1、第一章半導體器件教學內容§1.1 半導體的特性§1.2 半導體二極管§1.3 雙極型三極管§1.4 場效應三極管教學要求本章重點是各器件的特性與模型，特別要注意器件模型的適用范圍和條件。對于半導體器件，主要著眼于在電路中的使用，關于器件內部的物理過程只要求有一定的了解。§1.1 半導體的特性1.1.1 導體、半導體和絕緣體導體：自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬 一般都是導體。電阻率(10-610-4 ·cm)絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。電阻率(1010·cm以上)半導體：另有一類

2、物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。電阻率介于 ( 10-3109 ·cm)半導體的特點半導體的導電機理不同于其它物質，所以它具有不同于其它物質的特點。 導電能力受雜質影響很大。 導電能力受溫度、光照影響顯著。1.1.2 本征半導體一、本征半導體的結構特點現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。SiGe通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每

3、個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結構：+4+4+4+4形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規則排列，形成晶體。共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。二、本征半導體的導電機理1.載流子、自由電子和空穴在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為 0，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離

4、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+4+4+4+42.本征半導體的導電機理本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產生的電流。2. 空穴移動產生的電流。半導體與金屬導體導電原理的區別：導體：載流子自由電子半導體：載流子自由電子和空穴溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素。1.1.3 雜質半導體在

5、本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。N 型半導體(Negative)：自由電子濃度大大增加的雜質半導體，也稱為 電子型半導體。P型半導體(Positive)：空穴濃度大大增加的雜質 半導體，也稱為空穴型半導體.一、N 型半導體+4+4+5+4多余電子磷原子在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給

6、出一個電子，稱為施主原子。多數載流子（多子）自由電子(主要由摻雜形成)少數載流子（少子）空穴 (本征激發形成)二、P 型半導體+4+4+3+4硼原子空穴在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。多數載流子空穴 (主要由摻雜形成) 少數載流子自由電子(本征激發形成)三、雜質半導體的示意表示法在雜質半導體中，多數載流子的濃度主要取決于摻入的雜質濃度；而少數載流子的濃度主要取決

7、于溫度。無論是型或型半導體，從總體上看，仍然保持著電中性。P 型半導體+N 型半導體本節中的有關概念 本征半導體、雜質半導體 自由電子、空穴 N型半導體、P型半導體 多數載流子、少數載流子 施主原子、受主原子§1.2 半導體二極管1.2.1 PN 結的形成利用一定的摻雜工藝使一塊半導體的一側呈型，另一側呈型，則其交界處就形成了結。擴散運動：由于兩區載流子濃度的差異，引起載流子由濃度高的地方向濃度低的地方的遷移。電子和空穴相遇時，將發生復合而消失，于是形成空間電荷區。區失去空穴帶負電的離子形成空間電荷區區失去電子帶正電的離子建立起內電場，方向區區漂移運動：少數載流子在內電場的作用下的運

8、動。內電場的方向區區區電子區， 區空穴區P型半導體N型半導體擴散運動內電場E空間電荷區，也稱耗盡層。漂移運動擴散的結果使空間電荷區變寬內電場越強使漂移運動越強，從而使空間電荷區變窄+空間電荷區P型區N型區UD電位V空間電荷區兩邊存在電位差稱電位壁壘。硅：0.60.8鍺：0.20.3擴散運動內電場動態平衡擴散電流（多子）大小相等方向相反漂移電流（少子）（空間電荷區、耗盡層）PN結結的形成多子的擴散運動使空間電荷區變寬，少子的漂移運動使空間電荷區變窄，最終達到動態平衡，擴漂，空間電荷區的寬度達到穩定，即形成結。空間電荷區又稱耗盡層或阻擋層。思考題1：若將一塊型半導體和一塊型半導體簡單放在一起，在它

9、們的交界面上是否可以形成結？思考題2:PN結內部存在內電場,若將P區端和N區端用導線連接，是否有電流流通？1.2.2 PN結的單向導電性一、PN 結正向偏置：正，負ER+PN內電場外電場變薄+_內電場被削弱，多子的擴散加強，能夠形成較大的擴散電流。二、PN 結反向偏置：P負，N正內電場外電場NP_RE+變厚+內電場被被加強，多子的擴散受抑制，少子漂移加強，但少子數量有限，只能形成較小的反向電流。PN結的特點：（1）PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；導通 （2）PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流；截止（反向飽和電流IS ）得出結論：PN結具有單向導電性。

