1、第一章半導體器件與其應用1.1 半導體的基礎知識半導體的基礎知識 導體 物質按導電性能可分 半導體 絕緣體 半導體材料有:硅（Si）和鍺（Ge）等。1.1.1 本征半導體本征半導體 本征半導體純凈的半導體。 共價鍵形式存在。 1、本征半導體的兩種載流子、本征半導體的兩種載流子-電子和空穴電子和空穴2、本征半導體的特性、本征半導體的特性 光敏特性光照增強時，導電性能加強。 熱敏特性溫度升高時，導電性能加強。 可摻雜特性摻入微量的其他元素，導電能力大大加強。3 3、雜質半導體雜質半導體雜質半導體的分類：N型半導體和P型半導體。N型半導體電子型半導體在本征半導體中摻入五價元素，由于雜質原子的最外層有

2、5個價電子，因此它與周圍 4個硅（鍺）原子組成共價鍵時，多余出1個價電子，它不受共價鍵的束縛而為自由電子，并留下帶正電的雜質離子，它不能參與導電。N型半導體的多子多子N型半導體的少子少子+4+4+5+4多余多余電子電子磷原子磷原子P型半導體空穴型半導體在本征半導體中摻入三價元素，由于雜質原子的最外層有3個價電子，因此它與周圍 4個硅（鍺）原子組成共價鍵時，多余出1個“空位子”即空穴。P型半導體的多子多子P型半導體的少子少子 注意注意：1.不論N型半導體還是P型半導體都是電中性，對外不顯電性。2.雜質半導體多子和少子移動都形成電流。主要是多子起導電作用。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子 1.

3、1.2 PN結結 1PN結的形成結的形成 在半導體基片上分別制造N型和P型兩種半導體。經過載流子的擴散運動和漂移運動,兩運動最終達到平衡，由離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。 1.1.2 PN結結 1PN結的形成結的形成 2. PN結的單向導電性結的單向導電性PN 結加正向電壓正偏的意思是： P 區加正、N 區加負電壓。 PN 結加反向電壓反偏的意思是： P 區加負、N 區加正電壓。PN 結正向偏置結正向偏置PNPN結處于導通狀態結處于導通狀態。 PN反向偏置反向偏置 PN結處于截止狀態。結處于截止狀態。 1.2 半導體二極管半導體二極管1.2.1 1.2.1 二極管的結構和符號二極管的結構

4、和符號二極管的結構按PN結形成的制造工藝方式分： 點接觸型 面接觸型 點接觸型點接觸型面接觸型面接觸型適合用作高頻檢波器件。適用于作整流器件二極管按用途分為 ： 整流管、 檢波二極管、 穩壓二極管、 光電二極管 開關二極管等。二極管的伏安特性二極管的伏安特性 1 1 二極管伏安特性二極管伏安特性通過二極管的電流I與端電壓U之間的關系曲線。正向特性：正向特性：1.1.死區電壓死區電壓硅管的死區電壓約為0.5 V鍺管的死區電壓約為2.2.正向導通壓降正向導通壓降U UF F硅管的UF為鍺管的UF為0.20.40.60.8O5101530 U(BR)CCDDIRAABB硅鍺iV / mAuV / V

5、(A)5反向特性反向特性 反向飽和電流反向飽和電流硅管的反向飽和電流為1微安以下鍺管的反向飽和電流為幾十到幾百微安反向擊穿電壓反向擊穿電壓。 發生反向擊穿后，造成二極管的永久性損壞，失去單向導電性。1.2.3 1.2.3 溫度對二極管特性的影響溫度對二極管特性的影響0.20.40.60.8O5101530 U(BR)CCDDIRAABB硅鍺iV / mAuV / V(A)5溫度升高 二極管的正向壓降將減小； 反向飽和電流隨將增加； 反向擊穿電壓將降低 1.2.4 半導體器件型號命名法半導體器件型號命名法 根據國家標準,半導體器件的型號由五部分組成: 一、一、用阿拉伯數字表示器件的電極數目，規定

