第1章-半导体器件

电子技术基础课件制作人：张立；谢忠玉工作单位：黑龙江工程学院第1章半导体器件1.2半导体二极管1.3特殊二极管1.4半导体三极管1.5场效应管1.1PN结及其单向导电性1.6半导体的开关特性

根据物体导电能力的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge等。半导体的特点：

1）导电性能介于导体和绝缘体之间；

2）受外界光和热刺激时电导率发生很大变化——光敏元件、热敏元件；

3）掺进微量杂质，导电能力显著增加——掺杂性。1.1PN结及其单向导电性载流子——可以自由移动的带电粒子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4T=0K时本征半导体——纯净的、具有晶体结构的半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴本征激发复合在常温下成对出现成对消失本征半导体的载流子空穴移动结论1.本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。3.温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。2.本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。杂质半导体:在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，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。掺入的杂质主要是三价或五价元素。杂质半导体N型半导体P型半导体（三价）（五价）+4+4+4+4+4+4+4+4（1）N型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素,如磷,则形成N型半导体。(电子型半导体)

磷原子+4+5多余价电子自由电子正离子

N型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导中,自由电子是多数载流子,

空穴是少数载流子。+4+4+4+4+4+4+4空穴（2）P型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素,如硼,则形成P型半导体。

(空穴型半导体)

+4+4硼原子填补空位+3负离子

P型半导体结构示意图电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子1.N型半导体中自由电子是多子，其中大部分是掺杂提供的，本征半导体中受激产生的自由电子只占少数。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。2.P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。结论P区N区1.PN结的形成N区的电子向P区扩散并与空穴复合P区的空穴向N区扩散并与电子复合空间电荷区内电场方向二、PN结及其单向导电性多子扩散少子漂移内电场方向空间电荷区P区N区在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。内电场方向E外电场方向RI2.PN结的单向导电性P区N区外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄

扩散运动增强，形成较大的正向电流（1）外加正向电压P区N区内电场方向ER空间电荷区变宽外电场方向IR（2）外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过PN结形成很小的反向电流多数载流子的扩散运动难于进行1.空间电荷区中没有载流子又称耗尽层。2.空间电荷区中内电场阻碍扩散运动的进行。（扩散运动为多子形成的运动）3.少子数量有限，因此由它们形成的电流很小。4.PN结具有单向导电性。

正向偏置：P区加正、N区加负电压多子运动增强，PN结导通

反向偏置：P区加负、N区加正电压少子运动增强，PN结截止结论1.2半导体二极管二极管：一个PN结就是一个二极管。单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源负极时电流可以通过。反之电流不能通过。符号：

二极管按结构分有点接触型、面接触型二大类。(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。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于大电流整流电路。二极管的型号例如：2CK18

序号

（K--开关、W--稳压、Z--

功能整流、P--检波）（A、B--锗）

材料（C、D--硅）

二极管2.伏安特性UI死区电压硅管0.5V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压U(BR)小结：（1）二极管正向电压很小时，有死区。（2）二极管正向导通时管压降基本固定。导通电阻很小。（3）二极管反向截止时，反向电流很小，并几乎不变，称反向饱和电流。（4）反向电压加大到一定程度二极管反向击穿。＋－＋－半导体二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR(3)反向电流IR(4)正向压降VF在室温，规定的反向电压下，最大反向工作电压下的反向电流值。在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。硅二极管约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。二极管连续工作时，允许流过的最大整流电流的平均值。二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。

试求下列电路中的电流。（二极管为硅管）分析、应用举例二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。其中：US=5V，R=1K

解：所示电路中二极管处于导通状态，因此：+-USRI二极管为电流控制型元件，R是限流电阻。例1下图中，已知VA=3V，VB=0V，VDA

、VDB为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。解：VDA优先导通，则VY=3–0.3=2.7VVDA导通后,VDB因反偏而截止,起隔离作用,VDA起钳位作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。VDA

–12VYABVDBR二极管导通后，管子上的管压降基本恒定。例2二极管的应用:画输出电压波形.RRLuiuRuotttuiuRuo例3求VDD=10V时，二极管的电流ID、电压VD

值。解1：正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。反向偏置时：电流为0，电阻为∞。解2：例4VRVmvit0Vi>VR时，二极管导通，vo=vi。Vi<VR时，二极管截止，vo=VR。理想二极管电路中vi=VmsinωtV，求输出波形v0。解：例5利用二极管的单向导电性可作为电子开关vI1vI2二极管工作状态D1D2v00V0V导通导通导通截止截止导通截止截止0V5V5V0V5V5V0V0V0V5V求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。解：例6两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB

