型MOS管二、P沟道增强型MOS管三、P沟道耗尽型MOS管uGS=0时，已经存在导电沟道者，为耗尽型MOS管；uGS=0时，没有导电沟道者，为增强型MOS管。＊第五十页，共56页。第五十页，共56页。MOS管符号栅极漏极DGS源极N沟道增强型DGSP沟道增强型DGSN沟道耗尽型DGSP沟道耗尽型第五十一页，共56页。第五十一页，共56页。特点：沟道中只有多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。FET是电压控制电流器件，iD受uGS控制。MOS管输入电阻极高。第五十二页，共56页。第五十二页，共56页。1）绝缘栅型场效应管的栅源两极间绝不允许开路。使用注意事项：2）一般，漏源两极可以交换使用，但有些产品制作时已将衬底和源极在内部连在一起，这时漏源两极不能对换。3）在使用场效应管时，要注意漏源电压UDS