第1章半导体器件义乌工商学院课件

义乌工商学院计算机工程系电子技术第1章半导体器件主要内容：

1.1PN结1.2半导体二极管1.3特殊二极管1.4双极型三极管1.5场效应晶体管目的和要求：1、深刻理解PN结基本特性；2、熟练掌握二极管的结构和特性；3、熟练掌握三极管的结构、类型和特性；4、掌握三极管的特性曲线和主要参数；5、熟练掌握场效应管结构、类型和特性；6、掌握场效应管的特性曲线和主要参数。

1.1PN结半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。1.1.1半导体的导电特征半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。本征半导体:纯净的半导体。如硅、锗单晶体。热激发：热激发产生自由电子和空穴对。1、共价键：每个原子周围有四个相邻的原子，两个相邻原子共用一对电子，形成共价键，将原子之间通过紧密结合在一起。1．几个概念共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子2、载流子：在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。3、自由电子、空穴：在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子

有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为复合。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。2．空穴的运动

（1）N型半导体

在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。3.杂质半导体——在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强+4+4+5+4多余电子磷原子自由电子多数载流子（简称多子）空穴

少数载流子（简称少子）N型半导体中的载流子（2）P型半导体

在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。空穴多数载流子（简称多子）自由电子

少数载流子（简称少子）+4+4+3+4空穴硼原子2、P型半导体注意：1、无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。2、掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。3、少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。总结2.N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。3.P型半导体中空穴是多子，电子是少子。1.本征半导体中受激产生的电子很少。1.1.2PN结及其单向导电性1．PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。漂移运动：载流子在电场作用下的定向运动。扩散运动：在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动。

P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结

多子扩散

形成空间电荷区产生内电场

促使

少子漂移阻止①外加正向电压（也叫正向偏置）外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。2．PN结的单向导电性(1)

加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区。外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF（导通）

外电场的方向与内电场方向相反。

正向电流2．PN结的单向导电性(2)

加反向电压——电源正极接N区，负极接P区。

外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IR（截止）PN反向饱和电流结论1、PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；2、PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。3、PN结具有单向导电性。1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构结构

一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。

点接触型二极管PN结面积很小，结电容很小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。面接触型二极管PN结面积大，结电容也小，多用在低频整流电路中。引线外壳线触丝线基片PN结1.2.2半导体二极管的伏安特性（1）正向特性

外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态。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。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。导通电压:UD(on)=(0.6

0.8)V―――硅管0.7V(0.1

0.3)V―――锗管0.2V（2）反向特性

外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向电流

很小。反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。（3）反向击穿类型电击穿—PN结未损坏，断电即恢复。热击穿—PN结烧毁。（1）最大整流电流IOM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压UB：指管子反向击穿时的电压值。（3）最大反向工作电压UDRM：二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为UB的一半）。（4）最大反向电流IRM：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。（5）最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容的大小。1.2.3半导体二极管的主要参数

影响工作频率的原因：主要取决于PN结结电容的大小。

1.低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。二极管的恒压降模型：

理想二极管：正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。【例1】硅二极管，R=2k

，分别用二极管理想模型和恒压降模型求出

VDD=2V和VDD=10V时IO和UO的值。[解]：VDD=2V理想UO=VDD=2VIO=VDD/R=2/2=1(mA)恒压降UO=VDD–UD(on)=2

0.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2=0.65(mA)VDD=10V理想IO=VDD/R=10/2=5(mA)恒压降UO=100.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)【结论】VDD大，采用理想模型；VDD小，采用恒压降模型。例2二极管构成“门”电路，设V1、V2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时，求输出电压UO的值。【课堂练习】习题1-1（a）、1-2(a)

1.3特殊二极管稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。1.3.1稳压管

（1）稳定电压UZ：反向击穿后稳定工作的电压。

（2）稳定电流IZ：工作电压等于稳定电压时的电流。

（3）动态电阻rZ：稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比。即：rZ=ΔUZ/ΔIZ

（4）额定功率PZ和最大稳定电流IZM：额定功率PZ是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是：PZ=UZIZM稳压管的主要参数：uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。——方程1要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。求：电阻R和输入电压ui的正常值。稳压二极管的应用举例令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：1.3.2发光二极管

当发光二极管的PN结加上正向电压时，电子与空穴复合过程以光的形式放出能量。不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低（1.5～3V）、反应快、体积小、可靠性高、寿命长等特点，是一种很有用的半导体器件，常用于信号指示、数字和字符显示。光电二极管的又称为光敏二极管，反向偏置时光照导通。反向电流随光照强度的增加而上升。1.3.3光电二极管IU照度增加1.4双极型三极管1.4.1

