《电工电子技术》课件-第六章 半导体

01半导体的独特性能本征半导体与杂质半导体021.半导体的基本知识多参数组合的正弦交流电路物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体3类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝等金属都是良好的导体，；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质称为绝缘体，；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。自然界中属于半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅(Si)、锗(Ge)等。01半导体的独特性能（1）通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率。例如，室温30°C时，在纯净锗中掺入一亿分之一的杂质（称掺杂），其电导率会增加几百倍。（2）温度可明显地改变半导体的电导率。利用这种热敏效应可制成热敏器件，但另一方面，热敏效应使半导体的热稳定性下降。因此，在半导体构成的电路中常采用温度补偿及稳定参数等措施。（3）光照不仅可改变半导体的电导率，还可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器和光电池等。光电池已在空间技术中得到广泛的应用，为人类利用太阳能提供了广阔的前景。由此可以看出：半导体不仅仅是电导率与导体有所不同，而且具备上述特有的性能，正是利用这些特性，使今天的半导体器件取得了举世瞩目的发展。半导体之所以得到广泛的应用，是因为它具有以下特性。多参数组合的正弦交流电路02本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体天然的硅和锗提纯后形成单晶体，称为本征半导体

这是硅和锗构成的共价键结构示意图晶体结构中的共价键具有很强的结合力，在热力学零度和没有外界能量激发时，价电子没有能力挣脱共价键束缚，这时晶体中几乎没有自由电子，因此不能导电一般情况下，本征半导体中的载流子浓度很小，其导电能力较弱，且受温度影响很大，不稳定，因此其用途还是很有限的。硅和锗的简化原子模型。本征半导体与杂质半导体当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子因热激发而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为自由电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴”。共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填补，再出现空穴，如右图所示。

显然在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的电子电流，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由电子）递补空穴形成的空穴电流。在半导体中同时存在自由电子和空穴两种载流子参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有本质上的区别。本征半导体中产生电子—空穴对的现象称为本征激发。空穴自由电子多参数组合的正弦交流电路半导体的独特性能本征半导体与杂质半导体小

结01杂质半导体PN结示意图02

2.PN结杂质半导体相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少，因此导电能力仍然很低。在如果在其中掺入微量的杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们把这些掺入杂质的半导体称为杂质半导体。杂质半导体可以分为N型和P型两大类。01杂质半导体N型半导体在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷等五价元素，杂质原子就替代了共价键中某些硅原子的位置，杂质原子的四个价电子与周围的硅原子结成共价键，剩下的一个价电子处在共价键之外，很容易挣脱杂质原子的束缚被激发成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构中，不能移动，所以它不参与导电。

杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子，因此与本征激发不同，它不会产生空穴。由于多余的电子是杂质原子提供的，故将杂质原子称为施主原子。掺入五价元素的杂质半导体，其自由电子的浓度远远大于空穴的浓度，因此称为电子型半导体，也叫做N型半导体。在N型半导体中，自由电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）；不能移动的离子带正电。杂质半导体P型半导体在硅（或锗）晶体中掺入微量的三价元素杂质硼（或其他），硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子得电子而成为不能移动的负离子；而原来的硅原子共价键则因缺少一个电子，出现一个空穴。于是半导体中的空穴数目大量增加。空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子。掺入三价元素的杂质半导体，其空穴的浓度远远大于自由电子的浓度，因此称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。在P型半导体中，由于杂质原子可以接收一个价电子而成为不能移动的负离子，故称为受主原子。不论是N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。杂质半导体02PN结示意图PN结

P型和N型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在N型或P型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为P型或N型半导体，在P型和N型半导体的交界面就会形成PN结。正负空间电荷在交界面两侧形成一个由N区指向P区的电场，称为内电场，它对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。同时，内电场对少数载流子起推动作用，把少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。PN结PN结是构成各种半导体器件的基础。左图所示的是一块晶片，两边分别形成P型和N型半导体。为便于理解，图中P区仅画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的三价杂质负离子，N区仅画出自由电子（多数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向N区扩散，自由电子要从浓度高的N区向P区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区域，这就是PN结，又叫耗尽层。

PN结少子漂移

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

促使阻止多参数组合的正弦交流电路杂质半导体PN结示意图小

结01二极管的结构和类型二极管的伏安特性023.半导体二极管01二极管的结构和类型一个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，接在P型半导体一侧的引出线称为阳极；接在N型半导体一侧的引出线称为阴极。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，因而结电容小，适用于高频几百兆赫兹下工作，但不能通过很大的电流。主要应用于小电流的整流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等。面接触型二极管PN结面积大，因而能通过较大的电流，但其结电容也小，只适用于较低频率下的整流电路中。二极管的结构和类型参看二极管的实物图02二极管的伏安特性（1）正向特性二极管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。

