1、第五章 半導(dǎo)體器件,（時間：3次課，6學(xué)時）,教學(xué)提示： 半導(dǎo)體器件是構(gòu)成電子線路的基本單元， 掌握半導(dǎo)體器件的基本特性是分析電子線路的基礎(chǔ)。 本章首先討論半導(dǎo)體的特性，然后分別介紹PN結(jié)、二極管、三極管、場效應(yīng)管(和晶閘管)的基本知識。 教學(xué)目的： 1.了解P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體以及PN結(jié)的特性； 2. 掌握半導(dǎo)體二極管、三極管和場效應(yīng)管工作原理、 伏安特性和主要參數(shù)； 3. 了解其它類型的半導(dǎo)體器件。,主要內(nèi)容,5.1 半導(dǎo)體與PN結(jié) 5.2 半導(dǎo)體二極管 5.3 半導(dǎo)體三極管 5.4 場效應(yīng)管 5.5 復(fù)合管,5.1 半導(dǎo)體與PN結(jié),導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體. 常用的

2、半導(dǎo)體材料是鍺（Ge）和硅（Si）。 5.1.1 本征半導(dǎo)體 1.純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。 2.本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu): 最外層都有四個價電子; 每一個價電子都和鄰近原子 的價電子組成一對共價鍵， 形成相互束縛的關(guān)系。 3.最外層均有八個價電子而處于穩(wěn)定狀態(tài)。 這時半導(dǎo)體內(nèi)部沒有任何帶電的粒子存在， 半導(dǎo)體材料相當于絕緣體。,4.本征激發(fā): 溫度或外界光照影響下，價電子電子得到能量，其中少數(shù) 能量較大的價電子可以擺脫共價鍵的束縛而形成自由電子,這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā) 5.電子空穴對: 價電子脫離了共價鍵束縛后，在原共 價鍵中缺少一個應(yīng)有的電子而留下了 “空穴”，形成電子空穴對. “空穴”因失

3、去電子而形成的， 被視為帶單位正電荷. 6.復(fù)合: 帶正電荷的空穴，會吸引相鄰原子上的價電子來填補(復(fù)合)，而在這個價電子的原來地方留下新的空穴。,7.載流子 空穴(+)和電子(-)都是帶電的粒子，稱為載流子. 空穴和電子的運動是雜亂無章的, 在本征半導(dǎo)體中不構(gòu)成電流。 8.激發(fā)和復(fù)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(fù)合是同時 進行的，并保持動態(tài)平衡，使電子空穴的濃度保持不變。 隨著溫度的升高，本征激發(fā)會提高電子空穴對濃度。 5.1.2 P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體中空穴(+)和電子(-)是等量的而且很少. 在本征半導(dǎo)體中摻入微量的其它(雜質(zhì))元素,摻雜后的半導(dǎo)體 -

4、雜質(zhì)半導(dǎo)體。 摻雜的元素不同，P型(雜質(zhì))半導(dǎo)體和N(雜質(zhì))型半導(dǎo)體。,1.N型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體鍺或硅中摻入五價的磷(P)或銻(Sb)元素，雜質(zhì)原子代替本征半導(dǎo)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，只要獲得少量的能量就能掙脫原子核的束縛而成為自由電子。 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)。 摻入施主雜質(zhì)后的半導(dǎo)體中 自由電子的濃度遠大于空穴， 這樣的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。 N型半導(dǎo)體中 自由電子稱為多數(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 價電子后成為帶正電荷的離子, 它是被束縛在半導(dǎo)體晶格中不能移動而不能參與導(dǎo)電

5、。,N型半導(dǎo)體簡化結(jié)構(gòu),空穴,P型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體鍺或硅中摻入三價的元素(B)或(Al) 三價元素的原子代替本征半導(dǎo)體晶格中（鍺或硅）的原子。 由于三價元素只有三個價電子，使第四對共價鍵留下“空穴”，鄰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， 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(dǎo)體中空穴為多數(shù)載流子， 自由電子為少數(shù)載流子，這樣的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。,負離子,多子空穴,少子電子,型半導(dǎo)體 簡化結(jié)構(gòu),5.1.3 PN結(jié),1.PN結(jié)的形成: 純凈的半導(dǎo)體晶片上， 一邊摻雜成P型半導(dǎo)體， 一邊摻雜成N型半導(dǎo)體,如下圖 . 1).擴散運動 : 濃度的差異