10、1.2.3 半導體二極管一、基本結構PN 結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。引線外殼線觸絲線基片PN結二極管的電路符號：PN陽極陰極點接觸型面接觸型二、伏安特性UI死區電壓 硅管0.5V,鍺管0.1V。導通壓降: 硅管0.60.8V,鍺管0.10.3V。反向擊穿電壓UBR正向特性反向特性反向飽和電流Is二極管方程：三、主要參數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. 反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓UR一般是UBR的一半。以上均是二極管的直流參數，二

11、極管的應用主要利用它的單向導電性，應用于整流、限幅、保護等等。3. 反向電流 IR指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，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。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。4. 二極管的極間電容二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴散電容CD。CB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，由于載流子數目很少，擴散電容可忽略。勢壘電容：由PN結的空間電荷區形成的，又稱結電容。擴散電容：由多數載流子在擴散過程中的積累而引起的。在P 區有電子的積累，在N 區有空穴的積

12、累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產生的電容就是擴散電容CD。PN結高頻小信號時的等效電路：rd勢壘電容CB和擴散電容CD的綜合效應CPN結正向偏置時，rd很小，C較大（主要取決于CD);PN結反向偏置時，rd很大，C較小（主要取決于CB).UDrD二極管模型硅管：死區電壓UT=0.5V，管壓降UD0.60.8V；鍺管：死區電壓UT=0.1V，管壓降UD0.10.3V。理想二極管： UT=0， UD0， rD0二極管的應用舉例1：二極管半波整流(理想二極管)uiuottRLuiuo二極管的應用舉例2：已知ui=12sint(V),VD為硅管管壓降UD=0.7V，試畫出輸出電壓波形。ui/V

13、uo/Vtt125.7UD=ui5 UD>0.7V,即ui>5.7V,VD導通,uo=E=5.7V; ui5.7V,VD截止，uo=ui.1.2.4 穩壓二極管二極管工作在反向擊穿區,利用反向擊穿特性，電流變化很大，引起很小的電壓變化。穩壓誤差曲線越陡，電壓越穩定。IIZIZmaxDUZUZ+U二極管的擊穿  二極管處于反向偏置時，在一定的電壓范圍內，流過PN結的電流很小，但電壓超過某一數值時，反向電流急劇增加，這種現象我們就稱為反向擊穿。 可分為：雪崩擊穿和齊納擊穿。齊納擊穿：高摻雜情況下，耗盡層很窄，宜于形成強電場，而破壞共價鍵，使價電子脫離共價鍵束縛形成電

14、子空穴對，致使電流急劇增加。雪崩擊穿：如果摻雜濃度較低，不會形成齊納擊穿，而當反向電壓較高時，能加快少子的漂移速度，從而把電子從共價鍵中撞出，形成雪崩式的連鎖反應。上述兩種過程屬電擊穿，是可逆的，當加在穩壓管兩端的反向電壓降低后，管子仍可恢復原來的狀態。但它有一個前提條件，即反向電流和反向電壓的乘積不超過PN結容許的耗散功率，超過了就會因為熱量散不出去而使PN結溫度上升，直到過熱而燒毀，這屬于熱擊穿。穩壓二極管的參數:（1）穩定電壓 UZ（2）電壓溫度系數aU（%/）（3）動態電阻 rz越小，穩壓性能越好。（4）穩定電流IZ、最大、最小穩定電流Izmax、Izmin。uoiZDZRiLiuiR

15、L（5）最大允許功耗穩壓二極管的應用舉例當輸入電壓或負載電阻變化時，利用穩壓管所起的電流調節作用， 通過限流電阻上電壓或電流的變化進行補償，來達到穩壓的目的。光電二極管發光二極管反向電流隨光照強度的增加而上升，可將光信號轉換為電信號反向電流隨光照強度的增加而上升，可將光信號轉換為電信號§1.3 雙極型三極管（BJT）1.3.1 基本結構又稱為半導體三極管、晶體管，或簡稱為三極管。BECNNP基極發射極集電極PNP集電極基極發射極BCENPN型PNP型基區：較薄，摻雜濃度低集電區：面積較大發射區：摻雜濃度較高BECNNP基極發射極集電極集電結發射結三個電極發射極基極集電極三個區發射區基

16、區集電區兩個結發射結集電結BEC符號結構BECNPN型三極管PNP型三極管1.3.2 電流放大原理EBRBBECNNPEC基區空穴向發射區的擴散較小可忽略。發射結正偏，發射區電子不斷向基區擴散，形成發射極電流IE。IE發射進入P區的電子少部分與基區的空穴復合，形成電流IBE ，多數擴散到集電結。IBE復合和擴散外加電源使發射結正偏，集電結反偏。IBnBECNNPEBRBIEICn從基區擴散到集電結附近的電子在反向電壓下被拉向集電極形成ICn。IC=ICn+ICBO»ICn收集集電結反偏，有少子形成的反向飽和電流ICBO。ICBOIBnICBOBECNNPEBRBECIEICnIC=I

