2模擬電子AnalogElectronics第四章半導體器件智能制造與信息工程學院第4章半導體器件第一節(jié)半導體材料及PN結(jié)一、本征半導體純凈的、晶體結(jié)構(gòu)完整的半導體稱為本征半導體，常溫下其電阻率很高，是電的不良導體。本征半導體在絕對溫度為零度和沒有外界其他因素影響時，價電子不能掙脫共價鍵的束縛，也就不能自由移動，此時半導體不導電。當溫度升高或受到外界其他因素影響時，少數(shù)價電子獲得能量從而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子，在原來的共價鍵的相應位置留下一個空位，稱為“空穴”。圖4.1本征激發(fā)示意圖在本征半導體中存在兩種載流子：帶負電荷的電子載流子和帶正電荷的空穴載流子。第一節(jié)半導體材料及PN結(jié)第4章半導體器件二、本征半導體

在本征半導體中摻入微量的有用雜質(zhì)，就可以形成導電能力大大增強的雜質(zhì)半導體。雜質(zhì)半導體是制造各種半導體器件的基本材料，按摻入雜質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導體可以分為N型半導體和P型半導體。（一）N型半導體在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導體。在N型半導體中，主要靠自由電子導電，自由電子數(shù)目遠大于空穴數(shù)。一般將自由電子稱為多數(shù)載流子即多子，空穴稱為少數(shù)載流子即少子。自由電子主要由雜質(zhì)原子提供，空穴由熱激發(fā)形成。摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導電性能就越強。N型半導體也稱為電子型半導體。（二）P型半導體在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導體。在P型半導體中，主要靠空穴導電，空穴為多子，自由電子為少子?？昭ㄖ饕呻s質(zhì)原子提供，自由電子由熱激發(fā)形成。摻入的雜質(zhì)越多，多子（空穴）的濃度就越高，導電性能就越強。P型半導體也稱為空穴型半導體。第4章半導體器件三、PN結(jié)（一）PN結(jié)的形成

當P型半導體和N型半導體結(jié)合在一起時，由于交界面處存在載流子濃度的差異，這樣電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。但是，電子和空穴都是帶電的，它們擴散的結(jié)果就使P區(qū)和N區(qū)中原來的電中性條件破壞了。P區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動的負離子，N區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動的正離子。這些不能移動的帶電粒子通常稱為空間電荷，它們集中在P區(qū)和N區(qū)交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，這就是我們所說的PN結(jié)。圖4.2PN結(jié)第4章半導體器件（二）PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)在未加外加電壓時，擴散運動與漂移運動處于動態(tài)平衡，通過PN結(jié)的電流為零。（1）外加正向電壓（正偏）。當電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)時，稱為給PN結(jié)加正向電壓或正向偏置。（2）外加反向電壓（反偏）。當電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū)時，稱為給PN結(jié)加反向電壓或反向偏置。（3）PN結(jié)的擊穿特性。當PN結(jié)上加的反向電壓增大到一定數(shù)值時，反向電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。第4章半導體器件第二節(jié)半導體二極管二、本征半導體半導體二極管簡稱二極管。它是由一個PN結(jié)組成的器件，具有單向?qū)щ姷男阅埽虼?，常用它作為整流或檢波的器件。圖4.4二極管符號二極管在電路中常用VD加數(shù)字表示，如VD5表示編號為5的二極管。二極管按材料分，有鍺二極管、硅二極管和砷化鎵二極管，前兩種應用最廣泛。圖4.5二極管示意圖第4章半導體器件二、二極管的特性和主要參數(shù)（一）二極管的伏安特性圖4.6二極管靜態(tài)特征曲線第4章半導體器件（二）二極管的主要參數(shù)一般的檢波、整流二極管主要有以下4個參數(shù)：（1）最大整流電流IFM。（2）最大反向電壓URM。（3）最大反向電流IRM。（4）最高工作頻率fM。第4章半導體器件三、二極管的基本應用