6、：2代表二極管， 3代表三極管。二、二、用漢語拼音字母表示器件的材料，規定：A、B是鍺材料， C、D是硅材料。三、用漢語拼音字母表示器件的用途，如：P普通管；Z整流管；K開關管；W穩壓管。四、用阿拉伯數字表示序號，反映了管子在極限參數、直流參數和交流參數等方面的差異。五、用漢語拼音字母表示規格號，反映了管子承受反向擊穿電壓的程度。如A、B、D.其中A承受反向擊穿電壓最低,B次之.1.2.5 二極管的主要參數二極管的主要參數參數的作用： (1)定量描述二極管在某一方面的性能。 (2)根據二極管的參數來合理選用二極管。二極管的主要參數有：(1)最大整流電流IF:二極管長期工作時允許通過的最大正向平

7、均電流。 (2)最大反向工作電壓URM ：二極管在工作時所能承受的最大反向電壓值。 URM通常為反向擊穿電壓UBR 的一半。 (3)最高工作頻率fM：保持二極管單向導通性能，外電壓允許最高頻率。(4)其他參數：結電容、正向壓降等。1.2.6 1.2.6 特殊二極管介紹特殊二極管介紹1.1.穩壓二極管穩壓二極管工作區域這種“反向擊穿”是可恢復的 只要外電路保障電流在限定范圍內，就不致引起熱擊穿而損壞穩壓管。(1)(1)穩壓管的主要參數穩壓管的主要參數穩定電壓UZ：當穩壓管中的電流為規定值時，穩壓管兩端的電壓值。穩定電流IZ ：有最大穩定電流IZmax和最小穩定電流IZmin 和工作電流之 分。一

8、般來說，穩壓管的工作電流要大于IZmin ，而小于Izmax動態電阻RZ：動態電阻RZ越小越好(2) (2) 穩壓管的穩壓管的應用應用UI是不穩定的可變直流電壓UO是希望得到的穩定的電壓R是限流電阻VDZ是穩壓管RL是負載電阻。（3 3）使用穩壓管的注意事項）使用穩壓管的注意事項 外加電源正極接N區,負極接P區； 穩壓管應與負載電阻R并聯； 應采取限流措施，以防熱擊穿。 VRLUI-+IRIZIOUO+-例 在圖中，已知穩壓二極管的UVDZ=6.3V, 當UI=20V，R=1k時，求UO。已知穩壓二極管的正向導通壓降UF=0.7 V。 解當UI=+20V, VDZ1反向擊穿穩壓，UVDZ1，V

9、DZ2正向導通，UF2，則UO=+7V；同理，UI= -20V, UO= -7V。 2.2.發光二極管發光二極管(LED)(LED) 發光二極管是一種將電能直接轉換成光能的固體器件，在PN結上加正向電壓時就會發光的二極管，用于信號指示等電路中 。發光二極管電路符號如圖 V3.3.光電二極管光電二極管使用時其PN結工作在反向偏置狀態下，它是將光信號轉變為電信號的半導體器件。光電二極管電路符號如圖VIU照度增加照度增加4.4.變容二極管變容二極管利用PN結的電容效應工作的，它工作于反向偏置狀態. 5.5.激光二極管激光二極管 激光二極管工作時，接正向電壓，當PN結中通過一定的正向電流時，PN結發射

10、出激光。1.3 半導體二極管的應用半導體二極管的應用二極管可用來整流、檢波、 鉗位、 限幅、 開關以及元件保護。 1 整流整流所謂整流, 就是將交流電變為單方向脈動的直流電。利用二極管的單向導電性可組成單相、三相等各種形式的整流電路。 2 鉗位鉗位利用二極管正向導通時壓降很小的特性， 可組成鉗位電路。圖中，F點的電位被鉗制在A點電位左右， 即UF0。 3 限幅限幅 利用二極管正向導通后其兩端電壓很小且基本不變的特性， 可以構成各種限幅電路，使輸出電壓幅度限制在某一電壓值以內。圖1.1.6(a)為一雙向限幅電路，設輸入電壓ui=10sint(V), Us1=Us2=5V。 當-Us2uiUs1時