17、Cn+ICBO »ICnIB=IBn-ICBO»IBnIBIE=ICn+IBn »IC+IB三極管具有電流放大作用的條件：內部條件：發射區多數載流子濃度很高；基區很薄，摻雜濃度很小； 集電區面積很大，摻雜濃度低于發射區。外部條件：發射結加正向偏壓（發射結正偏）；集電結加反向偏壓（集電結反偏）。思考題：三極管發射極和集電極能否互換？1.3.3 特性曲線ICVVBBmAVUBERBIBmAUCEVccRC實驗線路一、 輸入特性IB(mA)UBE(V)204060800.40.8UCE=0VUCE =0.5VUCE ³1V 死區電壓，硅管0.5V，鍺管0.1V

18、。工作壓降： 硅管UBE»0.60.8V,鍺管UBE»0.20.3V。當UCE大于一定的數值時，IC只與IB有關，IC=bIB。二、 輸出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020mA40mA60mA80mA100mA此區域滿足IC=bIB稱為線性區（放大區）。此區域中UCE<UBE,集電結正偏，集電結的空間電荷區變窄，內電場減弱，集電結收集載流子的能力降低，IC不再隨著IB作線性變化，出現發射極發射有余，而集電極收集不足現象,稱為飽和區.此時，硅管UCE»0.3V（鍺管0.1V)。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020m

19、A40mA60mA80mA100mA此區域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE< 死區電壓，稱為截止區。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020mA40mA60mA80mA100mA輸出特性三個區域的特點:(1)放大區：發射結正偏，集電結反偏。 NPN:UC>UB>UE , PNP: UC<UB<UE,滿足Ic =Ib(2) 飽和區：發射結正偏，集電結正偏。NPN:UB>UE、UB>UC, PNP:UB<UE、UB<UCIB>Ics =(Vcc-UCES)/RC UCEUCES=0.3V UCES-三極管臨界飽和壓

20、降, Ic不再受Ib的控制(3) 截止區： 發射結反偏，集電結反偏。 NPN:UB<UE、UB<UC，PNP:UB>UE、UB>UC IB=0 ， IC=ICEO 0 ICUCEIBVCCRBVBBCBERCUBE例1：=50，VCC =12V，RB =70k，RC =6k，當VBB = 2V，2V，5V時，晶體管的靜態工作點Q位于哪個區？VBB =2V時：IC< ICS ，Q位于放大區。VBB =5V時：IC> IcS ， Q位于飽和區。VBB =2V時：IC< ICS ， Q位于放大區。IC> IcS， Q位于飽和區。判斷三極管的工作狀態可有

21、以下方法: 1、根據發射結和集電結的偏置電壓來判別.2、根據偏置電流IB、IC、ICS來判別。3、根據UCEQ的值來判別，UCEQUCC,管子工作在截止區； UCEQ0，管子工作在飽和區。例2：試判斷各三極管分別工作在哪個區？ +0.7V+5V0V+10.3V+10.75V+10V根據晶體管的三個電極電位，判別三個電極及管子類型原理：硅管：UBE=0.7V;鍺管： UBE =0.2VNPN管： UBE>0, UBC<0PNP管： UBE<0, UBC>0步驟：三管腳兩兩相減，其中差值為0.7V(或0.2V）的管腳為B或E，另一管腳為C,并由此可知是硅管（或鍺管）。假設三

22、個管腳中電位居中的管腳為B，求UBE、UBC，若符合UBE>0, UBC<0，則為NPN;若符合UBE<0, UBC>0,則為PNP。例3：一個晶體管處于放大狀態，已知其三個電極的電位分別為5V、9V和5.2V。試判別三個電極，并確定該管的類型和所用的半導體材料。解：分別設U1=5V,U2=9V,U3=5.2V，U1U3=55.2=0.2V, 因此是鍺管，2腳為集電極C。由于3腳的電位在三個電位中居中，故設為基極B，則1為發射極E，有：UBE= U3U1=5.25.=0.2V >0 UBC= U3U2= 5.29=3.8V<0,因此，為NPN型鍺管，5V、9

23、V、5.2V所對應的電極分別是發射極、集電極和基極。1.3.4 三極管的主要參數一、電流放大系數：共射直流電流放大系數：共基直流電流放大系數：共射交流電流放大系數：共基交流電流放大系數：，一般為幾十幾百例4：已知UCE=6V時：IB = 40 mA, IC =1.5 mA；IB = 60 mA, IC =2.3 mA。求： 和解：在以后的計算中，一般作近似處理：b =二、反向飽和電流1.集電極基極反向飽和電流ICBOmAICBOICBO是集電結反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。2.集電極發射極反向飽和電流ICEO(穿透電流）NNPBECICBO集電結反偏有ICBOIBEICBO

