第1章半導(dǎo)體器件

1、半導(dǎo)體器件是用半導(dǎo)體材料制成的電子器半導(dǎo)體器件是用半導(dǎo)體材料制成的電子器件。常用的半導(dǎo)體器件有二極管、三極管、件。常用的半導(dǎo)體器件有二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。半導(dǎo)體器件是構(gòu)成各種場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。半導(dǎo)體器件是構(gòu)成各種電子電路最基本的元件。電子電路最基本的元件。1.1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特征：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅間的物質(zhì)，如硅(Si)、鍺鍺(Ge)。硅和鍺是硅和鍺是4價(jià)元素，原子的最外層軌道上有價(jià)元素，原子的最外層軌道上有4個(gè)價(jià)個(gè)價(jià)電子。電子?？昭ㄗ杂呻娮觓bc444444444共價(jià)鍵的兩個(gè)價(jià)電子價(jià)電子4（a）硅和鍺原子的）硅和鍺

2、原子的 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型 (b)晶體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)及晶體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)及 電子空穴對(duì)的產(chǎn)生電子空穴對(duì)的產(chǎn)生 硅、鍺原子結(jié)構(gòu)模型及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖硅、鍺原子結(jié)構(gòu)模型及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖 室溫下，由于熱運(yùn)動(dòng)少數(shù)價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的室溫下，由于熱運(yùn)動(dòng)少數(shù)價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵中留下一個(gè)束縛成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位這個(gè)空位稱(chēng)為空位這個(gè)空位稱(chēng)為。失去價(jià)電子的原子成。失去價(jià)電子的原子成為正離子，就好象空穴帶正電荷一樣。為正離子，就好象空穴帶正電荷一樣。每個(gè)原子周?chē)兴膫€(gè)相鄰的原子，原子之間通每個(gè)原子周?chē)兴膫€(gè)相鄰的原子，原子之間通過(guò)過(guò)緊密結(jié)合在一起。兩個(gè)相鄰原子共

3、用緊密結(jié)合在一起。兩個(gè)相鄰原子共用一對(duì)電子。一對(duì)電子。（與自由電子的運(yùn)動(dòng)不同）帶負(fù)電荷的價(jià)電子依次填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)，從效果上看，帶負(fù)電荷的價(jià)電子依次填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)，從效果上看，相當(dāng)于帶正電荷的空穴作相反方向的運(yùn)動(dòng)。相當(dāng)于帶正電荷的空穴作相反方向的運(yùn)動(dòng)。本征半導(dǎo)體中有兩種載流子：帶負(fù)電荷的自由電子和帶正本征半導(dǎo)體中有兩種載流子：帶負(fù)電荷的自由電子和帶正電荷的空穴電荷的空穴熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，電子和空穴熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，電子和空穴又可能重新結(jié)合而成對(duì)消失，稱(chēng)為又可能重新結(jié)合而成對(duì)消失，稱(chēng)為。在一定溫度下自。在一定溫度下自由電子和空穴維持一定的濃度。由電子和空

4、穴維持一定的濃度。在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入磷、砷等在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入磷、砷等5價(jià)元素，其中自?xún)r(jià)元素，其中自由電子為多數(shù)載流子，熱激發(fā)形成的空穴為少數(shù)載流子。由電子為多數(shù)載流子，熱激發(fā)形成的空穴為少數(shù)載流子。自由電子 多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱(chēng)多子）空 穴少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱(chēng)少子）磷原子自由電子444454444電子一空穴對(duì)N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入硼、鋁等在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價(jià)元素，這類(lèi)價(jià)元素，這類(lèi)摻雜后的半導(dǎo)體其導(dǎo)電作用主要靠空穴運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為摻雜后的半導(dǎo)體其導(dǎo)電作用主要靠空穴運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為空穴半導(dǎo)體或空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體，其中空穴為多數(shù)載流子型半導(dǎo)體，其中空穴為

5、多數(shù)載流子，熱激發(fā)形成的自由電子是少數(shù)載流子。，熱激發(fā)形成的自由電子是少數(shù)載流子。自由電子自由電子 多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱(chēng)多子多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱(chēng)多子）空空 穴穴少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱(chēng)少子）少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱(chēng)少子）空穴硼原子444434444電子一空穴對(duì)P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)P 型半導(dǎo)體N 型半導(dǎo)體無(wú)論是無(wú)論是P型半導(dǎo)體還是型半導(dǎo)體還是N型半導(dǎo)體都是中型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。性的，對(duì)外不顯電性。摻入的雜質(zhì)元素的濃度越高，多數(shù)載流摻入的雜質(zhì)元素的濃度越高，多數(shù)載流子的數(shù)量越多。子的數(shù)量越多。少數(shù)載流子是熱激發(fā)而產(chǎn)生的，其數(shù)量少數(shù)載流子是熱激發(fā)而產(chǎn)生的，其數(shù)量的多少?zèng)Q定于溫度。的多少?zèng)Q定于溫度。u

