第一章 半导体器件1.1 半导体的基本知识1.2 半导体二极管1.3 双极性半导体三极管1.4 场效应管教 学 目 的 1.熟悉数字电路的基本知识； 2. 掌握半导体二极管、三极管的结构及特性； 3. 了解场效应管的结构和特性。教 学 重 点 1. 二极管的伏安特性、主要参数和应用 2. 三极管的放大原理、特性曲线和主要参数本章要求1.1 半导体基本知识半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝 缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓 GaAs等。 半导体有温敏、光敏和掺杂等导电特性。 热敏性： 当环境温度升高时，导电能力显著增强。 （可做成温度敏感元件，如热敏电阻） 光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化。（可 做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光 敏三极管） 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能 力明显改变。（可做成各种不同用途的半导体器件 ， 如二极管、三极管和晶闸管等） 半导体的共价键结构 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构它们的最外层电子（价 电子）都是四个。每个 原子与晶格上相邻的4个原子共享价电子（使最 外层达到最稳定的8个电子状态，从而形成共价 键。 本征半导体 本征半导体化学成分纯净的半导体。物理结 构上呈单晶体形态。 电子空穴对由热激发而 产生的自由电子和空穴对。晶体中原子的排列方式价电子在获得一定能量（温度价电子在获得一定能量（温度 升高或受光照）后，即可挣脱升高或受光照）后，即可挣脱 原子核的束缚，成为原子核的束缚，成为自由电子自由电子 （带负电），同时共价键中留（带负电），同时共价键中留 下一个空位，称为下一个空位，称为空穴空穴（带正（带正 电）。电）。 本征半导体 本征半导体化学成分纯净的半导体。物理结 构上呈单晶体形态。 电子空穴对由热激发而 产生的自由电子和空穴对。晶体中原子的排列方式自由电子空穴价电子 自由电子和空穴成对产生的同 时，又不断复合。在一定温度 下，电子空穴对的产生与复合 达到动态平衡，半导体中电子 空穴对浓度一定。 本征半导体的导电机理 外电压时，半导体中将出现两部分电流 自由电子作定向运动形成电子电流；类似金属导体导 电 相邻价电子递补空穴形成空穴电流。能够承载电流的粒子称为载流子，半导体含有两种 载流子：自由电子和空穴。 本征半导体中载流子浓度极小，导电性能很差； 温度越高，本征半导体中载流子浓度越高，导电能力 越强。半导体导电能力受温度影响很大。300K时，本征硅的载流子浓度为1.41010/cm3，而 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电 性能发生显著变化。1. N型半导体在本征半导体中加入五价元素，这些五价元素在外层含有五个电子，除了四个与其周围的半导体原子构成共价键，还有一个电子成为自由电子，这种半导体中含有较高的自由电子浓度，自由电子是多数载流子（多子），空穴浓度较低，是少数载流子（少子）。+5+4+4 +4 余下的这个不受共价键束缚的价电子,在室温下获得的热能也可以使它挣脱原子核的引力而成为自由电子。5价元素称为施主杂质，它失去一个价电子成为正离子，但不会产生空穴。正离子束缚在晶格中，不能象空穴那样起导电作用。掺杂5价原子如果在本征半导体中掺入三价元素，则形成P型半导体，空穴为多数载流子，而自由电子为少数载流子。2. P 型半导体+3+4+4 +4 掺杂的三价元素称为受主杂质，受主杂质接受一个电子后形成一个带负电的负离子但不会产生自由电子。负离子在晶格中不能起导电作用。掺杂半导体的多子浓度主要由掺杂浓度决定，所以其导电能力也由掺杂浓度决定。掺杂3价原子N型半导体中多数载流子是自由电子；P型半导体中多数载流子是空穴。不论是N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然是不带电的，宏观上保持电中性。 PN结 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。将P型半导体和N型半导体结合在一起，P型N型 + +- -E在P型半导体一侧，空穴浓度较高 ，而在N型半导体一侧，自由电子浓度较高，因此，界面处存在载流 子浓度梯度，产生多数载流子向对 面的扩散运动， 随着扩散的进行界面附近载流子不断复合，留下带电离子 形成空间电荷区（耗尽区），建立起内建电场E阻止多子扩散进一步进行。另一方面，对进入空间电荷区的少子，内建电场又将其驱动到对面（漂移运动），在一定温度下，如果无外界电场 的作用，达到动态平衡，形成所谓PN结。这时的扩散电流 等于漂移电流。PN结中没有净电流流动。P型N型 + +- -EPN结空间电荷区的叫法很多，有叫耗尽区的，也有叫阻挡层的。 1.2 半导体二极管 半导体二极管的电路符号与基本结构半导体二极管内部就是一个PN结，将其封装并接出两个 引出端，从 P 区引出的端称为阳极（正极），从 N 区引 出的端称为阴极（负极）。电路符号如图，阳极阴极D二极管电路符号根据PN结的单向导电性，二极管只有当阳极电位高于阴极电位时，才能按箭头方向导通电流。符号箭头指示方向为正，色点则表示该端为正极。为了防止使用时极性接错，管壳上标有 “” 符号或色点，如果二极管极性接错，不仅造成电路无法正常工作，还会烧坏二极管及电路中其他元件。 半导体二极管的伏安特性DiDuDuDiDO正向导通0.5锗 硅0.21. 正向特性外加正向电压时，正向特性的起始部分，正向电流几乎 为零。这一段称为 “死区”。对应于二极管开始导通时的外加电压称为 “死区电压”。锗管约为0.2V, 硅管约0.5V。 半导体二极管的伏安特性（续）2. 反向特性 外加反向电压不超过一定范围时通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成的很小的反向电流，称为反向饱和电流或漏电流。该电流受温度影响很大。 