11、，VD1處于正向偏置而導通，使輸出電壓保持在Us1。 當ui-Us2時， VD2處于正向偏置而導通，輸出電壓保持在-Us2。由于輸出電壓uo被限制在+Us1與-Us2之間，即|uo|5V, 好像將輸入信號的高峰和低谷部分削掉一樣, 因此這種電路又稱為削波電路。 輸入、 輸出波形如圖1.1.6(b)所示。 4 元器件保護元器件保護 在電子線路中，常用二極管來保護其他元器件免受過高電壓的損害，如圖所示電路，L和R是線圈的電感和電阻。 在開關在開關S接通時：接通時：電源E給線圈供電，L中有電流流過， 儲存了磁場能量。在開關在開關S突然斷開時：突然斷開時：L中將產生一個高于電源電壓很多倍的自感電動勢e

12、L，eL與E疊加作用在開關S的端子上，在S的端子上產生電火花放電， 這將影響設備的正常工作，使開關S壽命縮短。接入二極管接入二極管VD后后，eL通過二極管VD放電, 使L中儲存的能量不經過開關S放掉， 從而保護了開關S。 1.4 單相整流濾波電路單相整流濾波電路 單相整流電路可以把交流電利用二極管的單向導通原理整變成直流電。單相整流電路分為半波整流、全波整流、橋式整流和倍壓整流電路。單相半波整流電路單相半波整流電路1.單相半波整流電路的結構工作原理單相半波整流電路的結構工作原理單相半波整流如圖所示。其中u1、u2分別表示變壓器的原邊和副邊交流電壓，為負載電阻。RL圖1.1.9設u2= U2 s

13、intV，在在u2的正半周內的正半周內，二極管VD正偏導通，此時有電流經過二極管流過負載，忽略二極管上壓降，負載上輸出電壓uO=u2，輸出波形與u2相同。在在u2負半周內，負半周內，二極管V承受反向電壓，此時二極管截止， 負載上無電流流過，輸出電壓uO=0，此時u2電壓全部加在二極管V上。其電路波形如圖所示。22、負載上直流電壓和電流的估算、負載上直流電壓和電流的估算半波整流的情況下，負載兩端的直流電壓為：UO2 負載中的電流：IO2/RL3、二極管的選擇、二極管的選擇在半波整流電路中選用二極管時：二極管的最大正向電流應大于負載電流二極管的最大反向電壓就是變壓器二次側電壓的最大值。4、半波整流

14、的優缺點、半波整流的優缺點優點：優點：單相半波整流電路簡單，使用元器件少；不足不足: 是輸出紋波大，電源變壓器利用率和整流效率低，所以單相半波整流僅用在小電流且對電源要求不高的場合。 單相橋式整流電路單相橋式整流電路單相橋式整流電路，如圖（a）所示。四個二極管組成一個橋， 所以稱為橋式整流電路，這個橋也可以簡化成如圖（b）的形式。 圖1.1.11 1. 1. 電路組成和工作原理電路組成和工作原理它屬全波整流電路。 2.2.負載上直流電壓和電流的估算負載上直流電壓和電流的估算半波整流的情況下，負載兩端的直流電壓為：O.9U2 負載中的電流：IOLRU23、二極管的選擇、二極管的選擇在橋式整流電路

15、中，每只二極管中的平均電流等于輸出電流平均值的一半，二極管的最大反向峰值電壓：URM= U24、橋式整流的優缺點、橋式整流的優缺點單相橋式整流電路的優點：輸出電壓高、變壓器利用率高、脈動小。單相橋式整流電路的缺點：二極管的數量多，二極管的正向電阻不為零，整流電路內阻大，損耗也較大。2例有一單相橋式整流電路要求輸出電壓O ，L=80 ，交流電壓為380V， （1） 如何選用二極管? （ 2） 求整流變壓器變比和(視在)功率容量？ 由此可選2CZ12C二極管，其最大整流電流1A，最高反向電壓為300 V。 ARUILOO4 . 180110AIIOVD7 . 021VUUO1229 . 02VVU