我們運用二極管主要是利用它的單向?qū)щ娦?。將二極管應用于檢波、整流、限幅和鉗位電路中時，如果二極管正向?qū)?，通常將其看作短接導線或?qū)妷阂欢?；如果二極管反向截止，則認為斷路。（一）整流整流是利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒔涣麟娮優(yōu)閱蜗蛎}動直流電的過程。圖4.7簡單整流電路及其波形圖第4章半導體器件（二）限幅限幅電路是用來限制輸入信號電壓范圍的電路。圖4.8限幅電路及其波形圖第4章半導體器件三、幾種常見的二極管最常見、最普通的二極管是整流二極管、檢波二極管、開關(guān)二極管和發(fā)光二極管。（一）整流二極管整流二極管是面接觸型的，多采用硅材料構(gòu)成。由于PN結(jié)面較大，能承受較大的正向電流和高反向電壓，性能比較穩(wěn)定，但因結(jié)電容較大，不宜在高頻電路中應用，故不能用于檢波。整流二極管有金屬封裝和塑料封裝兩種。（二）檢波二極管

檢波的作用是把調(diào)制在高頻電磁波上的低頻信號檢取出來。檢波二極管要求結(jié)電容小，反向電流也小，所以檢波二極管常采用點接觸型二極管，常見的檢波二極管有2AP1～2AP7及2AP9～2AP17等型號。除一般二極管參數(shù)外，檢波二極管還有一個特殊參數(shù)—檢波效率。它的定義是：在檢波二極管輸出電阻負載上產(chǎn)生的直流輸出電壓與加在輸入端的正弦交流信號電壓峰值之比的百分數(shù)，即：檢波效率=（直流輸出電壓/輸入信號電壓峰值）×100%

第4章半導體器件（三）開關(guān)二極管（四）發(fā)光二極管

由于晶體二極管具有單向?qū)щ娞匦?，在正偏壓下，即導通狀態(tài)下其電阻很小，約幾十至幾百歐姆；在反偏壓下呈截止狀態(tài)，其電阻很大，硅管在10MΩ以上，鍺管也有幾十千歐至幾百千歐。利用二極管的這一特性，在電路中對電流進行控制，可起到“接通”或“關(guān)斷”的開關(guān)作用。開關(guān)二極管就是為在電路中進行“開”和“關(guān)”而設計制造的一類二極管。

半導體發(fā)光二極管是用PN結(jié)把電能轉(zhuǎn)換成光能的一種器件，它可用作光電傳感器、測試裝置、遙測遙控設備等。按其發(fā)光波長，可分為激光二極管、紅外發(fā)光二極管和可見光發(fā)光二極管?？梢姽獍l(fā)光二極管常簡稱為發(fā)光二極管。第4章半導體器件第三節(jié)半導體三極管

放大是電子學最基本的內(nèi)容之一，而半導體三極管就具有放大作用，它構(gòu)成的基本放大電路是組成各種復雜電路的單元和基礎(chǔ)。一、半導體三極管的類型

半導體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.10所示。它有兩種類型：NPN型和PNP型。包含三層半導體。圖4.10兩類三極管示意圖及圖形符號第4章半導體器件二、雙極型半導體三極管（一）雙極型半導體三極管的結(jié)構(gòu)

半導體三極管中間部分稱為基區(qū)，相連電極稱為基極，用B或b表示；一側(cè)稱為發(fā)射區(qū)，相連電極稱為發(fā)射極，用E或e表示；另一側(cè)稱為集電區(qū)，相連電極稱為集電極，用C或c表示。E-B間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)（Je），C-B間的PN結(jié)稱為集電結(jié)（Jc）。雙極型三極管的符號在圖4.10的右下方給出，發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實際方向。從外表上看兩個N區(qū)（或兩個P區(qū)）是對稱的，實際上發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積大?；鶇^(qū)要制造得很薄，其厚度一般在幾個至幾十個微米。第4章半導體器件（二）雙極型半導體三極管的電流分配與控制

雙極型半導體三極管在工作時一定要加上適當?shù)闹绷髌秒妷?。若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓?，F(xiàn)以NPN型三極管的放大狀態(tài)為例來說明三極管內(nèi)部的電流關(guān)系，如圖4.11所示。圖4.11雙極型三極管的電流傳輸關(guān)系

由以上分析可知，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)很薄，是保證三極管能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大的關(guān)鍵。若兩個PN結(jié)對接，相當于基區(qū)很厚，所以沒有電流放大作用，基區(qū)從厚變薄，兩個PN結(jié)演變?yōu)槿龢O管。第4章半導體器件（三）雙極型半導體三極管的電流關(guān)系（1）三種組態(tài)。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。三種接法也稱三種組態(tài)，如圖4.12所示。圖4.12三極管的三種組態(tài)第4章半導體器件第4章半導體器件三、雙極型半導體三極管的特性曲線共發(fā)射極接法三極管的特性曲線為：共發(fā)射極接法的供電電路和電壓－電流關(guān)系如圖4.13所示。圖4.13共發(fā)射極接法的電壓－電流關(guān)系第4章半導體器件（一）輸入特性曲線