=0V电路如左图D1承受电压为－6V流过D2

的电流为求：UABD2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3k

AD2UAB+–－6V0V－12V例7理想二极管电路中vi=VmsinωtV，求输出波形v0。V1vit0VmV2Vi>V1时，D1导通、D2截止，Vo=V1。Vi<V2时，D2导通、D1截止，Vo=V2。V2<Vi<V1时，D1、D2均截止，Vo=Vi。例8二极管限幅电路:已知电路的输入波形为vi,二极管的VD为0.6伏，试画出其输出波形。解：Vi>3.6V时，二极管导通，vo=3.6V。Vi<3.6V时，二极管截止，vo=Vi。例9本课应重点掌握的内容理解PN结的单向导电性；2.了解二极管的基本构造、工作原理;掌握二极管的特性曲线，理解主要参数的意义；3.会分析含有二极管的电路；结束1.3特殊二极管稳压二极管

稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样。

稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻起限流作用，保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。3.主要参数

(1)稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)动态电阻(3)稳定电流IZ、最大稳定电流IZMax、最小稳定电流IZmin

(4)最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加符号发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几-几十mA光电二极管发光二极管频率：高频管、低频管功率：材料：小、中、大功率管硅管、锗管类型：NPN型、PNP型半导体三极管是具有电流放大功能的元件1.3半导体三极管晶体三极管的结构发射结

集电结基极发射极

集电极发射区基区

集电区三极管放大的外部条件BECNNPEBRBECRC发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看：

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

测量晶体管特性的实验线路发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路输入回路输出回路ICEBmA

AVUCEUBERBIBECV++––––++各电极电流关系及电流放大作用

IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）

IC

IB

把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。

实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。发射区向基区扩散电子IEIB电子在基区扩散与复合集电区收集电子

电子流向电源正极形成ICICNPN电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IEEB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IBVCCRCVBBRB三极管内部载流子的运动规律1.三极管的输入特性IB

=f(UBE)UCE=常数三、三极管的特性曲线IB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。NPN型硅管

UBEPNP型锗管

UBE0.2--0.3V（以硅管为例）IB

=40µAIB

=60µAUCE

0IC

IB增加IB

减小IB

=20µAIB=

常数IC

=f

(UCE)2.三极管的输出特性IC

/mAUCE

/V0放大区三极管输出特性上的三个工作区IB=

0µA20µA40µA截止区饱和区60µA80µA1.放大区（工作区）IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A特点：满足IC=IB；IC受IB的控制；IC和UCE无关，呈现恒流特性。称为线性区（放大区）。条件：发射结正偏，集电结反偏。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A特点：此区域中UCEUBE,集电结正偏，IC不再受IB的控制;IB>IC,IC饱和;UCES0.3V称为饱和压降。2.饱和区条件:发射结和集电结均为正偏.IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中特点:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。3.截止区条件:发射结和集电结均为反偏.输出特性三个区域的特点:(1)放大区

IC=IB,且

IC=

IB

，BE结正偏，BC结反偏(2)饱和区

IC达饱和，IC与IB不是倍的关系，

IB>IC

。BE结正偏，BC结正偏，即UCEUBE

（UCE0.3V

，UBE0.7V）

(3)截止区

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO0（ICEO穿透电流，很小，

A

级）

测量三极管三个电极对地电位，试判断三极管的工作状态。

放大截止饱和-+正偏反偏-++-正偏反偏+-放大Vc>Vb>Ve放大Vc<Vb<Ve发射结和集电结均为反偏。发射结和集电结均为正偏。例1：

测得VB=4.5V、VE=3.8V、VC=8V，试判断三极管的工作状态。放大例2：半导体三极管的主要参数1.电流放大系数，

直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成发射极电路时，

表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。注意：

和

的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下，两者数值接近。常用晶体管的

值在20-200之间。在UCE=6V时，在Q1点IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2点IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：

=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1点，有由Q1和Q2点，得例3：2.集-基极反向截止电流ICBO

ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度

ICBO

ICBO

A+–EC3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO

AICEOIB=0+–

ICEO受温度的影响大。温度

ICEO

，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。4.集电极最大允许电流ICM5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO

