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主编 李中发 制作 李中发 2005年1月,电子技术,第1章 半导体器件,学习要点,了解半导体的特性和导电方式,理解PN结的单向导电特性 了解半导体二极管、三极管的结构 理解二极管的工作原理、伏安特性和主要参数 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 了解MOS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,1.1 PN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,第1章 半导体器件,1.1 PN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。,室温下,由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子,同时在共价键中留下一个空位这个空位称为空穴。失去价电子的原子成为正离子,就好象空穴带正电荷一样。,在电子技术中,将空穴看成带正电荷的载流子。,每个原子周围有四个相邻的原子,原子之间通过共价键紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。,1激发产生自由电子和空穴,(与自由电子的运动不同),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,3.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,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) N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),(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。,自由电子,多数载流子(简称多子),空 穴,少数载流子(简称少子),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。 掺入的杂质元素的浓度越高,多数载流子的数量越多。 少数载流子是热激发而产生的,其数量的多少决定于温度。,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。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,这种运动称为扩散运动。 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 PN结。,1PN结的形成,1.1.2 PN结及其单向导电性,多子扩散,形成空间电荷区产生内电场,少子漂移,促使,阻止,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结,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。,2PN结的单向导电性,外加反向电压(也叫反向偏置) 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结处于截止状态。,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。,1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的结构,(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。,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。,(2)反向特性,1.2.2 半导体二极管的伏安特性,(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。,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。,1.2.3 半导体二极管的主要参数,稳压管的主要参数: (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=UZ/IZ (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 特殊二极管,1.3.1 稳压管,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(1.53V)、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。,1.3.3 光电二极管,光电二极管的又称为光敏二极管,其工作原理恰好与发光二极管相反。当光线照射到光电二极管的PN结时,能激发更多的电子,使之产生更多的电子空穴对,从而提高了少数载流子的浓度。在PN结两端加反向电压时反向电流会增加,所产生反向电流的大小与光的照度成正比,所以光电二极管正常工作时所加的电压为反向电压。为使光线能照射到PN结上,在光电二极管的管壳上设有一个小的通光窗口。,1.4 双极型三极管,1.4.1 三极管的结构及类型,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,1.4.2 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 iE b)电子在基区中的扩散与复合,形成基极电流 iB c)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,此时,1.4.4 三极管的主要参数,1、电流放大系数:iC= iB 2、极间反向电流iCBO、iCEO:iCEO=(1+ )iCBO 3、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 。,1.5 场效应晶体管,1.5.1 绝缘栅型场效应管的结构,耗尽型:UGS=0时漏、源极之间已经存在原始导电沟道。 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,1、N沟道耗尽型场效应管的特性曲线,耗尽型场效应管存在原始导电沟道,UGS=0时漏、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。UGS0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。UGS0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)。,1.5.2 绝缘栅型场效应管的工作原理与特性曲线,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。,2、N沟道增强型场效应管的特性曲线,按场效应管的工作情况可将漏极特性曲线分为两个区域。在虚线左边的区域内,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。在虚线右边的区域内,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,
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