第1章 半导体器件1.1 半导体的基本知识与PN结1.2 二 极 管 1.3 稳 压 稳 压 管 1.4 双 极 结 型 晶 体 管1.5 场 效 应 晶 体 管1.6 光 电 器 件前一页 后一页 节目录退出学习要点学习要点 了解半导体的特性和导电方式，理解了解半导体的特性和导电方式，理解PNPN 结的单向导电特性结的单向导电特性 了解半导体二极管、三极管的结构了解半导体二极管、三极管的结构 理解二极管的工作原理、伏安特性和主理解二极管的工作原理、伏安特性和主 要参数要参数 理解双极型三极管的放大作用、输入和理解双极型三极管的放大作用、输入和 输出特性曲线及主要参数输出特性曲线及主要参数 了解了解MOSMOS场效应管的伏安特性、主要参数场效应管的伏安特性、主要参数 及其与双极型三极管的性能比较及其与双极型三极管的性能比较 了解常用光电器件工作原理及功能了解常用光电器件工作原理及功能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。第1章 半 导 体 器 件1.1 半导体的基本知识与PN结一、半导体材料的导电性能 物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。 物质的导电特性取决于原子结构。 导体:一般为低价元素, 导电性能好，电阻率()低，如铜、铁、 铝等金属材料。 绝缘体:一般为高价元素, 导电性极差，电阻率高，如橡胶, 塑料 等绝缘材料。 半导体半导体：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 。前一页 后一页 节目录退出1.半导体特点（1）热敏性环境温度对半导体导电能力影响很大。温度升 高电阻率显著减小，例如：纯锗，温度从20升高30，电 阻率（）约降低一半。（2）光敏性光照射时，半导体的载流子数量急剧增加。电 阻率显著减小，利用这一特性制成光敏器件。（3) 杂敏性在纯净的半导体材料中掺入某种微量的有用元素 后，导电性能大为提高。2.本征半导体完全纯净的，具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。 常用的半导体材料是硅和锗, 它们都是四价元素, 在原子结构中 最外层轨道上有四个价电子。图 1.1.1 所示的简化原子结构模型 。把硅或锗材料拉制成单晶体时, 相邻两个原子的一对最外层电 子(价电子)成为共有电子, 它们一方面围绕自身的原子核运动, 另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用, 同时还受到相邻原子 核的吸引。于是, 两个相邻的原子共有一对价电子, 组成共 价键结构。故晶体中, 每个原子都和周围的个原子用共价 键的形式互相紧密地联系起来,如图1.1.所示。在绝对温 度零度时，这种结构相对稳定。图 1.1.1 硅和锗简化原子 结构模型 图 1.1. 2 本征半导体共价键晶体结构示意图 共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量, 其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子, 同时必然在共价键中留下空位, 称为空穴。空穴带正电, 如图 1.1.所示。 图 1.1. 3 本征半导体中的自由电子和空穴 由此可见, 半导体中存在着两种载流子：带负电的自由 电子和带正电的空穴。本征半导体中, 由于本征激发产生的自 由电子与空穴是成对产生的, 因此, 它们的浓度是相等的。我 们用n和p分别表示电子和空穴的浓度, 即ni=pi, 下标i表示为 本征半导体。 价电子在热运动中获得能量产生了电子-空穴对。同时自由电子在运动过程中失去能量, 与空穴相遇, 使电子、 空穴对消失, 这种现象称为复合。在一定温度下, 载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的, 载流子的浓度是一定的。空穴和自由电子在半导体中流动形成电流。 半导体导电方式：自由电子和空穴。总结1.半导体材料的特点；2.本征激发的现象；3.半导体的导电方式。3.3.杂质半导体（杂质半导体（在纯净半导体中掺入某些微量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）杂质，其导电能力将大大增强）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。（1 1） N N型半导体型半导体自由电子 多数载流子（简称多子）空 穴少数载流子（简称少子）(Negative 阴、负极）图 1.1. 4 N型半导体共价键结构（2 2） P P型半导体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。自由电子 多数载流子（简称多子）空 穴少数载流子（简称少子）（Positive 阳、正极）图 1.1. 5 P型半导体的共价键结构 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。二、PN结及其单向导电性前一页 后一页 节目录退出1PN结的形成u半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动漂移运动。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，这种运动称为扩扩散运动散运动。u将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄 层 PNPN结结。