1、http:/ 半導體器件是構(gòu)成電子線路的根本單元，半導體器件是構(gòu)成電子線路的根本單元， 掌掌握半導體器件的根本特性是分析電子線路的根底。握半導體器件的根本特性是分析電子線路的根底。 本章首先討論半導體的特性，然后分別引見本章首先討論半導體的特性，然后分別引見PN結(jié)、二極管、三極管、場效應管結(jié)、二極管、三極管、場效應管(和晶閘管和晶閘管)的根本知識。的根本知識。教學目的：教學目的： 1.了解了解P型半導體、型半導體、N型半導體以及型半導體以及PN結(jié)的特結(jié)的特性；性； 2. 掌握半導體二極管、三極管和場效應管任務(wù)掌握半導體二極管、三極管和場效應管任務(wù)原理、原理、 伏安特性和主要參數(shù)；伏安特性和主要

2、參數(shù)； 3. 了解其它類型的半導體器件。了解其它類型的半導體器件。http:/ 5.1 半導體與PN結(jié)5.2 半導體二極管5.3 半導體三極管5.4 場效應管5.5 復合管http:/ 導電才干介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為導電才干介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體半導體. 常用的半導體資料是鍺常用的半導體資料是鍺Ge和硅和硅Si。5.1.1 本征半導體本征半導體 1.純真的半導體稱為本征半導體。純真的半導體稱為本征半導體。 2.本征半導體的共價鍵構(gòu)造本征半導體的共價鍵構(gòu)造: 最外層都有四個價電子最外層都有四個價電子; 每一個價電子都和臨近原子每一個價電子都和臨近原子 的價電子組成一對共價鍵

3、，的價電子組成一對共價鍵， 構(gòu)成相互束縛的關(guān)系。構(gòu)成相互束縛的關(guān)系。 3.最外層均有八個價電子而處于穩(wěn)定形狀。最外層均有八個價電子而處于穩(wěn)定形狀。 這時半導體內(nèi)部沒有任何帶電的粒子存在，這時半導體內(nèi)部沒有任何帶電的粒子存在， 半導體資料相當于絕緣體。半導體資料相當于絕緣體。 http:/ : 溫度或外界光照影響下，價電子電子得到能量，其中溫度或外界光照影響下，價電子電子得到能量，其中少數(shù)少數(shù) 能量較大的價電子可以擺脫共價鍵的束縛而構(gòu)成能量較大的價電子可以擺脫共價鍵的束縛而構(gòu)成自在電子自在電子, ,這種景象稱為本征激發(fā)這種景象稱為本征激發(fā)5.5.電子空穴對電子空穴對: : 價電子脫離了共價鍵束縛

4、后，在原共價電子脫離了共價鍵束縛后，在原共 價鍵中短少一個應有的電子而留下了價鍵中短少一個應有的電子而留下了 “空穴，構(gòu)成電子空穴對空穴，構(gòu)成電子空穴對. . “空穴因失去電子而構(gòu)成的，空穴因失去電子而構(gòu)成的， 被視為帶單位正電荷被視為帶單位正電荷. .6.6.復合復合: : 帶正電荷的空穴，會吸引相鄰原子上的價電子來填補帶正電荷的空穴，會吸引相鄰原子上的價電子來填補( (復復合合) )，而在這個價電子的原來地方留下新的空穴。，而在這個價電子的原來地方留下新的空穴。 http:/ 7.載流子載流子 空穴空穴(+)和電子和電子(-)都是帶電的粒子，稱為載流子都是帶電的粒子，稱為載流子. 空穴和電

5、子的運動是雜亂無章的空穴和電子的運動是雜亂無章的, 在本征半導體中不構(gòu)成電流。在本征半導體中不構(gòu)成電流。 8.激發(fā)和復合的動態(tài)平衡激發(fā)和復合的動態(tài)平衡: 在外界環(huán)境影響下，電子和空穴的激發(fā)和復合是同時在外界環(huán)境影響下，電子和空穴的激發(fā)和復合是同時 進展的，并堅持動態(tài)平衡，使電子空穴的濃度堅持不變。進展的，并堅持動態(tài)平衡，使電子空穴的濃度堅持不變。 隨著溫度的升高，本征激發(fā)會提高電子空穴對濃度。隨著溫度的升高，本征激發(fā)會提高電子空穴對濃度。5.1.2 P型半導體和型半導體和N型半導體型半導體 本征半導體中空穴本征半導體中空穴(+)和電子和電子(-)是等量的而且很少是等量的而且很少. 在本征半導體