6、將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成P型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成另一側(cè)摻雜成N型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界面處將形成一個(gè)特殊的薄層交界面處將形成一個(gè)特殊的薄層 1.1.4 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦訮 區(qū) 空間電荷區(qū) N 區(qū)PN 結(jié)及其內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)方向P 區(qū) N 區(qū)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 多子多子擴(kuò)散擴(kuò)散 形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng) 少子少子漂移漂移 擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成一定寬度的形成一定寬度的PN結(jié)結(jié)u外加正向電壓（也叫正向偏置）外加正向電壓（也叫正向偏置）空間電荷區(qū)變窄E R內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)PNIE

7、 R內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)空間電荷區(qū)變寬PNIu外加反向電壓（也叫反向偏置）外加反向電壓（也叫反向偏置）u。一個(gè)一個(gè)PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線(xiàn)并用管殼封裝起來(lái)，就結(jié)加上相應(yīng)的電極引線(xiàn)并用管殼封裝起來(lái)，就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，簡(jiǎn)稱(chēng)二極管。構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，簡(jiǎn)稱(chēng)二極管。 半導(dǎo)體二極管按其結(jié)構(gòu)不同可分為點(diǎn)接觸型和面接半導(dǎo)體二極管按其結(jié)構(gòu)不同可分為點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類(lèi)。觸型兩類(lèi)。 點(diǎn)接觸型二極管點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積很小，結(jié)電容很小，多用結(jié)面積很小，結(jié)電容很小，多用于高頻檢波及脈沖數(shù)字電路中的開(kāi)關(guān)元件。于高頻檢波及脈沖數(shù)字電路中的開(kāi)關(guān)元件。 面接觸型二極管面接觸型二極管PN結(jié)面積大，結(jié)電容也小，多用在結(jié)面積大

8、，結(jié)電容也小，多用在低頻整流電路中。低頻整流電路中。陽(yáng)極 陰極1.2.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及符合半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及符合外殼(陰極)(陽(yáng)極)P N陽(yáng)極引線(xiàn)陰極引線(xiàn)VD(陰極)（a） 結(jié)構(gòu) （b）電路符號(hào) （c）實(shí)物外形二極管結(jié)構(gòu)、符號(hào)及外形-60 -40 -200.4 0.8 U /V40302010I /mA0正向特性反向特性外加正向電壓較小時(shí)，外電場(chǎng)不足以克服內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散的阻力，PN結(jié)仍處于截止?fàn)顟B(tài) 。正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流 隨著正向電壓增大迅速上升。通常死區(qū)電壓硅管約為0.5V，鍺管約為0.2V。外加反向電壓時(shí)， PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，反向電流 很小。 反向電壓大于擊穿電壓

9、時(shí)，反向電流急劇增加。1.2.2 半導(dǎo)體二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管的伏安特性（1）最大整流電流）最大整流電流IOM：指管子長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過(guò)指管子長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過(guò)的最大正向平均電流。的最大正向平均電流。（2）反向擊穿電壓）反向擊穿電壓UB：指管子反向擊穿時(shí)的電壓值。指管子反向擊穿時(shí)的電壓值。（3）最大反向工作電壓）最大反向工作電壓UDRM：二極管運(yùn)行時(shí)允許承受的二極管運(yùn)行時(shí)允許承受的最大反向電壓（約為最大反向電壓（約為UB 的一半）。的一半）。（4）最大反向電流）最大反向電流IRM：指管子未擊穿時(shí)的反向電流，指管子未擊穿時(shí)的反向電流，其值越小，則管子的單向?qū)щ娦栽胶谩Ｆ渲翟叫?，則管子的

10、單向?qū)щ娦栽胶谩＃?）最高工作頻率）最高工作頻率fm：主要取決于主要取決于PN結(jié)結(jié)電容的大小。結(jié)結(jié)電容的大小。：正向電阻為零，正向?qū)〞r(shí)為短路特性，：正向電阻為零，正向?qū)〞r(shí)為短路特性，正向壓降忽略不計(jì)；反向電阻為無(wú)窮大，反向截止時(shí)為正向壓降忽略不計(jì)；反向電阻為無(wú)窮大，反向截止時(shí)為開(kāi)路特性，反向漏電流忽略不計(jì)。開(kāi)路特性，反向漏電流忽略不計(jì)。1.2.3 半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)1半導(dǎo)體二極管的命名方法半導(dǎo)體二極管的命名方法 用數(shù)字表示電極數(shù)目用數(shù)字表示電極數(shù)目用字母表示材料和極性用字母表示材料和極性用字母表示類(lèi)型用字母表示類(lèi)型用數(shù)字表示序號(hào)用數(shù)字表示序號(hào)用數(shù)字表示規(guī)格用數(shù)字表