多子 扩散形成空间电荷区 产生内电场 少子 漂移促使促使阻止阻止扩散与漂移达到动态平衡 形成一定宽度的PN结u外加正向电压（也叫正向偏置）u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结处于低阻导通导通状态。2 2PNPN结的单向导电性结的单向导电性VPVNu外加反向电压（也叫反向偏置）u外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多 子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电 流，因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小 ，这时称PN结处于高阻截止截止状态。VP基区集电区；（2）基区很薄；（3）集电区的面积较大，以利于收集载流子。2.管内载流子的运动过程(1)发射区向基区注入电子由于e结正偏，因而结两侧多子的扩散占优势，这时发射区电子源源不断地越过e结注入到基区，形成电子注入电流IEN。与此同时，基区空穴也向发射区注入，形成空穴注入电流IEP。因为发射区相对基区是重掺杂，基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度，所以满足IEP UBE(on)时，随着uBE的增大，iB开始按指数规律增加，而后近似按直线上升。 (3)当uCE在01V之间时，随着uCE的增加，曲线右移。特别在0ICM时，虽然管子不致于损坏，但值已经明显减小。因此，晶体管线性运用时， IC不应超过ICM3.极限参数 (1) 集电极最大允许电流。 与IC关系曲线 (2) 集电极最大允许功率损耗。三极管工作在放大状态时，c结承受着较高的反向电压，同时流过较大的电流。因此，在c结上要消耗一定的功率，从而导致c结发热，结温升高。当结温过高时（硅管最高结温约为150，锗管约为70），管子的性能下降，甚至会烧坏管子，因此需要规定一个功耗限额。 当三极管工作时, 管子两端电压为, 集电极电流为, 因此集电极损耗的功率为三极管的安全工作区（3） 击穿电压U(BR)CBO：指发射极开路时，集电极基极间的反向击穿电压。U(BR)CEO：指基极开路时，集电极发射极间的反向击穿电压。U(BR)EBO：指集电极开路时，发射极基极间的反向击穿电压。普通晶体管该电压值比较小，只有几伏。1.4.5复合晶体管前一页 后一页 节目录退出组成复合管的原则有以下几点： 1. 在正确的外加电压下每只管子的各级电流均有合适的通路，且均工作在放大区； 2. 为了实现电流放大，应将第一只管的集电极或发射极电流做为第二只管的基极电流。 第一只管（T1）为推动管，第二只管（T2）为输出管，复合管的类型与推动管相同，而允许通过的功率由输出管决定 。 例1：用直流电压表测得放大电路中晶体管T1各电极的对地电位分别为：Vx=+9V，Vy=+3.6V，Vz=+3V；T2管各电极电位Vx=-5V，Vy=-10V，Vz=-5.3V。试判别T1和T2各是何类型、何材料的管子，又x、y、z 各是何电极？例2：P161.5 场效应晶体管前一页 后一页 节目录退出分类：按内部结构分：结型和MOS型，MOS管又分增强型和耗 尽型两种，每类又有N、P沟道。特点：（1）输入信号电压控制输出电流大小的半导体管子（压控器 件）；（2）输入电阻高，可达1081015；（3）噪声低受温度、辐射影响小，工艺简单，便于大规模集成，它属于单极型：只有一种载流子参与导电（多数载流子）。结型是利用PN结反偏得到高输入电阻，为提高输入电阻绝缘，绝缘栅就是基于这种思想研制的。分增强型、耗尽型。1.5.1 N沟道绝缘栅增强型(NMOS)管的结构管的结构增强型增强型：UGS0才能在漏、源极之间形成导电沟道。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很高耗尽型耗尽型：UGS=0时漏、源极之间已经存在原始导电沟道。1.5.2 N沟道绝缘栅耗尽型(NMOS)管的结构管的结构增强型场效应管不存在原始导电沟道， UGS=0时场效应管不能导通，ID=0 。 UGS0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，随UGS的增加ID增大。1 1.N.N沟道增强型场效应管的特性曲线沟道增强型场效应管的特性曲线1.5.3 绝缘栅型场效应管的工作原理与特性曲线绝缘栅型场效应管的工作原理与特性曲线（1）转移特性IDOUGS=2 UGS(th）时的ID值；UGS(th)开启电压。增强型转移特性曲线可以表示为：（2）漏极特性分析：可变电阻区（）：当UDS很小，导电沟道主要受栅源电压的控制。当UGS一定时，沟道电阻一定，UGSUth，无导电沟道，漏源之间电阻很大，当UGSUth ID基本上与UDS成线性关系，UGS不同，UDS与ID比值不同，因此该区域称为可变电阻区。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：恒流区（）：当UDS增大到UDSUGS-Uth时，即UGDUth，靠近漏端的导电沟道将被夹断。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，恒流区相当于双极型晶体管的放大区。UDS越大，夹断区越长。ID基本不变，趋于饱和，此时ID仅受UGS的控制。截止区（）： 当UGSUGS(th)时，沟道被全部夹断，ID=0，故此区为截止区。若利用FET作为开关，则工作在截止区，即相当于开关打开。 D.击穿区（）： 随着UDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压UDG(=UDS-UG