24、進入N區，形成IBE。b IBE根據放大關系，由于IBE的存在，必有電流bIBE。ICEO= b IBE+ICBO ICEO受溫度影響很大，當溫度上升時，ICEO增加很快，所以IC也相應增加。反向電流的值越小，表明三極管的質量越高。三、極限參數1.集電極最大允許電流ICM集電極電流IC上升會導致三極管的b值的下降，當b值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。 2.集-射極反向擊穿電壓當集-射極之間的電壓UCE超過一定的數值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數值是25°C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)CEO。3. 集電極最大允許功耗PCM集電極電流IC 流過三極管，所發出的

25、焦耳熱為：PC =ICUCEICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區必定導致結溫上升，所以PC有限制。PCPCM§1.4 場效應晶體管（FET)場效應管的特點：壓控器件：利用輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流。單極型器件：僅由一種載流子（多子）導電，不易受溫度和輻射的影響。輸入電阻很高，噪聲很小。輸入電阻可達，1071012，輸入端基本不取電流。 場效應管的分類：場效應管結型（JFET) 絕緣柵型（IGFET)（MOS)N溝道P溝道耗盡型增強型N溝道N溝道P溝道P溝道均為耗盡型1.4.1 結型場效應管:一、結構N基底 ：N型半導體PP兩邊是P區導電溝道G(柵極)

26、D漏極S源極NPPG(柵極)S源極D漏極N溝道結型場效應管DGSPNNG(柵極)S源極D漏極DGS二、工作原理（以N溝道為例）NGSDNNPPIDUDS=0V時PN結反偏，UGS=0導電溝道較寬。NNDIDNGSVGGPPUGS越大耗盡區越寬，溝道越窄，電阻越大。但當UGS較小時，耗盡區寬度有限，存在導電溝道。DS間相當于線性電阻。改變UGS的大小，可以有效地控制溝道電阻的大小，若加上UDS則ID將會受到UGS的控制。DVGGIDSPPNUGS達到一定值時（夾斷電壓UP）,耗盡區碰到一起，DS間被夾斷，這時，即使UDS ¹ 0V，漏極電流ID=0A。N溝道結型場效應管UP為負值。UG

27、S<Up且UDS>0、UGD<UP時耗盡區的形狀VDDPPGNSDVGG越靠近漏端，PN結反壓越大IDUDS較小時，ID隨UDS的增大幾乎成正比地增大。增大VGG，使UGS<0,由于耗盡層寬度增大，導電溝道變窄，溝道電阻增大，因而漏極電流ID將減小。VDDIDPPSVGGGVGG增大VGG,使 UGD=UGS-UDS=UP時D漏端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。VDDIDPPS再增大UDS，夾斷長度會略有增加，但夾斷處場強很大，仍能將電子拉過夾斷區，形成漏極電流。在從源極到夾斷處的溝道上，溝道內電場基本上不隨UDS改變而變化。ID基本不隨UDS增加而上升，漏極電流趨于飽和ID

28、SS。DVGGIDSPPN繼續增大VGG,則兩邊耗盡層的接觸部分逐漸增大。UGSUP時，耗盡層全部合攏，導電溝道完全夾斷，ID0，稱為夾斷。結論：JFET柵極、溝道（與源極相連）之間的PN結是反偏的，因此，IG=0，輸入電阻很高。JFET是電壓控制器件，ID受UGS控制。由于每個管子的UP為一定值，預夾斷點會隨UGS改變而改變。預夾斷前，ID與UDS呈近似線性關系；預夾斷后，ID趨于飽和。三、 特性曲線UGS /VID/mA0IDSSUP轉移特性曲線一定UDS下的ID-UGS曲線夾斷電壓飽和漏極電流U DS /V0予夾斷曲線可變電阻區夾斷區恒流區UGS=0V1V2V3V4V輸出特性曲線ID/mAP溝道結型場效應管的特性曲線轉移特性曲線UGS0IDIDSSVP輸出特性曲線IDU DS0UGS=0V1V2V3V4V結型場效應管的缺點：1. 柵源極間的電阻雖然可達107以上，但在某些場合仍嫌不夠高。2. 在高溫下，PN結的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。3. 柵源極間的PN結加正向電壓時，將出現較大的柵極電流。絕緣柵場效應管可以很好地解決