簡單地看，輸入特性曲線類似于發(fā)射結(jié)的伏安特性曲線，現(xiàn)討論和之間的函數(shù)關(guān)系。因為有集電結(jié)電壓的影響，它與一個單獨的PN結(jié)的伏安特性曲線不同。曲線的右移是三極管內(nèi)部反饋所致，右移不明顯說明內(nèi)部反饋很小。輸入特性曲線分為死區(qū)、非線性區(qū)、線性區(qū)。圖4.14共發(fā)射極接法的輸入特性曲線第4章半導體器件（二）輸出特性曲線共發(fā)射極接法的輸出特性曲線如圖4.15所示，它是以為參變量的一簇特性曲線，現(xiàn)以其中任何一條加以說明。圖4.15共發(fā)射極接法的輸出特性曲線第4章半導體器件四、半導體三極管的參數(shù)半導體三極管的參數(shù)分為直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)三大類。（一）直流參數(shù)（1）直流電流放大系數(shù)。在放大區(qū)基本不變，在IC較小時和IC較大時會有所減小。共基極直流電流放大系數(shù)：第4章半導體器件（2）極間反向電流。（二）交流參數(shù)（1）交流電流放大系數(shù)。共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)共基極交流電流放大系數(shù)

：：第4章半導體器件（2）特征頻率fT。（三）極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流。第4章半導體器件（2）集電極最大允許功率損耗。（3）反向擊穿電壓。反向擊穿電壓表示三極管電極間承受反向電壓的能力。 ：發(fā)射極開路時的集電結(jié)反向擊穿電壓。下標BR代表擊穿之意，是Breakdown的字頭，C、B代表集電極和基極，O代表第三個電極E開路。 ：集電極開路時發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓。 ：基極開路時集電極和發(fā)射極間的反向擊穿電壓。圖4.16輸出特性曲線上的過損耗區(qū)和擊穿區(qū)第4章半導體器件五、半導體三極管的型號國家標準對半導體三極管的命名如下：第二位：A表示鍺PNP管；B表示鍺NPN管；C表示硅PNP管；D表示硅NPN管。第三位：X表示低頻小功率管；D表示低頻大功率管；G表示高頻小功率管；A表示高頻大功率管；K表示開關(guān)管。第4章半導體器件第四節(jié)場效應管一、結(jié)型場效應管（一）結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)和工作原理以N溝道結(jié)型場效應管為例進行說明。在N型半導體材料的兩側(cè)分別制作兩個高濃度P區(qū)，形成兩個PN結(jié)。（a）N溝道JFET結(jié)構(gòu)示意圖；（b）N溝道JFET符號；（c）P溝道JFET符號

圖4.17結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號第4章半導體器件兩個PN結(jié)構(gòu)成的空間電荷區(qū)大多是不能移動的正負離子，可移動的載流子很少，故又稱為耗盡區(qū)。根據(jù)PN結(jié)理論，耗盡區(qū)的寬窄除受半導體中雜質(zhì)濃度的影響外，還受反向偏置電壓大小的控制。（1）對的控制作用。圖4.18時柵源電壓對導電溝道的影響第4章半導體器件（2）uDS對的控制作用。

（a）（b）圖4.19時對導電溝道的影響第4章半導體器件（二）結(jié)型場效應管的特性曲線（1）轉(zhuǎn)移特性曲線。（a）轉(zhuǎn)移特性曲線

（b）輸出特性曲線

圖4.20結(jié)型場效應管的特性曲線第4章半導體器件圖4.20（b）所示是結(jié)型場效應管的一簇輸出特性曲線，根據(jù)曲線分布特點將其劃分為4個區(qū)：可變電阻區(qū)（也稱非飽和區(qū)）恒流區(qū)（也稱線性放大區(qū)、飽和區(qū)、有源區(qū)）夾斷區(qū)（也稱截止區(qū)）擊穿區(qū)第4章半導體器件二、絕緣柵型場效應管（一）增強型MOS場效應管（1）結(jié)構(gòu)和標識符號。（b）N溝道符號

