第一章-半導(dǎo)體器件

半導(dǎo)體的特性|半導(dǎo)體二極管|雙極結(jié)型三極管|場效應(yīng)三極管半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體二極管雙極結(jié)型三極管場效應(yīng)三極管半導(dǎo)體器件1學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件的目的在于應(yīng)用重點(diǎn)是各種器件的外特性從應(yīng)用的角度出發(fā)理解掌握器件的伏安特性和主要參數(shù)認(rèn)識并區(qū)分各種半導(dǎo)體器件的特點(diǎn)和用途與有關(guān)器件的特性曲線聯(lián)系起來1232半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體二極管雙極結(jié)型三極管場效應(yīng)三極管1第一節(jié)半導(dǎo)體的特性31.1半導(dǎo)體的特性導(dǎo)體電阻率

<10-4

·cm

的物質(zhì)，金屬一般都是導(dǎo)體絕緣體電阻率

>109

·

cm的物質(zhì)，如橡膠、陶瓷、塑料和石英等半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一大類物質(zhì)，如硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）和一些硫化物、氧化物等10-4

·cm109

·cmSmallLarge導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體5制作半導(dǎo)體器件的材料中，用得最多的就是硅和鍺，它們的原子最外層軌道的電子（價電子）都是四個。SiGeSiGe6硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子7半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如：當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體純凈的、不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體純度在絕對零度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時，

價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動的帶電粒子（即載流子），它不能導(dǎo)電81.1.1本征半導(dǎo)體9在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。+4+4+4+4束縛電子自由電子空穴10+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此可以將空穴視為帶正電的載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。動畫本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就成為雜質(zhì)半導(dǎo)體。與本征半導(dǎo)體相比，雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化，其原因是摻雜使得半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。111.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體NP在本征半導(dǎo)體中摻入5價雜質(zhì)元素磷（P）、砷（As）、銻（Sb）等在本征半導(dǎo)體中摻入3價雜質(zhì)元素硼（B）、鎵（Ga）、銦（In）等12+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？131.由雜質(zhì)原子提供的電子，濃度取決于雜質(zhì)的濃度2.本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴N型半導(dǎo)體中自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度，主要依靠電子導(dǎo)電自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）1415N兩種載流子：自由電子和空穴多子：自由電子少子：空穴P兩種載流子：自由電子和空穴少子：自由電子多子：空穴在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子的濃度主要決定于摻入的雜質(zhì)濃度；而少子的濃度與溫度密切相關(guān)。16半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體二極管雙極結(jié)型三極管場效應(yīng)三極管2第二節(jié)半導(dǎo)體二極管－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++－－－－++++P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體擴(kuò)散運(yùn)動——多子由于濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)摻入不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，那么在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的交界處將會怎樣？1.2.1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?718P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E空間電荷區(qū)，也稱耗盡層擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬19P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++內(nèi)電場E漂移運(yùn)動內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變窄漂移運(yùn)動——少子在電場力作用下的定向運(yùn)動20漂移運(yùn)動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動，空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定動畫21－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)UD電位壁壘的大小與半導(dǎo)體材料有關(guān)，Si約為0.6～0.8V，Ge約為0.2～0.3V22一、PN結(jié)正向偏置_－－－－++++RV外電場變窄PN+－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的正向電流。I內(nèi)電場23二、PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場變寬NP+_RV－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++內(nèi)電場被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。I外電場24當(dāng)PN結(jié)正向偏置時，回路中將產(chǎn)生一個較大的正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)PN結(jié)反向偏置時，回路中的反向電流非常小，幾乎等于零，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。因此，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦孕」β识O管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管1.2.2二極管的伏安特性+_二極管的電路符號：點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。27

在二極管的兩端加上電壓，測量流過管子的電流，I=f(U

)的關(guān)系曲線就是二極管的伏安特性曲線。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死區(qū)電壓反向擊穿電壓U(BR)反向特性–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.02鍺管的伏安特性0281.正向特性