6、引起載流子 的運動稱為擴散運動 . 擴散從P區(qū)與N區(qū)的交界處開始。 空穴擴散到N區(qū)與電子復(fù)合， 在P區(qū)留下不能移動的負離子； 電子擴散到P區(qū)與空穴復(fù)合. 2)空間電荷區(qū): 在N區(qū)留下不能移動的正離子。在P區(qū)和N區(qū)的交界附近形成一個不能移動的正、負離子的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。,3).飄移運動: 由正、負離子組成的空間電荷區(qū),其電場是由N區(qū)去指向P區(qū)， 即PN結(jié)的內(nèi)電場。 (見上頁圖) 內(nèi)電場力阻礙多子的擴散，有利于雙方少子向?qū)Ψ竭\動(飄移 運動)。飄移運動所形成的電流稱為飄移電流。 4)動態(tài)平衡 少子的飄移運動(復(fù)合對方的離子)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，又有利于擴散的進

7、行。 擴散 空間電荷區(qū) 內(nèi)電場力 飄移運動 消弱了內(nèi)電場,動態(tài)平衡 - 空間電荷區(qū)穩(wěn)定,(1).PN結(jié)正向偏置:如圖 - 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 擴散大于少子的飄移，外電路可測 到一個正向電流I，此時稱為PN結(jié)導(dǎo)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(dǎo)電特性。,(2).PN結(jié)反向偏置 : 如圖 - P區(qū)接電源的負極， N區(qū)接電源的正極 . 外電場增強了內(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

8、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).單向?qū)ㄌ匦?PN結(jié)正向偏置，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻，正向?qū)ǎ?PN結(jié)反向偏置，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻，反向截止。 - PN結(jié)重要的單向?qū)ㄌ匦浴?5.2 半導(dǎo)體二極管,5.2.1 基本結(jié)構(gòu) 一個PN結(jié)上引出兩個電極， 加上外殼 封裝,如右圖(a)。 半導(dǎo)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。點接觸型二極管多是鍺管。 面接觸型二極管: PN結(jié)的面積大，可通過大的電流，工作頻率低， 多用于整流電路。此類管一般是硅管。,5.2.2 伏安特性,伏

9、安特性曲線: 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，如下圖。 1.當正偏置電壓Uth值: 流過二極管的電流才隨電壓的 增加而呈指數(shù)式大導(dǎo)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(yīng)取(0.20.3)V ; 硅管正向電壓應(yīng)取(0.60.8)V， 這個電壓稱為二極管導(dǎo)通電壓UD(正向?qū)▔航?。,死區(qū),導(dǎo)通區(qū),UD,3.反向特性: 1).反向截止狀態(tài): 二極管加反偏置電壓時，只有少數(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).反向擊穿狀態(tài): 當

10、反向電壓加大到某一數(shù)值時，反向電流將會急劇增加， - 稱為反向擊穿，該反向電壓稱為反向擊穿電壓Ubr。 這時，二極管失去單向?qū)щ姷奶匦浴?5.2.3 主要參數(shù) 1.最大整流電流 - 最大正向平均電流 . 2.最高反向工作電壓 -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- 單向?qū)щ娦阅芎脡牡闹笜?,5.2.4.穩(wěn)壓二極管,1.原理與符號: (左圖) 當二極管兩端的反向電壓加大到一定程時, 反向電流急劇增加大 - 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， 而二極管兩端電壓基本不變。 采用特殊的工藝可制作成穩(wěn)壓二極管， 它在電路中能起到穩(wěn)壓的作用。工作在反向穿

11、 狀態(tài)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)壓二極管正常工作時的穩(wěn)壓值 (2)穩(wěn)定電流IZ：正常穩(wěn)壓時的最小工作電流。 (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,IZ,VZ,0,V,I,5.3 半導(dǎo)體三極管,5.3.1 三極管的基本結(jié)構(gòu) 一塊半導(dǎo)體基片上摻雜形成三個區(qū)。由P區(qū)和N區(qū)的排列不同， 三極管分成兩類：NPN型和PNP型，如圖(a)和(b)所示。,三個區(qū),兩個結(jié),三個極,5.3.2 三極管的電流放大作用,1.電源EB向發(fā)射結(jié)提供正向偏置，UBE0。 發(fā)射結(jié)有明顯的電流流過， 鍺管正向電壓應(yīng)(0.20.3)V ; 硅管正向電壓應(yīng)(0.