6、中摻入微量的其它在本征半導體中摻入微量的其它(雜質(zhì)雜質(zhì))元素元素,摻雜后的半導體摻雜后的半導體 - 雜質(zhì)半導體。雜質(zhì)半導體。 摻雜的元素不同，摻雜的元素不同，P型型(雜質(zhì)雜質(zhì))半導體和半導體和N(雜質(zhì)雜質(zhì))型半導體。型半導體。 http:/ 在本征半導體鍺或硅中摻入五價的磷在本征半導體鍺或硅中摻入五價的磷(P)或銻或銻(Sb)元素，元素，雜質(zhì)原子替代本征半導體晶格中的某些鍺或硅的原子，并提供雜質(zhì)原子替代本征半導體晶格中的某些鍺或硅的原子，并提供一個多余價電子，它僅受本身原子核的吸引，只需獲得少量的一個多余價電子，它僅受本身原子核的吸引，只需獲得少量的能量就能掙脫原子核的束縛而成為自在電子。能量

7、就能掙脫原子核的束縛而成為自在電子。 五價的雜質(zhì)元素提供多余五價的雜質(zhì)元素提供多余 的價電子，稱此雜質(zhì)為施主雜質(zhì)。的價電子，稱此雜質(zhì)為施主雜質(zhì)。 摻入施主雜質(zhì)后的半導體中摻入施主雜質(zhì)后的半導體中 自在電子的濃度遠大于空穴，自在電子的濃度遠大于空穴， 這樣的半導體稱為這樣的半導體稱為N型半導體。型半導體。 N型半導體中型半導體中 自在電子稱為多數(shù)載流子，自在電子稱為多數(shù)載流子， 空穴稱為少數(shù)載流子空穴稱為少數(shù)載流子. 五價的雜質(zhì)原子由于給出一個五價的雜質(zhì)原子由于給出一個價電子后成為帶正電荷的離子價電子后成為帶正電荷的離子,它是被束縛在半導體晶格中不能挪動而不能參與導電。它是被束縛在半導體晶格中不

8、能挪動而不能參與導電。 http:/ N型半導體簡化構(gòu)造型半導體簡化構(gòu)造 空穴空穴http:/ 由于三價元素只需三個價電子，使第四對共價鍵留下由于三價元素只需三個價電子，使第四對共價鍵留下“空穴，空穴，臨近原子共價鍵上的電子只需獲得少量的能量就能填補這個空臨近原子共價鍵上的電子只需獲得少量的能量就能填補這個空穴，穴， 三價的雜質(zhì)元素的原子能接受電子，故稱為受主雜質(zhì)。三價的雜質(zhì)元素的原子能接受電子，故稱為受主雜質(zhì)。摻雜后的半導體中空穴為多數(shù)載流子，摻雜后的半導體中空穴為多數(shù)載流子，自在電子為少數(shù)載流子，這樣的半導體稱為自在電子為少數(shù)載流子，這樣的半導體稱為P P型半導體。型半導體。負離子多子空穴

9、少子電子型半導體型半導體簡化構(gòu)造簡化構(gòu)造http:/ 純真的半導體晶片上，純真的半導體晶片上， 一邊摻雜成一邊摻雜成P型半導體，型半導體， 一邊摻雜一邊摻雜成成N型半導體型半導體,如以下圖如以下圖 . 1).分散運動分散運動 : 濃度的差別引起載流子濃度的差別引起載流子的運動稱為分散運動的運動稱為分散運動 .分散從分散從P區(qū)與區(qū)與N區(qū)的交界處開場。區(qū)的交界處開場?？昭ǚ稚⒌娇昭ǚ稚⒌絅區(qū)與電子復合，區(qū)與電子復合，在在P區(qū)留下不能挪動的負離子；區(qū)留下不能挪動的負離子；電子分散到電子分散到P區(qū)與空穴復合區(qū)與空穴復合.2)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū):在在N區(qū)留下不能挪動的正離子。在區(qū)留下不能挪動的正離子。