當(dāng)正向電壓比較小時，正向電流很小，幾乎為零,相應(yīng)的電壓叫死區(qū)電壓，范圍稱死區(qū)。死區(qū)電壓與材料和溫度有關(guān)，硅管約0.5V左右，鍺管約0.1V左右。正向特性死區(qū)電壓60402000.40.8I/mAU/V

當(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓后，隨著電壓的升高，正向電流迅速增大。292.反向特性–0.02–0.040–25–50I/mAU/V反向特性

當(dāng)電壓超過零點(diǎn)幾伏后，反向電流不隨電壓增加而增大，即飽和；

二極管加反向電壓，反向電流很?。?/p>

如果反向電壓繼續(xù)升高，大到一定數(shù)值時，反向電流會突然增大；反向飽和電流IS

這種現(xiàn)象稱擊穿，對應(yīng)電壓叫反向擊穿電壓。

擊穿并不意味管子損壞，若控制擊穿電流，電壓降低后，還可恢復(fù)正常。反向擊穿電壓U(BR)303.伏安特性表達(dá)式(二極管方程)IS：反向飽和電流UT：溫度的電壓當(dāng)量在常溫(300K)下，UT

26mV

二極管加反向電壓，即U<0，且

|U|

>>UT，則

I

-IS。

二極管加正向電壓，即U>0，且

U>>UT

，則

，可得

，說明電流

I與電壓U

基本上成指數(shù)關(guān)系。311.

二極管具有單向?qū)щ娦浴＜诱螂妷簳r導(dǎo)通，呈現(xiàn)很小的正向電阻，如同開關(guān)閉合；加反向電壓時截止，呈現(xiàn)很大的反向電阻，如同開關(guān)斷開。2.從二極管伏安特性曲線可以看出，二極管的電壓與電流變化不呈線性關(guān)系，其內(nèi)阻不是常數(shù)，所以二極管屬于非線性器件。32RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例：二極管半波整流331.2.3二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流IF二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.最高反向工作電壓UR工作時加在二極管兩端的反向電壓不得超過這個值，否則二極管可能被擊穿。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。通常將擊穿電壓UBR的一半定為UR。343.反向電流

IR指二極管加上規(guī)定的反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大?.最高工作頻率fM主要由PN結(jié)的結(jié)電容決定。結(jié)電容越大，則允許的二極管最高工作頻率越低。例題設(shè)圖示二極管D導(dǎo)通壓降都為0.7V，試判斷各圖中二極管都處于什么狀態(tài)（導(dǎo)通還是截止），并求各電路的輸出電壓值。

(a)

(b)

(c)361.2.4穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管又稱齊納二極管，是工作在反向擊穿區(qū)的特殊二極管。+-I/mAU/VO+正向+反向UI進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流37穩(wěn)壓管的主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓Uz

穩(wěn)壓管在反向擊穿區(qū)的工作電壓。2.穩(wěn)定電流Iz

使穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)的參考電流。3.動態(tài)電阻rz

當(dāng)穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時，穩(wěn)壓管兩端電壓的變化量與流過穩(wěn)壓管電流的變化量之比。動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓效果越好。

384.額定功耗Pz

為穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓與最大穩(wěn)定電流之積，額度功耗的值取決于穩(wěn)壓管允許的溫升。5.電壓的溫度系數(shù)

U用于反映溫度變化對穩(wěn)定電壓的影響，是指環(huán)境溫度每變化1℃所引起的穩(wěn)定電壓變化的百分比。39穩(wěn)壓管電路UoIZDZRIRUIRL穩(wěn)壓管反向偏置與負(fù)載并聯(lián)串聯(lián)限流電阻穩(wěn)壓管和一般二極管的主要區(qū)別1.二極管通常是利用其單向?qū)щ娦?，既可以工作在正向特性區(qū)，也可以工作在反向特性區(qū)；而穩(wěn)壓管為了達(dá)到穩(wěn)壓的目的，通常工作在反向擊穿區(qū)。2.通常要求二極管的反向擊穿電壓比較高；而穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓則相對較低。3.二極管如果被擊穿易造成損壞；而穩(wěn)壓管通過限流，雖然工作在反向擊穿區(qū)，并不損壞。4.二極管主要用于檢波、整流等；而穩(wěn)壓管主要用于組成穩(wěn)壓電路。4041半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體二極管雙極結(jié)型三極管場效應(yīng)三極管3第三節(jié)雙極結(jié)型三極管421.3.1三極管的結(jié)構(gòu)雙極結(jié)型三極管（BJT）通常被稱為晶體管或三極管43NPN型三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號