导通后二极管的正向压降变化不大，硅管约为0.6～0.8V，锗管约为0.2～0.3V。温度上升，死区电压和正向压降均相应降低。（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。二极管的结构和类型二极管的电路图符号如图所示：显然二极管的伏安特性不是直线，因此属于非线性电阻元件。热击穿问题普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般都会造成“热击穿”，热击穿不同于齐纳击穿和雪崩击穿，这两种击穿不会从根本上损坏二极管，而热击穿将使二极管永久性损坏。二极管的主要参数及举例二极管的主要参数1）最大整流电流IDM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2）最高反向工作电压URM：二极管运行时允许承受的最高反向电压。3）反向电流IR：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。二极管的应用举例二极管应用范围很广，主要是利用它的单向导电性，常用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。DTru1RLu2＋UL－

二极管半波整流电路＋u－uDAU＋F二极管钳位电路RuOuiD1D2二极管限幅电路多参数组合的正弦交流电路二极管的结构和类型二极管的伏安特性小

结01稳压管发光、光电二极管024.特殊二极管01稳压管当反向电压加到某一数值时，反向电流剧增，管子进入反向击穿区。图中UZ稳压管的稳定电压值。由图可见，稳压管特性和普通二极管类似，但其反向击穿是可逆的，不会发生“热击穿”，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反向电压基本不随反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。稳压管的稳压作用：电流增量ΔI很大，只会引起很小的电压变化ΔU。曲线愈陡，动态电阻rz=ΔU/ΔI愈小，稳压管的稳压性能愈好。一般地说，

UZ为8V左右的稳压管的动态电阻较小，低于这个电压时，rz随齐纳电压的下降迅速增加，使低压稳压管的稳压性能变差。稳压管的稳定电压UZ，低的为3V，高的可达300V，稳压二极管在工作时的正向压降约为0.6V。稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其实物图、图符号及伏安特性如图所示：稳压管稳压管实物图稳压管图符号I/mA40302010-5-10-15-20（μA）正向00.40.8－12－8－4反向ΔUZΔIZU/V稳压管的主要参数稳定电压UZ：反向击穿后稳定工作的电压。稳定电流IZ：工作电压等于稳定电压时的电流。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耗散功率PZM和最大稳定电流IZM。额定耗散功率PZM是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。IZM是指稳压管允许通过的最大电流。二者关系可写为：

PZM=UZIZM02发光、光电二极管发光、光电二极管发光二极管发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。左图所示为发光二极管的实物图和图符号。发光二极管是一种功率控制器件，常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列式器件；单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源以及光电耦合器中的发光元件等。光电二极管单个发光二极管实物光电二极管也和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。光电二极管的管壳上有一个能射入光线的“窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。利用稳压管的正向压降是不能进行稳压的。因为稳压管的正向特性与普通二极管相同，正向电阻非常小，工作在正向导通区时，正向电压一般为0.6V左右，此电压数值一般变化不大。发光二极管图符号问：利用稳压管的正向压降，是否也可以稳压？多参数组合的正弦交流电路稳压管发光、光电二极管小

结01双极型晶体管的基本结构和类型晶体管的电流分配与放大作用025.双极型三极管03晶体管的特性曲线晶体管的主要参数0401双极型晶体管的基本结构和类型双极型晶体管是由两个背靠背、互有影响的PN结构成的。在工作过程中两种载流子都参与导电，所以全名称为双极结型晶体管。双极结型晶体管有三个引出电极，人们习惯上又称它为晶体三极管或简称晶体管。晶体管的种类很多,按照频率分，有高频管、低频管；按照功率分，有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管等等。但是从它的外形来看，晶体管都有三个电极，常见的晶体管外形如图所示：从晶体管的外形可看出，其共同特征就是具有三个电极，这就是“三极管”简称的来历。双极型晶体管的基本结构和类型由两块N型半导体中间夹着一块P型半导体的管子称为NPN管。还有一种与它成对偶形式的，即两块P型半导体中间夹着一块N型半导体的管子，称为PNP管。晶体管制造工艺上的特点是：发射区是高浓度掺杂区，基区很薄且杂质浓度底，集电结面积大。这样的结构才能保证晶体管具有电流放大作用。双极型晶体管的基本结构和类型基极发射极集电极晶体管有两个结晶体管有三个区晶体管有三个电极02晶体管的电流分配与放大作用晶体管的电流分配与放大作用左图所示为验证三极管电流放大作用的实验电路，这种电路接法称为共射电路。其中，直流电压源UCC应大于UBB，从而使电路满足放大的外部条件：发射结正向偏置，集电极反向偏置。改变可调电阻RB，基极电流IB，集电极电流IC和发射极电流IE都会发生变化，由测量结果可得出以下结论：1.IE

＝IB

＋IC

（符合KCL定律）2.