10、在P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的交界附近構(gòu)成一個不區(qū)的交界附近構(gòu)成一個不能挪動的正、負離子的空間電荷區(qū)稱為能挪動的正、負離子的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。結(jié)。 http:/ 由正、負離子組成的空間電荷區(qū)由正、負離子組成的空間電荷區(qū),其電場是由其電場是由N區(qū)去指向區(qū)去指向P區(qū)，區(qū)，即即PN結(jié)的內(nèi)電場。結(jié)的內(nèi)電場。 (見上頁圖見上頁圖) 內(nèi)電場力妨礙多子的分散，有利于雙方少子向?qū)Ψ竭\動內(nèi)電場力妨礙多子的分散，有利于雙方少子向?qū)Ψ竭\動(飄移飄移運動運動)。飄移運動所構(gòu)成的電流稱為飄移電流。飄移運動所構(gòu)成的電流稱為飄移電流。4)動態(tài)平衡動態(tài)平衡少子的飄移運動少子的飄移運動(復合對方的離子復合對方的離子)會使空間電荷區(qū)變窄

11、，會使空間電荷區(qū)變窄，消弱了內(nèi)電場。使內(nèi)電場力減小，又有利于分散的進展。消弱了內(nèi)電場。使內(nèi)電場力減小，又有利于分散的進展。 分散分散 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) 內(nèi)電場力內(nèi)電場力 飄移運動飄移運動 消弱了內(nèi)電場消弱了內(nèi)電場 動態(tài)平衡 - 空間電荷區(qū)穩(wěn)定 http:/ - P區(qū)接電源的正極， N區(qū)接電源的負極. 外電場消弱了內(nèi)電場，使PN結(jié) 變窄，破壞了原動態(tài)平衡，多子的 分散大于少子的飄移，外電路可測 到一個正向電流I，此時稱為PN結(jié)導通 . PN結(jié)呈現(xiàn)為低電阻. 2.PN結(jié)的特性 PN結(jié)兩端加不同極性的電壓，就會有不同的導電特性。 http:/ (2).PN結(jié)反向偏置 : 如圖 - P區(qū)接電源的負

12、極， N區(qū)接電源的正極 . 外電場加強了內(nèi)電場， 使PN結(jié)變寬，破壞了原有的 動態(tài)平衡，加強子的飄移運動。 少子的數(shù)量很少.因此，少子的 飄移運動產(chǎn)生的電流很小， 可忽略不計，此時稱為PN結(jié)截止。 PN結(jié)呈現(xiàn)出高電阻。 (3).單導游通特性 PN結(jié)正向偏置，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻，正導游通； PN結(jié)反向偏置，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻，反向截止。 - PN結(jié)重要的單導游通特性。http:/ 根本構(gòu)造 一個PN結(jié)上引出兩個電極， 加上外殼 封裝,如右圖(a)。 半導體二極管用圖(b)符號表示. 加工工藝不同,二極管類型: 點接觸型二極管: PN結(jié)面積很小，流過電流小。結(jié)電容小，多用于 高頻與開關(guān)電路。點接觸型二極管

13、多是鍺管。 面接觸型二極管: PN結(jié)的面積大，可經(jīng)過大的電流，任務(wù)頻率低， 多用于整流電路。此類管普通是硅管。http:/ 是指流過二極管的電流和二極管兩端電 壓之間的關(guān)系曲線，如以下圖。1.當正偏置電壓Uth值: 流過二極管的電流才隨電壓的 添加而呈指數(shù)式大導通區(qū) Uth稱為二極管的門限(死區(qū))電壓。 鍺管:Uth值約為0.1V; 硅管:Uth值約為0.5V。 使二極管上有明顯的電流流過，鍺管正向電壓應取(0.20.3)V ; 硅管正向電壓應取(0.60.8)V， 這個電壓稱為二極管導通電壓UD(正導游通壓降)。 死區(qū)導通區(qū)UDhttp:/ 3.反向特性:1).反向截止形狀:二極管加反偏置電