16、URM172122222濾波電路濾波電路 單相半波和橋式整流的輸出電壓在方向上沒有變化， 但 輸出電壓起伏較大，為了得到平滑的直流電壓波形，必須采用濾波電路，以改善輸出電壓的脈動性，常用的濾波電路有電容濾波、 電感濾波、 LC濾波和型濾波。 1. 電容濾波電路電容濾波電路（1）、工作原理）、工作原理最簡單的電容濾波是在負載RL兩端并聯一只較大容量的電容器，如圖（a）所示。 設電容C上初始輸出電壓為零，接通電源時u2開始增大，電容器開始充電。一般充電速度很快，uO=uC=22U 此后，由于u2 ICM時，可導致三極管損壞。 反向擊穿電壓U（BR）CEO：基極開路時， 集電極、 發射極之間最大允許

17、電壓為反向擊穿電壓U（BR）CEO，當UCEU（BR）CEO時，三極管的IC、IE劇增，使三極管擊穿。為可靠工作，使用中取 CEOBRCEUU)()3221( 根據給定的PCM值可以作出一條PCM曲線如圖所示， 由PCM、ICM和U（BR）CEO包圍的區域為三極管安全工作區。 1.6 場效應晶體管場效應晶體管場效應管（FET）：是利用輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件。它僅靠半導體中的多數載流子導電，又稱為單極型晶體管。場效應管特點：體積小，重量輕、壽命長、輸入電阻高，噪聲低、熱穩定性好、抗輻射能力強、省電。場效應管分類：結型和絕緣柵型兩種。結型場效應管分類：N溝道和P溝道兩

18、種。1.6 場效應晶體管場效應晶體管結型場效應管的特點和類型結型場效應管的特點和類型 1.結型場效應管的結構及符號結型場效應管的結構及符號 結型場效應管也是具有PN結的半導體器件，圖（a）繪出了N溝道結型場效應管的結構（平面）示意圖。它是一塊N型半導體材料作襯底，在其兩側作出兩個雜質濃度很高的P+型區，形成兩個PN結。從兩邊的P型區引出兩個電極并聯在一起，成為柵極(G)；在N型襯底材料的兩端各引出一個電極， 分別稱為漏極（D）和源極（S）。兩個PN結中間的N型區域稱為導電溝道，它是漏、源極之間電子流通的途徑。這種結構的管子被稱為N型溝道結型場效應管，它的代表符號如圖（b）所示。 圖1.6.1

19、如果用P型半導體材料作襯底，則可構成P溝道結型場效應管，其代表符號如圖1.6.1(c)所示。N溝道和P溝道結型場效應管符號上的區別，在于柵極的箭頭方向不同，但都要由P區指向N區。 2. 基本工作原理。基本工作原理。 上述兩種結構的結型場效應管工作原理完全相同，下面我們以N型溝道結型場效應管為例進行分析。研究場效應管的工作原理，主要是講輸入電壓對輸出電流的控制作用。在圖中，繪出了當漏源電壓UDS=0時，柵源電壓UGS大小對導電溝道影響的示意圖。 圖1.6.2 （1）當UGS=0時，PN結的耗盡層如圖1.6.2(a)中陰影部分所示。耗盡層只占N型半導體體積的很小一部分，導電溝道比較寬，溝道電阻較小

20、。 （2）當在柵極和源極之間加上一個可變直流負電源UGG時，此時柵源電壓UGS為負值，兩個PN結都處于反向偏置， 耗盡層加寬，導電溝道變窄，溝道電阻加大，如圖1.6.2(b)所示。而且柵源電壓UGS愈負，導電溝道愈窄，溝道電阻愈大。 （3）當柵源電壓UGS負到某一值時，兩邊的耗盡層近于碰上，仿佛溝道被夾斷，溝道電阻趨于無窮大，如圖（c）所示。此時的柵源電壓稱為柵源截止電壓（或夾斷電壓）， 并以UGS（off）表示。 GS(off)時由以上的分析可知，改變柵源電壓UGS的大小， 就能改變導電溝道的寬窄，也就能改變溝道電阻的大小。如果在漏極和源極之間接入一個適當大小的正電源UDD，則N型導電溝道中