集电极电流IC上升会导致三极管的

值的下降，当

值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。

当集—射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)

CEO。6.集电极最大允许耗散功耗PCMPCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允许结温约为150C，锗管约为70

90C。ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区由三个极限参数可画出三极管的安全工作区ICUCEO半导体三极管的型号国家标准对半导体三极管的命名如下:3

D

G

110B

第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、

G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管材料器件的种类同种器件型号的序号同一型号中的不同规格三极管本课应重点掌握的内容了解三极管的基本构造、工作原理;2.掌握三极管的特性曲线，理解主要参数的意义；3.掌握判断三极管的状态的方法；结束结型场效应管

场效应晶体三极管是由一种载流子导电的、用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有自由电子导电的N沟道器件和空穴导电的P沟道器件。

按照场效应三极管的结构划分，有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类。

1.结构1.5场效应管2.工作原理

N沟道PN结

N沟道场效应管工作时，在栅极与源极之间加负电压，栅极与沟道之间的PN结为反偏。在漏极、源极之间加一定正电压，使N沟道中的多数载流子(电子)由源极向漏极漂移，形成iD。iD的大小受VGS的控制。P沟道场效应管工作时，极性相反，沟道中的多子为空穴。①栅源电压VGS对iD的控制作用

当VGS＜0时，PN结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄，沟道电阻变大，ID减小；

VGS更负，沟道更窄，ID更小；直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断，ID≈0。这时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP。②漏源电压VDS对iD的影响

在栅源间加电压VGS＞VP，漏源间加电压VDS。则因漏端耗尽层所受的反偏电压为VGD=VGS-VDS，比源端耗尽层所受的反偏电压VGS大,(如:VGS=-2V,VDS=3V,VP=-9V,则漏端耗尽层受反偏电压为-5V，源端耗尽层受反偏电压为-2V),使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，故VDS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP

时，在紧靠漏极处出现预夹断点，

随VDS增大，这种不均匀性越明显。当VDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。由于预夹断区电阻很大，使主要VDS降落在该区，由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都扫至漏极，形成漏极饱和电流。结型场效应管的特性结型场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型MOS绝缘栅场效应管（N沟道）（1）结构PNNGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层金属铝N导电沟道未预留

N沟道增强型预留

N沟道耗尽型PNNGSDN沟道增强型（2）符号N沟道耗尽型GSD栅极漏极源极GSD金属-氧化物-半导体场效应管

绝缘栅型场效应管MetalOxideSemiconductor

——

MOSFET分为：增强型

N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道增强型：没有导电沟道，耗尽型：存在导电沟道，N沟道P沟道增强型N沟道P沟道耗尽型N沟道MOS管的特性曲线IDmAVUDSUGS

实验线路(共源极接法)GSDRDPNNGSDNMOS场效应管转移特性N沟道耗尽型（UGS=0时，有ID）GSD0UGS（off）IDUGS夹断电压UGS有正有负N沟道增强型（UGS=0时，ID=0

）GSDIDUGSUGS（th）开启电压UGS全正UGS=3VUDS（V）ID（mA）01324UGS=4VUGS=5VUGS=2VUGS=1V开启电压UGS（th）=1V固定一个UDS，画出ID和UGS的关系曲线，称为转移特性曲线增强型NMOS场效应管输出特性曲线增强型NMOS场效应管转移特性N沟道增强型（UGS=0时，ID=0

）GSDIDUGSUGS（th）开启电压UGS全正耗尽型NMOS场效应管输出特性曲线UGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V夹断电压UP=-2V固定一个UDS，画出ID和UGS的关系曲线，称为转移特性曲线耗尽型NMOS场效应管转移特性N沟道耗尽型（UGS=0时，有ID）GSD0UGS（off）IDUGS夹断电压UGS有正有负跨导gmUGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V=

ID/

UGS=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V

UGS

ID夹断区可变电阻区恒流区增强型MOS管特性绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型耗尽型MOSFET的特性曲线绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型场效应三极管的参数

1.开启电压VT

开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。

2.夹断电压VP

夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VP时,漏极电流为零。3.饱和漏极电流IDSS

耗尽型场效应三极管,当VGS=0时所对应的漏极电流。4.输入电阻RGS

结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω；绝缘栅型场效应三极管,RGS约是109～1015Ω。

5.低频跨导gm

低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。6.最大漏极功耗PDM

最大漏极功耗可由PDM=VDSID决定，与双极型三极