ecb符號集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c基極b發(fā)射極eNNP44集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c發(fā)射極e基極b

cbe符號NNPPNPNP型三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號

45以NPN型三極管為例討論cNNPebbec表面看三極管若實(shí)現(xiàn)放大，必須從三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部所加電源的極性來保證。不具備放大作用1.3.2三極管中載流子的運(yùn)動46becNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：很薄，摻雜濃度低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度高內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件47becNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏外加偏置電壓條件48becNNPVBBRBVCCIEICBOIBnICnICIB

IE=IC+IB49輸出回路輸入回路+UCE-1.3.3三極管的特性曲線

特性曲線是選用三極管的主要依據(jù)，可從半導(dǎo)體器件手冊查得。iBuCE三極管共射特性曲線測試電路iCVCCRbVBBcebRcV+V+A++mA輸入特性：輸出特性：+uCE-+uCE-iBiBiBuBE符號說明50輸入特性uCE≥2ViB(A)uBE(V)uCE=0VVBBiB+uBE_bce51輸出特性iC(mA)1234uCE(V)36912iB=020A40A60A80A100A放大區(qū)發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏當(dāng)uCE大于一定的數(shù)值時，iC只與iB有關(guān)，且iC=△iB52iC(mA)1234uCE(V)36912iB=020A40A60A80A100A飽和區(qū)uCEuBE集電結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏53iC(mA)1234uCE(V)36912iB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中

iB≤0,iC≈0稱為截止區(qū)發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)反偏54輸出特性三個區(qū)域的特點(diǎn):1.放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。

iC

=

iB2.飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。

uCEuBE3.截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。

iB≤0,iC≈0只有工作在放大區(qū)，三極管才具有電流放大作用

雙極型三極管有三個電極，其中兩個可以作為輸入,兩個可以作為輸出，這樣必然有一個電極是公共電極。ICIE+C2+C1VEEReVCCRc(b)共基極接法VCCRb+VBBC1TIBC2Rc+(a)共發(fā)射極接法IC561.3.4三極管的主要參數(shù)共射直流電流放大系數(shù)：1.電流放大系數(shù)共射電流放大系數(shù)：共基直流電流放大系數(shù)：共基電流放大系數(shù)：和

這兩個參數(shù)不是獨(dú)立的，而是互相聯(lián)系，關(guān)系為：572.

反向飽和電流集電極-基極間反向飽和電流ICBO

是指發(fā)射極開路時，集電結(jié)在反向電壓作用下，集電極-基極之間由于少子的漂移運(yùn)動形成的反向飽和電流。集電極-發(fā)射極間穿透電流ICEO

是指基極開路時，集電極和發(fā)射極之間的穿透電流。

反向飽和電流是由少子的運(yùn)動形成的，對溫度非常敏感ICBOcebAICEOAceb583.極限參數(shù)集電極最大允許電流ICM

集電極電流IC上升會導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到額定值的三分之二時的集電極電流即為ICM。集電極最大允許耗散功率PCM

三極管工作時損耗的功率PC＝iCuCE<PCM極間反向擊穿電壓

基極開路時集電極和發(fā)射極之間的反向擊穿電壓U（BR）CEO

發(fā)射極開路時集電極和基極之間的反向擊穿電壓U（BR）CBOiCuCEiCuCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)三極管的安全工作區(qū)5960PNP型三極管放大原理與NPN型基本相同，但為了保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，外加電源的極性與NPN正好相反。三極管外加電源的極性(a)NPN型VCCVBBRCRb~