3.击穿特性外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这 种现象称为击穿（击穿时，二极管失去单向导电性）。 对应的 电压称为击穿电压。uDiDO正向导通反向截止击穿0.5锗 硅0.2反向饱和电流 1.2.3 半导体二极管主要参数uDiDOURWMIRIoMUBR1. 最大整流电流 IoM：二极管长时间安全工作所允许流过的最大正向平均电流。由PN结结面积和散热条件决定，超过此值工作可能导致过热而损坏。2. 反向工作峰值电压URWM：为保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向工作电压，一般为反向击穿电压的一半。uDiDOURWMIRIOMUBR3. 反向电流 IR：二极管未被击穿时，流过二极管的反向电流。此值越小，单向导电性越好。硅管优于锗管。4. 最高工作频率 fM ：二极管维持单向导电性的最高工作频率。由于二极管中存在结电容，当频率很高时，电流可直接通过结电容，破坏二极管的单向导电性。1.2.4 半导体二极管的应用 1.2.3 特殊二极管稳压管是一种特殊的硅二极管。它允许通过 较大的反向电流，经过特殊工艺使其反向击穿电 压比普通二极管低得多（几到几十伏）。利用其 反向击穿特性，配以合适的电阻，在电路中可起 稳压的作用。二极管在加反向偏置电压时，处于截止状态 ，仅有很小的反向饱和电流。但是如果反向电压 增大到一定值时，PN结的电 场强度太大，将导致二极管的 反向击穿，这时，二极管反向 电流迅速增大而电压却基本不变 反向击穿。uDiD0UBR 双极型晶体三极管(BJT)结构 BJT由两个PN构成，有两种类型:NPN型和PNP型。NNPNPN型EBCNPPPNP型EBC发射结(Je)集电结(Jc)基极，用B或b表示（Base）发射极，用E或e 表示（Emitter）集电极，用C或c 表示（Collector）。发射区集电区基区B EC B ECBJT的电路符号常用BJT的外形1.3.1 半导体三极管的结构基区：最薄，基区：最薄， 掺杂浓度最低掺杂浓度最低发射区：掺发射区：掺 杂浓度最高杂浓度最高发射结发射结集电结集电结B BE EC CN NN NP P基极基极发射极发射极集电极集电极结构特点：结构特点：集电区：集电区： 面积最大面积最大BECNNPEBRBUC发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成 发射极电流IE。IE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合， 形成电流IBE，多数扩散到集电结。集电结反偏，有少子 形成的反向电流ICBO。ICBO从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被 收集，形成ICE。IC=ICE+ICBO ICEICEIB=IBE-ICBOIBEIBICE与IBE之比称为直流电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须 使发射结正偏，集电结反偏。两者变化之比称为交流电流放 大倍数1.3.2 半导体三极管的电流分配与放大作用1. 输入特性曲线：输入特性曲线是指当集射极之间的电压UCE为某一常数时，输入回路中的基极电流iB与加在基射极间的电压uBE之间的关系曲线。OuBEiBUBEUBE0.7V(硅) 0.3V(锗)0V 1V10VUCE当UCE=0，晶体管相当于两个二极管的正向并联，其特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似。 当UCE1时，特性曲线的形状并不改变，曲线仅仅右移一段距离。只要uBE不变，无论怎样增大UCE，iB都基本不变，曲线基本重合。因此，通常将UCE=1的特性曲线作为晶体管的输入特性曲线。晶体三极管的特性曲线1.3.3 共射级电路的特性曲线2. 输出特性曲线OuCEiCNPNIB=0IB3IB2IB1IB3 IB2 IB10从输出特性上，可将三极管分为三个工作区（工作状态）： 截止(Cut off)、饱和(Saturation)、放大(Active)。截止饱和放大集电极电流受基极电流控制，所以晶体三极管又称为电流控制器件。输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，输出电路中集电极电流iC与集射极间的电压uCE之间的关系曲线。uCE=uBE1.3.4 双极型三极管的主要参数（1）电流放大系数(a)直流(静态)(b)交流(动态) (hfe)和含义不同，但在输出特性放大区内，曲线接近于平行等距，器件手册上给出的是 使用时也作为。由于制造工艺的分散性，同一型号的晶体管， 值也有很大差别。常用的晶体管的 值一般在20200之间。（2）极间反向电流(a) 集基反向饱和电流ICBO(b) 集射穿透电流 ICEOICBO是发射极开路时，集基反向饱和电流。通常希望ICBO越小越好。在温度稳定性方面，硅管比锗管好。ICEO是基极开路时，从集电极直接穿透三极管到达发射极的电流。双极型三极管的主要参数（3）集射反向击穿电压U(BR)CEO当基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电 压。集射极之间电压超过U(BR)CEO时，集电极电流会大幅度上升，此时，三极管被击穿而损坏。U(BR)CEOOuCEiC（NPN）（4）集电极最大允许电流 ICM集电极电流IC超过一定值时， 值要下降，当 降到原来值的2/3时，对应的IC称为ICM双极型三极管的主要参数ICM双极型三极管的主要参数（5）集电极最大允许耗散功率PCM两个PN结上消耗的功率分别等于通过结的电流乘以加在结上的电压，一般集电结上消耗的功率比发射结大得多，用 PCM表示，这个功率将导致集电结发热，结温上升，当结温超过最高工作温度时，管子性能下降，甚至被烧坏。因此集电结的最高工作温度决定了三极管的最大集电极耗散功率。由U(BR)CEO、PCM、ICM共同确定三极管的安全工作区，如图所示。U(BR)CEOOuCEiC（NPN）ICM安全工作区UCEIC=PCM过 损 耗 区1.4 场效应管第一章 结束