12、60.8)V， (正向?qū)▔航?。 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。,1.發(fā)射區(qū)發(fā)射多數(shù)載流子形成IE,(1).發(fā)射區(qū)中多子電子向基區(qū)擴散形成電流IEN (2).基區(qū)中多子空穴，向發(fā)射區(qū)擴散形成電流IEP (3)兩者的電流方向相同，形成發(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.,(1).發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散的電子少數(shù)在基區(qū)與空穴復(fù)合形成復(fù)合電流IBN ,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。

13、(3) 上已知:基區(qū)中多子空穴，向發(fā)射區(qū)擴散形成電流IEP (4) 組成基極電流IB有: IB = IBN + IEP - ICB0 IBN - ICB0 (5-2) 3.集電區(qū)收集載流子形成集電極電流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，形成ICN (2)上已知: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(fù)合形成基極電流IC,4.三極管電流分配關(guān)系: 已知:式(5-1)、(5-2)、(5-3)如下: IE =

14、IEN +IEP (5-1) IB = IBN + IEP - ICB0 (5-2) IC = IEN - IBN + ICB0 (5-3) 而(5-2)+(5-3) 得 IB + IC = IEN +IEP 即: IE = IB + IC 分析可看出： 發(fā)射極電流IE等于集電極電流IC和基極電流IB之和.,把三極管看成一個結(jié)點，根據(jù)基爾霍夫電流定律，則可寫成: 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) 在實際中，兩個放大倍數(shù)在數(shù)值上很接近，常相互替換. IC比IB的電流關(guān)

15、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,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(yīng)為共發(fā)射極電流放大系數(shù)，簡稱為電流放大系數(shù)。 對于具體的某個三極管，它一旦制作完成，其電流放大系數(shù)就確定了而不會改變。,5.3.3 三極管伏安特性曲線,伏安特性曲線包括輸入特性曲線和輸出特性曲線.可以通過實驗方法(見圖)或用晶體管圖示儀獲得。,輸入回路,輸出回路,1.輸入特性曲線: 輸入回路的函數(shù)關(guān)系式： IB = f (UBE)

16、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相同 (1)死區(qū): UBE 0.7V IB與隨UBE的增加明顯增大.,死區(qū),導(dǎo)通區(qū),2.輸出特性曲線 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) 完整的輸出特性曲線如右圖. 輸出特性曲線分成三個工作區(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工作狀態(tài)。,放大區(qū),輸出特性曲線,(1)截止區(qū)： 位于輸出特性曲線的最下端

17、，IB=ICB0曲線以下區(qū)域。 三極管的兩個結(jié)都處于反向偏置狀態(tài)，即 UBE0)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。 - 飽和工作狀態(tài)， 一般認為：當UCE1時，三極管已處在飽和區(qū)工作。,5.3.4三極管主要參數(shù) 選擇和使用三極管的重要依據(jù)。 1.共射極直流交流放大系數(shù): 2.穿透電流(反向飽和電流) ICE0 : 基極開路，集電極與發(fā)射極之間的電流。 ICE0受溫度影響大，ICE0越小則其溫度的穩(wěn)定性就越好。 3.集電極最大允許電流ICM IC的增加會使電流放大系數(shù)下降。 當下降到其正常值三分之二時的IC,稱為集電極最大允

18、許電流。 4. 集電極最大允許耗散功率PCm 集電極允許耗散功率的定義為 PC = UCEIC 三極管在工作時，工作電壓UCE主要降在集電結(jié)上。 IC流過集電結(jié)時要產(chǎn)生熱量，使結(jié)溫上升，會引起三極管參數(shù)發(fā)生變化。實際使用功率PC超過PCm，將毀壞三極管。,5.反向擊穿電壓U(BP)CE0 是指基極開路時，集電極發(fā)射極之間所加的最大允許電壓。 實際使用電壓UCE超過時，ICE0就會突然上升，意味著三極管已被擊穿.,安全工作區(qū):由 集電極最大允許電流、 反向擊穿電壓、 集電極最大允許耗散功率 三個參數(shù)共同組成了三極管的安全工作區(qū)，如右圖所示的三條虛線圍成的區(qū)域。,5.4 場 效 應(yīng) 管,三極管:輸

19、入電流控制輸出電流-電流控制器件. 場效應(yīng)管 :用輸入電壓控制輸出電流-電壓控制器件 特點:具有輸入阻抗高、內(nèi)部噪聲小、熱穩(wěn)定性能好、抗幅 射能力強、耗電量小、制作工藝簡單且易于集成化 種類:場效應(yīng)管(Field Effect Transistor，簡稱FET) 按結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機理分成兩類: 一類為結(jié)型場效應(yīng)管(unction FET，簡稱 JFET)； 一類為絕緣柵型場效應(yīng)管(Insulated Gate FET，簡稱 IGFET)。廣泛應(yīng)用在大規(guī)模集成電路中.,5.4.1 絕緣柵型場效應(yīng)管 材料:是由金屬、二氧化硅絕緣層及半導(dǎo)體構(gòu)成。 叫做金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管， 簡稱MOS管(Metal