14、壓時，只需少數(shù)載流子的飄移運動產(chǎn)生微小的反向電流，稱為反向飽和電流 - 二極管反向截止。 2).反向擊穿形狀:當反向電壓加大到某一數(shù)值時，反向電流將會急劇添加， - 稱為反向擊穿，該反向電壓稱為反向擊穿電壓Ubr。 這時，二極管失去單導游電的特性。5.2.3 主要參數(shù) 1.最大整流電流 - 最大正向平均電流 . 2.最高反向任務(wù)電壓 -二極管加反向電壓時不被擊穿 的極限參數(shù)。 3.最大的反向電流- 單導游電性能好壞的目的. http:/ (左圖) 當二極管兩端的反向電壓加大到一定程時, 反向電流急劇添加大 - 二極管反向擊穿特性. 在這區(qū)間里，反向電流在很大范圍內(nèi)變化， 而二極管兩端電壓根本不

15、變。 采用特殊的工藝可制形成穩(wěn)壓二極管， 它在電路中能起到穩(wěn)壓的作用。任務(wù)在反向穿 形狀下，它的反向擊穿是可逆的。 2.主要參數(shù) (1)穩(wěn)定電壓UZ：是穩(wěn)壓二極管正常任務(wù)時的穩(wěn)壓值(2)穩(wěn)定電流IZ：正常穩(wěn)壓時的最小任務(wù)電流。(3)動態(tài)電阻rZ： rZ越小,穩(wěn)壓性能越好.正向特性反向特性IZVZ0VIhttp:/ 三極管的根本構(gòu)造 一塊半導體基片上摻雜構(gòu)成三個區(qū)。由P區(qū)和N區(qū)的陳列不同， 三極管分成兩類：NPN型和PNP型，如圖(a)和(b)所示。三個區(qū)三個區(qū)兩個結(jié)兩個結(jié)三個極三個極http:/ 發(fā)射結(jié)有明顯的電流流過， 鍺管正向電壓應(0.20.3)V ; 硅管正向電壓應(0.60.8)V，

16、 (正導游通壓降)。2.電源EC向集電結(jié)提供反向偏置，UCB0。 三極管(NPN為例)要實現(xiàn)放大的條件:如圖(a)所示。http:/ (2).基區(qū)中多子空穴，向發(fā)射區(qū)分散構(gòu)成電流IEP (3)兩者的電流方向一樣，構(gòu)成發(fā)射極電流IE IE = IEN +IEP IEN E區(qū)摻雜的濃度遠高于 B區(qū)摻雜的濃度.http:/ ,絕大多數(shù)都能穿越基區(qū)到達集電結(jié)附近。(2).集電結(jié)反向偏置，基區(qū)和集電區(qū)的少子互向?qū)Ψ斤h移，形成飄移電流ICB0，稱為反向電流。(3) 上知:基區(qū)中多子空穴，向發(fā)射區(qū)分散構(gòu)成電流IEP (4) 組成基極電流IB有: IB = IBN + IEP - ICB0 IBN - ICB

17、0 (5-2)3.集電區(qū)搜集載流子構(gòu)成集電極電流IC (1) 集結(jié)在集電結(jié)附近發(fā)射區(qū)發(fā)射過來的大量電子,被EC正極吸引到集電區(qū)，流向EC的正極，構(gòu)成ICN (2)上知:基區(qū)和集電區(qū)中少子飄移，產(chǎn)生飄移電流ICB0(3) 集電極電流IC為 : IC = ICN + ICB0 = IEN - IBN + ICB0 (5-3) 2.基區(qū)復合構(gòu)成基極電流IChttp:/ 知知:式式(5-1)、(5-2)、(5-3)如下如下: IE = IEN +IEP (5-1) IB = IBN + IEP - ICB0 (5-2) IC = IEN - IBN + ICB0 (5-3) 而而(5-2)+(5-3)

18、 得得 IB + IC = IEN +IEP 即即: IE = IB + IC 分析可看出：分析可看出： 發(fā)射極電流發(fā)射極電流IE等于集電極電流等于集電極電流IC和基極電流和基極電流IB之之和和.http:/ 把三極管看成一個結(jié)點，根據(jù)基爾霍夫電流定律，那么可寫成: IE = IB + IC 5.電流放大倍數(shù) 將IC和IB的關(guān)系寫成: 由于IC比IB的電流大得多 , 稱為直流放大倍數(shù) 同樣可寫成電流變化量比: 稱為交流放大倍數(shù) 在實踐中，兩個放大倍數(shù)在數(shù)值上很接近，常相互交換. IC比IB的電流關(guān)系寫成: 可看出:當IB(IB)有很小的變化時，就會控制IC(IC)的很大變化. IE IB IC