IC≈βIB，β为管子的流放大系数，用来表征三极管的电流放大能力：3.△IC≈β△IB结论：三极管是一种具有电流放大作用的模拟器件。μAmAmAICIBIEUBBUCCRB3DG6NPN型晶体管电流放大的实验电路RCCEB晶体管电流放大的条件：晶体管内部：

a）发射区杂质浓度>>基区>>集电区；

b）基区很薄。晶体管外部：发射结正偏，集电结反偏。03晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线输入特性曲线（晶体管的输入特性与二极管类似）UCE≥1V，原因是b、e间加正向电压。这时集电极的电位比基极高，集电结为反向偏置，发射区注入基区的电子绝大部分扩散到集电结，只有一小部分与基区中的空穴复合，形成IB。与UCE=0V时相比，在UBE相同的条件下，IB要小的多。从图中可以看出，导通电压约为0.5V。严格地说，当UCE逐渐增加时，IB逐渐减小，曲线逐渐向右移。这是因为UCE增加时，集电结的耗尽层变宽，减小了基区的有效宽度，不利于空穴的复合，所以IB减小。不过UCE超过1V以后再增加，IC增加很少，因为IB的变化量也很小，通常可以忽略UCE变化对IB的影响，认为UCE1V时的曲线都重合在一起。死区电压晶体管的特性曲线输出特性曲线（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iB>0，uBE>0，uCE≤uBE04晶体管的主要参数晶体管的主要参数1、电流放大倍数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：基极开路时、集电极与发射极之间的最大允许电压。为保证晶体管安全工作，一般应取：（3）集电极最大允许功耗PCM

：晶体管的参数不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。多参数组合的正弦交流电路双极型晶体管的基本结构和类型晶体管的电流分配与放大作用小

结晶体管的特性曲线晶体管的主要参数01MOS管的基本结构MOS管的工作原理及注意事项026.单极型三极管单极型三极管单极型三极管只有一种载流子（多数载流子）参与导电而命名之。单极型三极管又是利用电场控制半导体中载流子运动的一种有源器件，因此又称之为场效应管。目前场效应管应用得最多的是以二氧化硅作为绝缘介质的金属—氧化物—半导体绝缘栅型场效应管，这种场效应管简称为CMOS管。与双极型晶体管相比，单极型三极管除了具有双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长等优点外，还具有输入阻抗高、动态范围大、热稳定性能好、抗辐射能力强、制造工艺简单、便于集成等优点。近年来场效应管的发展得非常迅速，很多场合取代了双极型晶体管，特别时大规模集成电路，大都由场效应管构成。01MOS管的基本结构根据场效应管结构和工作原理的不同，一般可分为两大类：结型场效应管和绝缘栅场效应管。MOS管的基本结构结型场效应N沟道管结构图及电路图符号结型场效应P沟道管结构图及电路图符号绝缘栅型场效应管中，目前常用的是以二氧化硅SiO2作为金属铝栅极和半导体之间的绝缘层，简称MOS管。它有N沟道和P沟道两类，而每一类又分增强型和耗尽型两种。所谓增强型就是UGS＝0时，漏源之间没有导电沟道，即使在漏源之间加上一定范围内的电压，也没有漏极电流；反之，在UGS=0时，漏源之间存在有导电沟道的称为耗尽型。MOS管的基本结构左图是N沟道增强型MOS管的结构图：一块杂质浓度较低的P型硅片作为衬底B，在其中扩散两个N+区作为电极，分别称为源极S和漏极D。半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，在漏源极间的绝缘层上再制造一层金属铝，称为栅极G。这就构成了一个N沟道增强型MOS管。显然它的栅极与其它电极间是绝缘的。02MOS管的工作原理及注意事项怎样才能产生导电沟道呢？在G、S间加正电压，即栅极、衬底间加UGS（与源极连在一起），由于二氧化硅绝缘层的存在，故没有电流。但是金属栅极被充电而聚集正电荷。

P型衬底中的多子空穴被正电荷构成的电场排斥向下运动，在表面留下带负电的受主离子，形成耗尽层。随着G、S间正电压的增加，耗尽层加宽。当UGS增大到一定值时，衬底中的少子电子被正电荷吸引到表面，在耗尽层和绝缘层之间形成了一个N型薄层，这个反型层构成了漏源之间的导电沟道，这时的UGS称为开启电压UT。UGS继续增加，衬底表面感应电子增多，导电沟道加宽，但耗尽层的宽度却不再变化。即用UGS的大小可以控制导电沟道的宽度。MOS管的工作原理及注意事项MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)，且N沟道增强型MOS管不存在原始沟道。因此，当UGS=0

时，增强型MOS管的漏源之间相当于有两个背靠背的PN结，所以即使在D、S间加上电压，无论UDD的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，因此场效应管不能导通，ID=0。PＮ＋结

UDD

－＋P型硅衬底PDSGN＋N＋PＮ＋结UGS++++++++耗尽层导电沟道

N沟道增强型MOS管图符号

P沟道增强型MOS管图符号

MOS管的工作原理及注意事项MOS管输出电流受输入电压控制的特性由上述分析可知，N沟道增强型MOS管在UGS＜UT时，导电沟道不能形成，ID=0，这时管子处于截止状态；当UGS=UT时，导电沟道开始形成，此时若在漏源极间加正向电压UDD，就会有漏极电流ID产生，管子开始