三极管的结构、类型及符号

半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称为双极型晶体管，简称晶体管或三极管。

两个PN结，把半导体分成三个区域。这三个区域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三极管有两种类型：NPN型和PNP型。NPN型PNP型箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向三极管的分类：按材料分：硅管、锗管按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管按功率分：小功率管<500mW中功率管0.5

1W大功率管>1W1.4.2电流分配和电流放大作用（1）产生放大作用的条件内部：a）发射区杂质浓度>>基区>>集电区b）基区很薄外部：发射结正偏，集电结反偏（2）三极管内部载流子的传输过程a）发射区向基区注入电子，形成发射极电流iEb）电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流iBc）集电区收集扩散过来的电子，形成集电极电流iC（3）电流分配关系：iE=iC+iB

实验表明IC比IB大数十至数百倍，因而有IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。1.4.3三极管的特性曲线1．输入特性曲线与二极管类似2．输出特性曲线（1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置（2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置

（3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置1.4.4三极管的主要参数1、电流放大系数β：iC=βiB2、极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO=（1+β）iCBO3、极限参数（1）集电极最大允许电流ICM：下降到额定值的2/3时所允许的最大集电极电流。（2）反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压。（3）集电极最大允许功耗PCM。

例已知:ICM=20mA,PCM=100mW，U(BR)CEO=20V，当UCE=10V时，则IC<10mA当UCE=1V时，则IC<20mA当IC=2mA时，则UCE<20V

1.5场效应晶体管1.5.1绝缘栅型场效应管的结构DSG衬底DSG衬底N沟道绝缘栅型场效应管的结构N沟道耗尽型场效应管的符号N沟道增强型场效应管的符号DSG衬底DSG衬底P沟道绝缘栅型场效应管的结构P沟道耗尽型场效应管的符号P沟道增强型场效应管的符号耗尽型：UGS=0时漏、源极之间已经存在原始导电沟道。增强型：UGS=0时漏、源极之间才能形成导电沟道。无论是N沟道MOS管还是P沟道MOS管，都只有一种载流子导电，均为单极型电压控制器件。MOS管的栅极电流几乎为零，输入电阻RGS很高。1.5.2

绝缘栅型场效应管的工作原理与特性曲线1、N沟道耗尽型场效应管的特性曲线

UGS=0时：耗尽型场效应管存在原始导电沟道，漏、源极之间就可以导电。这时在外加电压UDS作用下的漏极电流称为漏极饱和电流IDSS。UGS>0时：沟道内感应出的负电荷增多，沟道加宽，沟道电阻减小，ID增大。UGS<0时：会在沟道内产生出正电荷与原始负电荷复合，沟道变窄，沟道电阻增大，ID减小。UGS达到一定负值时，沟道内载流子全部复合耗尽，沟道被夹断，ID=0，这时的UGS称为夹断电压UGS(off)。2、N沟道增强型场效应管的特性曲线

UGS=0时：增强型场效应管不存在原始导电沟道，场效应管不能导通，ID=0。

UGS>0时：会产生垂直于衬底表面的电场。P型衬底与绝缘层的界面将感应出负电荷层，UGS增加，负电荷数量增多，积累的负电荷足够多时，两个N+区沟通，形成导电沟道，漏、源极之间有ID出现。在一定的漏、源电压UDS下，使管子由不导通转为导通的临界栅、源电压称为开启电压UGS(th)。

UGS<UGS(th)时，ID=0；

UGS>UGS(th)时，随UGS的增加ID增大。漏极特性曲线的两个区域：在虚线左边的区域：漏、源电压UDS相对较小，漏极电流ID随UDS的增加而增加，输出电阻ro较小，且可以通过改变栅、源电压UGS的大小来改变输出电阻ro的阻值，这一区域称为可变电阻区。在虚线右边的区域：当栅、源电压UGS为常数时，漏极电流ID几乎不随漏、源电压UDS的变化而变化，特性曲线趋于与横轴平行，输出电阻ro很大，在栅、源电压UGS增大时，漏极电流ID随UGS线性增大，这一区域称为放大区。综上所述，场效应管的漏极电流ID受栅、源电压UGS的控制，即ID随UGS的变化而变化，所以场效应管是一种电压控制器件。场效应管栅、源电压UGS对漏极ID控制作用的大小用跨导gm表示：1.5.3绝缘栅型场效应管的主要参数场效应管的主要参数除输入电阻RGS、漏极饱和电流IDSS、夹断电压UGS(off)和开启电压UGS(th)外，还有以下重要参数：（1）跨导gm。gm表示场效应管栅、源电压UGS对漏极ID控制作用的大小，单位是μA/V或mA／V