11、示規(guī)格2半導(dǎo)體二極管的分類(lèi)半導(dǎo)體二極管的分類(lèi) 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：（1）穩(wěn)定電壓）穩(wěn)定電壓UZ。反向擊穿后穩(wěn)定工作的電壓。反向擊穿后穩(wěn)定工作的電壓。（2）穩(wěn)定電流）穩(wěn)定電流IZ。工作電壓等于穩(wěn)定電壓時(shí)的電流。工作電壓等于穩(wěn)定電壓時(shí)的電流。（3）動(dòng)態(tài)電阻）動(dòng)態(tài)電阻rZ。穩(wěn)定工作范圍內(nèi)，管子兩端電壓的穩(wěn)定工作范圍內(nèi)，管子兩端電壓的變化量與相應(yīng)電流的變化量之比。即：變化量與相應(yīng)電流的變化量之比。即：rZ=UZ/IZ（4）額定功率）額定功率PZ和最大穩(wěn)定電流和最大穩(wěn)定電流IZM。額定功率額定功率PZ是在是在穩(wěn)壓管允許結(jié)溫下的最大功率損耗。最大穩(wěn)定電流穩(wěn)壓管允許結(jié)溫下的最大功率損耗。最大

12、穩(wěn)定電流IZM是指穩(wěn)壓管允許通過(guò)的最大電流。它們之間的關(guān)系是：是指穩(wěn)壓管允許通過(guò)的最大電流。它們之間的關(guān)系是： PZ=UZIZM穩(wěn)壓管是一種用特殊工藝制造的半導(dǎo)體二極管，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種用特殊工藝制造的半導(dǎo)體二極管，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓就是反向擊穿電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于：的穩(wěn)定電壓就是反向擊穿電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于：電流增量很大，只引起很小的電壓變化。電流增量很大，只引起很小的電壓變化。陽(yáng)極 陰極1.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管2. 發(fā)光二極管發(fā)光二極管當(dāng)發(fā)光二極管的當(dāng)發(fā)光二極管的PN結(jié)加上正向電壓時(shí)，電子與空穴結(jié)加上正向電壓時(shí)，電子與空穴復(fù)合過(guò)程以光的形式放出能量。復(fù)合過(guò)程以光的形式放出能量。不同材料

13、制成的發(fā)光二極管會(huì)發(fā)出不同顏色的光。不同材料制成的發(fā)光二極管會(huì)發(fā)出不同顏色的光。發(fā)光二極管具有亮度高、清晰度高、電壓低（發(fā)光二極管具有亮度高、清晰度高、電壓低（1.53V）、）、反應(yīng)快、體積小、可靠性高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，反應(yīng)快、體積小、可靠性高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，是一種很有用的半導(dǎo)體器件，常用于信號(hào)指示、數(shù)是一種很有用的半導(dǎo)體器件，常用于信號(hào)指示、數(shù)字和字符顯示。字和字符顯示。陽(yáng)極 陰極 (a) (b)LEDLEDRE3. 光電二極管光電二極管光電二極管的又稱(chēng)為光敏二極管，其工作原理恰好與光電二極管的又稱(chēng)為光敏二極管，其工作原理恰好與發(fā)光二極管相反。當(dāng)光線(xiàn)照射到光電二極管的發(fā)光二極管相反。當(dāng)光線(xiàn)照射

14、到光電二極管的PN結(jié)結(jié)時(shí)，能激發(fā)更多的電子，使之產(chǎn)生更多的電子空穴對(duì)，時(shí)，能激發(fā)更多的電子，使之產(chǎn)生更多的電子空穴對(duì)，從而提高了少數(shù)載流子的濃度。在從而提高了少數(shù)載流子的濃度。在PN結(jié)兩端加反向結(jié)兩端加反向電壓時(shí)反向電流會(huì)增加，所產(chǎn)生反向電流的大小與光電壓時(shí)反向電流會(huì)增加，所產(chǎn)生反向電流的大小與光的照度成正比，所以光電二極管正常工作時(shí)所加的電的照度成正比，所以光電二極管正常工作時(shí)所加的電壓為反向電壓。為使光線(xiàn)能照射到壓為反向電壓。為使光線(xiàn)能照射到PN結(jié)上，在光電結(jié)上，在光電二極管的管殼上設(shè)有一個(gè)小的通光窗口。二極管的管殼上設(shè)有一個(gè)小的通光窗口。陽(yáng)極 陰極NNPBECBECIBIEICBECIB

