半导体器件原理简明教程

半导体器件原理简明教程本文主要介绍半导体器件、二极管、三极管以及场效应管，并阐述有关基本概念及分析方法。内容包括：半导体基础学问、半导体二极管及二极管的应用、稳压二极管及其稳压电路，半导体三极管与场效应管的结构分类、特性曲线等。一、半导体基础学问

自然界的物质，根据导电力量的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三类。半导体的导电力量介于导体和绝缘体之间。通过肯定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。完全纯洁的、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。自由电子在运动中与空穴相遇就会填补空穴，使二者同时消逝，这种现象称为复合。肯定温度下，本征激发产生的自由电子和空穴对，与复合的自由电子和空穴对数目相等，达到动态平衡。

在本征半导体中掺入杂质，可以形成N型半导体和P型半导体。在N型半导体中，自由电子的浓度远大于空穴的浓度，因此自由电子称为多数载流子（简称多子），而其中空穴称为少数载流子（简称少子）。N型半导体主要靠自由电子导电，掺入的杂质越多，自由电子的浓度就越高，导电性能也就越强。在P型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，因此空穴称为多数载流子（简称多子），而其中自由电子称为少数载流子（简称少子）。P型半导体主要靠空穴导电，掺入的杂质越多，空穴的浓度就越高，导电性能也就越强。对于杂质半导体来说，无论是N型还是P型半导体，从总体上看，仍旧保持着电中性。

在PN结中进行着两种载流子的运动：多数载流子的集中运动和少数载流子的漂移运动。在无外电场和其他激发作用下，多子的集中运动和少子的漂移运动达到动态平衡。

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。PN加正向电压是导通，加反向电压是截止。因此PN结具有单向导电性。

二、半导体二极管

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。由P区引出的电极称为阳极，由N区引出的电极称为阴极。从制造材料上分，二极管可分为硅二极管和锗二极管，按结构分，二极管可分为点接触型、面接触型和平面型三大类。硅管的导通电压一般为0.7V，硅管的导通电压一般为0.3V。在题目有没有说明管子的类型时，一般假设为硅管。

当加二极管上的正向电压较小时，正向电流小，几乎等于零。只有当二极管两端电压超过某一数值Uon时，正向电流才明显增大。将Uon称为死区电压。死区电压与二极管的材料有关。一般硅二极管的死区电压为0.5V左右，锗二极管的死区电压为0.1V左右。

当二极管加反向电压，反向电流很小，而且反向电流不再随着反向电压而增大，即达到了饱和，这个电流称为反向饱和电流，用符号IS表示。

二极管具有单向导电性，加正向电压时处导通状态，加反向电压时处截止状态。利用其单向导性可构成和各种整流电路，把沟通电压变成脉动的直流电压。

温度上升，正向特性左移，反向特性下移；室温四周，温度每上升1℃；正向压降削减2—2.5mV；室温四周，温度每上升10℃，反向电流增大一倍。

三、稳压二极管

稳压二极管工作在反向击穿区时具有稳压特性，当工作电流在稳定电流IZ与最大额定电流IZM之间时，它的端电压为稳定电压UZ。

由限流电阻和稳压管可构成稳压电路。当电网波动或负载变化时，利用稳压管的电流调整作用，通过限流电阻R上电压的补偿，达到稳定输出电压的目的。稳压电路的输出电压就是稳压管的稳定电压，因此不行调且输出电流小。

四、半导体三极管

双极型晶体管（BJT）又称半导体三极管、晶体三极管等，简称晶体管。晶体管的基本结构是由两个PN结构成，按PN结的组成方式分为NPN型和PNP型两种，无论NPN还是PNP都有三个区：集电区、基区、放射区。由三个区引现的电极分别称为集电极、基极、放射极。两个PN结分别称为放射结和集电结。

晶体管的结构特点：放射区的掺杂浓度最高；集电区掺杂浓度低于放射区，且面积大；基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。

输入特性曲线有一个开启电压。硅管的开启电压为0.5V，放射结的导通电压UON为0.6~0.7V；锗管的开启电压为0.2V，放射结的导通电压UON为0.2~0.3V；

晶体管有三个工作区域：截止区、放大区和饱和区。当放射结正向偏置，集电结处于反向偏置时，它工作在放大区。这时，IC只受IB掌握，IC=βIB几乎与UCE的大小无关。说明晶体管相当于一个输出电流IC受IB掌握的受控电流源。所以晶体管是电流掌握器件。三极管工作在放大区时，三个电极之间的关系为：对于NPN型，VCVBVE；对于PNP型，VCVBVE；

放射结正向偏置、集电结正向偏置时，三极管工作在饱和区。此时IB再增大，IC几乎就不再增大了，晶体管失去了电流放大作用。三极管工作在饱和区时，三个电极之间的关系为：对于NPN型，VBVCVE；对于PNP型，VBVCVE

放射结反向偏置、集电结反向偏置时，三极管工作在饱和区。三极管工作在截止区时，三个电极之间的关系为：对于NPN型，VBVE；对于PNP型，VBVE；

晶体管的β随温度的上升将增大，温度每上升1℃，β值增大0.5%~1%，其结果是在相同的IB状况下，集电极电流IC随温度上升而增大。

ICEO是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，所以温度对硅管的ICEO影响不大。

和二极管的正向特性一样，温度上升1℃，UCE将下降2~2.5mV。

五、场效应管

场效应晶体管（Field-EffectTransistor,FET）是利用输入回路的电场效应来掌握输出回路电流的一种半导体器件。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。场效应管按结构，可分为结型和绝缘栅型两大类。绝缘栅型场效应晶体管的栅极与源极、栅极与漏极之间均采纳SiO2绝缘层隔离，故有绝缘栅型之称。或者按其金属-氧化物-半导体的材料构成，可称其为MOS管。

场效应晶体管输出特性曲线分成四个区域：可变电阻区、恒流区、击穿区、截止区。

MOSFET与BJT都是半导体晶体管，MOSFET的源极、漏极、栅极分别相当于BJT的放射极、集电极、基极。BJT的集电极电流IC受基极电流IB的掌握，是一种电流掌握器件；而MOSFET的漏极电流ID受栅-源电压UGS的掌握，是一种电压掌握元件。但与BJT相比，MOSFET具有输入电阻大、噪声低、热稳定性好、抗辐射力量强、耗电少等优点。这些优点使之从20世纪末60年月一诞生就