20、-oxide-semiconductor type field-effect Transistor) 種類:分為N溝道和P溝道(NMOS和PMOS)， 每種溝道中又有增強型和耗盡型之分， 共有四種類型。 增強型場效應(yīng)管:輸入端(柵源)電壓為零時，管子內(nèi)部沒 有導(dǎo)電溝道，場效應(yīng)管產(chǎn)生電流。 耗盡型場效應(yīng)管: 柵源電壓為零時，管子內(nèi)部已經(jīng)存在 了 導(dǎo)電溝道，當場效應(yīng)管加上漏源電 壓，就有電流存在。,1.絕緣柵型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu):,以N溝道增強型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)為例, 如圖所示。 1).低摻雜的P型硅片作為襯底 2).上面制成兩個相距很近的摻雜 濃度很高的N+型區(qū)(N+型漏區(qū)和N+型源區(qū)). 3).分別安

21、置兩個電極(源極S和漏極D)。 4).在兩個N+型區(qū)之間的硅表面上做一層二氧化硅的氧化膜，再安置一個金屬電極(柵極G)。 5).襯底B的大部分是和源極S相連，也有單獨引出的(B)。,特點: (1)柵極G同半導(dǎo)體P是絕緣; 因而柵源之間的電阻(輸入電阻)RGS有極高的阻值. (2)在N+型的漏區(qū)和N+型的源區(qū)之間被P型的襯底所隔開，形成了兩個背靠背的PN+結(jié)。 在UGS=0時，不管漏極D和源極S之間加上何種極性的電壓，這兩個背靠背的P N+結(jié)，總有一個反向偏置，都不能使漏極D和源極S之間產(chǎn)生電流，即漏極電流ID=0。,+ - + - + -,+ - + - + -,P N 結(jié)極性,N溝道增強型場

22、效應(yīng)管 的電路符號如右圖所示。,P溝道增強型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號如下圖所示,場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖連接:,(1).加UGS0，源極S和P型的襯底相連接. 在靠近絕緣層表面P區(qū)一側(cè)感應(yīng)出負電荷。感應(yīng)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(dǎo)電溝道. 形成N型導(dǎo)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(dǎo)電溝道到達漏極，形成漏極電流ID。 加大UGS，導(dǎo)電溝道加寬，導(dǎo)電能力增強，ID增大。 ID和UGS的關(guān)系曲線稱為場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性 曲線,反映了 UGS對ID控制特性。,UDS,UG

23、SUGS(th),3.場效應(yīng)管的輸出特性曲線 場效應(yīng)管的輸出特性曲線定義為：ID=f(uDS)，uDS=常數(shù),(1)在UGS UGS(th)時，溝道形成，加上UDS，產(chǎn)生ID電流，而且會隨著UDS的加大而增大; (3)隨著UGS加大，導(dǎo)電溝道加寬，導(dǎo)電能力增強，ID增大。,輸出特性曲線可分成三個區(qū): 在區(qū)中:當UGS UGS(th)時，ID與UDS之間是可變的線性電阻關(guān)系，稱為可變線性電阻區(qū) 在區(qū)中:ID不隨UDS增大而增大， 而是維持在某一個數(shù)值上， 稱為恒流區(qū)。 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,ID,UDS,4.場效應(yīng)管的控制參數(shù)跨導(dǎo)gm 場效應(yīng)管

24、是電壓控制器件。 跨導(dǎo)gm - 柵源電壓對漏極電流控制能力的強弱。 在uDS=常數(shù)時，UGS變化就會引起漏極電流ID的增加.gm - 單位為西門子，符號為S， 一般為毫西(ms)。,5.4.2 結(jié)型場效應(yīng)管,1.結(jié)構(gòu)與符號: 如右圖5所示: (1)在一低摻雜的N型硅片的兩側(cè)，摻雜成兩個高濃度的P+區(qū)，形成兩個P+N 結(jié)耗盡層。 (2)將兩個P+區(qū)連接在一起，作為控制柵極(G). (3)N型硅片的兩端做成兩個電極，即源極(S)和漏極(D). - 形成一個N溝道結(jié)型場效應(yīng)管,如果采用P型硅片作襯底，控制柵極為N+區(qū)，則成為P溝道結(jié)型場效應(yīng)管，它們的符號如下圖所示。 2.基本工作原理:(右圖) (1).當UGS=0，UDS0，則N型硅中 的電子，在電場力的作