（c）P溝道符號圖4.21增強型MOS場效應管

以摻雜濃度較低的P型硅為襯底，在襯底上采用擴散工藝制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū)，從N+區(qū)分別引出來的兩個電極，一個作為漏極d，另一個作為源極s，同時從襯底的另一側(cè)引出一個襯底引線B，然后在半導體表面覆蓋一薄層二氧化硅作為絕緣層，再在漏－源極之間的絕緣層上制作一個鋁電極作為柵極g。第4章半導體器件（2）N溝道增強型MOS場效應管的工作原理。（a）電路圖 （b）感生溝道的產(chǎn)生圖4.22N溝道增強型MOS場效應管工作原理圖第4章半導體器件（3）轉(zhuǎn)移特性。與三極管的輸入特性曲線所描述的輸入電流與輸入電壓之間的關(guān)系不同，因為MOSFET的柵極絕緣，沒有輸入電流，只有輸出電流。（a）轉(zhuǎn)移特性曲線圖4.23N溝道增強型MOS場效應管的特性曲線第4章半導體器件圖4.23N溝道增強型MOS場效應管的特性曲線（4）輸出特性（b）輸出特性曲線第4章半導體器件（二）耗盡型MOS場效應管（a）結(jié)構(gòu)

（b）N溝道符號 c）P溝道符號圖4.24N溝道耗盡型MOS管結(jié)構(gòu)及符號P溝道耗盡型MOS場效應管的工作原理與N溝道耗盡型MOS場效應管一致，所不同的是導電的載流子、工作電壓極性接法相反。第4章半導體器件（三）場效應管的主要參數(shù)第4章半導體器件三、場效應管與晶體管的比較（1）相似之處。FET和BJT都屬于半導體器件，都具有三個極，并且三個極的作用相似。FET的柵極g、源極s、漏極d分別對應于BJT的基極b、發(fā)射板e和集電極c。（2）導電機制與穩(wěn)定性的差異。場效應管利用多子導電，而晶體管利用多子導電的同時，少子也參與導電，并且少子數(shù)目受溫度、輻射影響較大。因此，相比較而言，F(xiàn)ET的溫度穩(wěn)定性和抗輻射能力優(yōu)于BJT。（3）控制方式與直流輸入電阻的不同。FET屬于電壓控制器件，輸出電流取決于輸入電壓；BJT是電流控制器件，輸出電流取決于輸入電流。由于控制方式的不同，F(xiàn)ET的直流輸入電阻可高達108～1015Ω，能滿足高內(nèi)阻信號源對放大電路的要求，所以是較理想的前置輸入級器件。BJT直流輸入電阻僅有102～104Ω，必然取用信號源電流，使有效輸入信號降低。第4章半導體器件（4）單極電壓增益及噪聲不同。FET的單極電壓增益較小、噪聲中等，BJT的單極電壓增益較大、噪聲較大。（5）其他。一定條件下，F(xiàn)ET的漏極和源極可互換，BJT的集電極和發(fā)射極一般不可互換。（6）工作在線性放大區(qū)的偏置方式不同，差異見表4.1。表4.1FET和BJT偏置方式的比較（放大區(qū)）第4章半導體器件第五節(jié)晶閘管一、晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理（一）晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管外部有三個電極，內(nèi)部是由PNPN四層半導體構(gòu)成，最外層的P層和N層分別引出陽極A和陰極K，中間引出控制極G，內(nèi)部有三個PN結(jié)。圖4.25晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號第4章半導體器件（二）晶閘管的工作原理晶閘管按圖4.26（a）構(gòu)成工作電路，圖4.26（b）表示其工作原理。（a）

（b）圖4.26晶閘管工作原理晶閘管有以下幾種工作方式：（1）晶閘管的正向阻斷。（2）晶閘管的導通。（3）控制極的控制作用。（4）晶閘管導通后的關(guān)斷。第4章半導體器件二、晶閘管的工作特性和主要參數(shù)（一）晶閘管的工作特性晶閘管的導通和關(guān)斷具有一定的條件：（1）晶閘管的導通特點。晶閘管具有單向?qū)щ娦?，晶閘管的導通受門極的控制。（2）晶閘管導通的條件。陽極與陰極之間加正向電壓，門極與陰極之間加正向電壓。（3）導通后的晶閘管關(guān)斷的條件。以下條件滿足一個即可使導通的晶閘管關(guān)斷：降低陽極與陰極之間的電壓，使通過晶閘管的電流