15、IEICEEBRBRCBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOBCCBOBCBOCBECEIIIIIIII CEOBCBOBC)(1 IIIII BC CEO III ，有有忽忽略略 即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線(xiàn)，是管子即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線(xiàn)，是管子內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。是分析放大電路的依據(jù)。 重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線(xiàn)重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線(xiàn)共發(fā)射極電路共發(fā)射極電路輸入回路輸入回路輸出回路輸

16、出回路ICEBmA AVUCEUBERBIBECV+常常數(shù)數(shù) CE)(BEBUUfIIB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1VOIB=020 A40 A60 A80 A100 A常常數(shù)數(shù) B)(CECIUfI36IC(mA )1234UCE(V)912O放大區(qū)放大區(qū)O BCII_ BCII 53704051BC.II 400400605132BC .II ICBO A+EC AICEOIB=0+ICMU(BR)CEO安全工作區(qū)安全工作區(qū)ICUCEO屬電壓控制器件屬電壓控制器件,是一種是一種由輸入電壓控制其輸出電流的半導(dǎo)體器件由輸入電壓控制其輸出電流的半導(dǎo)體器件。輸入電阻高

17、，可用作理輸入電阻高，可用作理想的輸入級(jí)器件，而且功耗低，熱穩(wěn)定性想的輸入級(jí)器件，而且功耗低，熱穩(wěn)定性好，便于集成等。好，便于集成等。 絕緣柵型和結(jié)型（不絕緣柵型和結(jié)型（不作介紹）作介紹） 1.4.1 N 溝道P 型硅襯底N+N+源極 S 柵極 G 漏極 DSiO2絕緣層金屬鋁DSG襯底DSG襯底N 溝道絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)N 溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)N 溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào) P 溝道N 型硅襯底P+P+源極 S 柵極 G 漏極 DSiO2絕緣層金屬鋁DSG襯底DSG襯底P 溝道絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)P 溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)P 溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)：UGS=0時(shí)漏、源極之間已經(jīng)存

18、在原始導(dǎo)電溝道。時(shí)漏、源極之間已經(jīng)存在原始導(dǎo)電溝道。：UGS=0時(shí)漏、源極之間才能形成導(dǎo)電溝道。時(shí)漏、源極之間才能形成導(dǎo)電溝道。無(wú)論是無(wú)論是N溝道溝道MOS管還是管還是P溝道溝道MOS管，都只有一種載管，都只有一種載流子導(dǎo)電，均為單極型電壓控制器件。流子導(dǎo)電，均為單極型電壓控制器件。MOS管的柵極電流幾乎為零，輸入電阻管的柵極電流幾乎為零，輸入電阻RGS很高很高1.4.2 N溝道P型硅襯底N+N+源極柵極漏極SiO2絕緣層金屬鋁UGSUDSID 增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管不存增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管不存在原始導(dǎo)電溝道，在原始導(dǎo)電溝道， UGS=0時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通，時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通，ID=0 。 UGS0時(shí)會(huì)產(chǎn)生

19、垂時(shí)會(huì)產(chǎn)生垂直于襯底表面的電場(chǎng)。直于襯底表面的電場(chǎng)。P型襯底與絕緣層的界面將型襯底與絕緣層的界面將感應(yīng)出負(fù)電荷層，感應(yīng)出負(fù)電荷層，UGS增加，增加，負(fù)電荷數(shù)量增多，積累的負(fù)電荷數(shù)量增多，積累的負(fù)電荷足夠多時(shí)，兩個(gè)負(fù)電荷足夠多時(shí)，兩個(gè)N+區(qū)溝通，形成導(dǎo)電溝道，區(qū)溝通，形成導(dǎo)電溝道，漏、源極之間有漏、源極之間有ID出現(xiàn)。出現(xiàn)。 在一定的漏、源電壓在一定的漏、源電壓UDS下，使管子由不導(dǎo)通轉(zhuǎn)為下，使管子由不導(dǎo)通轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的臨界柵、源電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓導(dǎo)通的臨界柵、源電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓UGS(th)。 UGS UGS(th)時(shí)，隨時(shí)，隨UGS的增加的增加ID增大。增大。 0 2 4 6 UGS/V ID/mA UGS(th) 16 12 8 4 IDSS (a) 轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn) UDS=常數(shù) ，就是輸入電壓，就是輸入電壓UGS對(duì)輸出電流對(duì)輸出電流ID的控制的控制特性。在一定的漏源電壓下，使增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管特性。在一定的漏源電壓下，使增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管形成導(dǎo)電溝道，產(chǎn)生漏極電流時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電形成導(dǎo)電溝道，產(chǎn)生漏極電流時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓稱(chēng)為壓稱(chēng)為，用，用UGS（th）表示。表示。ID=ID0