19、BCIIBCIIBCIIBCIIhttp:/ 6.共發(fā)射極電路在上述分析的圖(a)電路中:發(fā)射極是基極回路(輸入回路)和集電極回路(輸出回路)共有，此電路的接法稱為共發(fā)射極電路。 所以這里的電流放大系數(shù)的全稱應為共發(fā)射極電流放大系數(shù)，簡稱為電流放大系數(shù)。 對于詳細的某個三極管，它一旦制造完成，其電流放大系數(shù)就確定了而不會改動。http:/ 輸入回路的函數(shù)關(guān)系式： IB = f (UBE)UCE常數(shù) 發(fā)射極之間的電壓UCE為常數(shù)時，基極回路中基極電流IB與基極、發(fā)射極間電壓UBE的關(guān)系曲線. 右圖所示。 集電結(jié)加有反向偏置電壓: 輸入特性曲線和二極管的伏安特性曲線一樣 (1)死區(qū): UBE 0.

20、7V IB與隨UBE的添加明顯增大.死區(qū)導通區(qū)http:/ 基極電流IB為常數(shù)，集電極回路中IC與集電極、發(fā)射極間電壓UCE的關(guān)系曲線.函數(shù)關(guān)系式為: IC = f (UCE ) IB =常數(shù) 完好的輸出特性曲線如右圖. 輸出特性曲線分成三個任務(wù)區(qū)域: 截止區(qū)： 飽和區(qū)：放大區(qū)： 代表三極管的三個不同的任務(wù)形狀。 放放大大區(qū)區(qū)http:/ 位于輸出特性曲線的最下端，IB=ICB0曲線以下區(qū)域。 三極管的兩個結(jié)都處于反向偏置形狀，即UBE0 ，UBC0)的正向偏置， 集電結(jié)( UBC0，UBC0 可看出：IC電流不受I B的控制， IC和IB已不符合的關(guān)系。 - 飽和任務(wù)形狀， 普通以為：當UC

21、E0，源極S和P型的襯底相銜接. 在靠近絕緣層外表P區(qū)一側(cè)感應出負電荷。感應負電荷隨著UGS加大而增多，產(chǎn)生N+型層-稱為反型層。在兩個N+型區(qū)之間形成了一條N型的導電溝道. 構(gòu)成N型導電溝道的柵源電壓UGS 稱為開啟電壓UGS(th)。 (2).這時如加正電壓UDS，源區(qū)中的電子就會沿著導電溝道到達漏極，構(gòu)成漏極電流ID。加大UGS，導電溝道加寬，導電才干增強，ID增大。ID和UGS的關(guān)系曲線稱為場效應管的轉(zhuǎn)移特性 曲線,反映了 UGS對ID控制特性。UDShttp:/ UGS(th)時，溝道構(gòu)成，時，溝道構(gòu)成，加上加上UDS，產(chǎn)生，產(chǎn)生ID電流，而且會電流，而且會隨著隨著UDS的加大而增大

22、的加大而增大;(3)隨著隨著UGS加大，導電溝道加寬，加大，導電溝道加寬，導電才干加強，導電才干加強，ID增大。增大。http:/ UGS(th)時，時，ID與與UDS之間是可變的線性之間是可變的線性電阻關(guān)系，稱為可變線性電阻區(qū)電阻關(guān)系，稱為可變線性電阻區(qū)在在區(qū)中區(qū)中:ID不隨不隨UDS增大而增大，增大而增大， 而是維持在某一個數(shù)值上，而是維持在某一個數(shù)值上， 稱為恒流區(qū)。稱為恒流區(qū)。 呈現(xiàn)出很大的輸出電阻呈現(xiàn)出很大的輸出電阻r0。在不同的柵源電壓下，漏極的電流是呈線性增大的在不同的柵源電壓下，漏極的電流是呈線性增大的IDUDShttp:/ - gm - 柵源電壓對漏極電流控制才干的強弱。柵源電壓對漏極電流