N

NP++uoui(b)PNP型VCCVBBRCRb~++uoui61

PNP三極管電流和電壓的實(shí)際方向uCEuBE++iEiBiCebCuCEuBE(+)()iEiBiCebC(+)()

PNP三極管各極電流和電壓的規(guī)定正方向PNP三極管中各極電流實(shí)際方向與規(guī)定正方向一致。

電壓(uBE、uCE)實(shí)際方向與規(guī)定正方向相反，計(jì)算中uBE

、uCE

為負(fù)值，輸入與輸出特性曲線橫軸為(-uBE)、(-uCE)。62半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體二極管雙極結(jié)型三極管場效應(yīng)三極管4第四節(jié)場效應(yīng)三極管63場效應(yīng)晶體管與雙極型三極管不同，它是多子導(dǎo)電，利用電場效應(yīng)控制電流的一類晶體管。結(jié)型場效應(yīng)管－JFET絕緣柵型場效應(yīng)管－MOSFET場效應(yīng)管分兩大類:1.4場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)管有三個極：源極（s）、柵極（g）、漏極（d），對應(yīng)于晶體管的e、b、c；有三個工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對應(yīng)于晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。64dsgN符號N溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N型溝道N型硅棒柵極源極漏極P+P+P型區(qū)耗盡層(PN結(jié))在漏極和源極之間加上一個正向電壓，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是電子型的，稱N溝道結(jié)型場效應(yīng)管gds1.4.1結(jié)型場效應(yīng)管65P溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道gsdP溝道結(jié)型場效應(yīng)管是在P型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū)(N+)，導(dǎo)電溝道為P型，多數(shù)載流子為空穴。符號gds66N溝道結(jié)型場效應(yīng)管用改變uGS大小來控制漏極電流iDgdsNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層

在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流iD減小，反之，漏極iD電流將增加。

耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)，當(dāng)兩側(cè)的耗盡層因展寬而合攏在一起，導(dǎo)電溝道被夾斷。67iD/mAuDS/VOuGS=0V-1-2-3-4-5-6-7預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)

可變電阻區(qū)輸出特性也有三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和截止區(qū)1.輸出特性uDSiDVDDVGGdsgV+V+uGS特性曲線測試電路+mA

輸出特性特性曲線截止區(qū)68iD/mAuDS/VOuGS

=0V-1-2-3-4-5-6-7iC(mA)1234uCE(V)36912iB=020A40A60A80A100A場效應(yīng)管和三極管的輸出特性曲線對比692.轉(zhuǎn)移特性O(shè)

uGSiDIDSSUGS(off)轉(zhuǎn)移特性uGS=0，iD最大uGS

愈負(fù)，iD愈小uGS=UGS(off)，iD0兩個重要參數(shù)飽和漏極電流

IDSS(uGS=0時的iD)夾斷電壓UGS(off)(iD=0時的uGS)uDSiDVDDVGGdsgV+V+uGS

特性曲線測試電路+mA70場效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據(jù)輸出特性用作圖的方法得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。uDS=常數(shù)iD/mA0-0.5-1-1.5uGS/VuDS=15V5iD/mAuDS/V0uGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5結(jié)型場效應(yīng)管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達(dá)107以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕緣柵場效應(yīng)管。71

由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成，稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，或簡稱MOS場效應(yīng)管(MOSFET)。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)109以上。類型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型uGS=0時漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場效應(yīng)管uGS=0時漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場效應(yīng)管1.4.2絕緣柵型場效應(yīng)管72N溝道增加型MOSFET的結(jié)構(gòu)及符號73特性曲線1.轉(zhuǎn)移特性2.輸出特性iD/mAuDS/VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)

可變電阻區(qū)uGS<UGS(th)，iD=0；

uGS

≥

UGS(th)，形成導(dǎo)電溝道，隨著uGS的增加，iD

逐漸增大。