21、的多數載流子（電子）便從源極通過導電溝道向漏極作漂移運動，從而形成漏極電流ID。 顯然，在漏源電壓UDS一定時，ID的大小是由導電溝道的寬窄（即電阻的大小）決定的，當UGS=UGS（off）時，ID0。 于是我們得出結論：柵源電壓UGS對漏極電流ID有控制作用。這種利用電壓所產生的電場控制半導體中電流的效應， 稱為“場效應”。 場效應管因此得名。 ID=f(UGS)|UDS=常數 圖給出了某N溝道結型場效應管的轉移特性。從圖中可以看出UGS對ID的控制作用。UGS=0時的ID，稱為柵源短路時漏極電流，記為IDSS。使ID0時的柵源電壓就是柵源截止電壓UGS（off）。 從圖中還可看出，對應不同

22、的UDS，轉移特性不同。但是， 當UDS大于一定數值后，不同的UDS, 轉移特性是很靠近的， 這時可以認為轉移特性重合為一條曲線，使分析得到簡化。 此外，圖中的轉移特性，可以用一個近似公式來表示： 圖1.6.3 IDIDSS(1- 0UGSU GS(off) 這樣，只要給出IDSS和U GS（off）就可以把轉移特性中其它點估算出來。 2) 輸出特性曲線 輸出特性曲線（也叫漏極特性）是指在柵源電壓UGS一定時，漏極電流ID與漏源電壓UDS之間關系。函數表示為 ID=f(UDS)|UGS=常數 圖給出了某N溝道結型場效應管的的輸出特性。從圖中可以看出，管子的工作狀態可分為可變電阻區、恒流區和擊穿

23、區這三個區域。 )GSGSUU圖1.6.4 (1) 可變電阻區： 特性曲線上升的部分稱為可變電阻區。在此區內，UDS較小，ID隨UDS的增加而近于直線上升，管子的工作狀態相當于一個電阻， 而且這個電阻的大小又隨柵源電壓UGS的大小變化而變（不同UGS的輸出特性的切斜率不同）， 所以把這個區域稱為可變電阻區。 (2) 恒流區： 曲線近于水平的部分稱為恒流區（又稱飽和區）。在此區內，UDS增加， ID基本不變（對應同一UGS），管子的工作狀態相當于一個“恒流源”，所以把這部分區域稱為恒流區。 在恒流區內， ID隨UGS的大小而改變，曲線的間隔反映出UGS對ID的控制能力。從這種意義來講，恒流區又可

24、稱為線性放大區。場效應管作放大運用時，一般就工作在這個區域。 恒流區產生的物理原因，是由于漏源電壓UDS在N溝道的縱向產生電位梯度，使得從漏極至源極溝道的不同位置上， 溝道-柵極間的電壓不相等，靠近漏端最大，耗盡層也最寬， 而靠近源端的耗盡層最窄。 這樣，在UGS和UDS的共同作用下，導電溝道呈楔型，如圖所示。 圖1.6.5 由于耗盡層的電阻比溝道的電阻大得多，所以UDS增加的部分幾乎全部降落在夾斷處的耗盡層上，在導電溝道上的電位梯度幾乎不變， 因而ID就幾乎不變，出現恒流現象。 從上面的分析， 可以得到N溝道結型場效應管產生夾斷（即出現恒流）的條件為 UGDUGS(off)UGS(off)0

25、或 UGS-UDSUGS（off）即 UDSUGSUGS（off） (3) 擊穿區: 特性曲線快速上翹部分稱為擊穿區。在此區內，UDS較大， ID劇增，出現了擊穿現象。場效應管工作時，不允許進入這個區域。絕緣柵場效應管絕緣柵場效應管1.N 溝道增強型絕緣柵場效應管的結構溝道增強型絕緣柵場效應管的結構 N溝道增強型絕緣柵場效應管的結構如圖1.6.6(a)所示。它的制作過程是：以一塊雜質濃度較低的P型硅半導體薄片作襯底， 利用擴散方法在上面形成兩個高摻雜的N+區，并在N+區上安置兩個電極，分別稱為源極（S）和漏極（D）；然后在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅絕緣層，并在二氧化硅表面再安置一個金屬電

26、極， 稱為柵極（G）；柵極同源極、漏極均無電接觸，故稱“絕緣柵極”。 圖1.6.6 由于這種管子是由金屬、氧化物和半導體所組成，所以又稱為金屬氧化物半導體場效應管，簡稱MOS場效應管。它是目前應用最廣的一種。 根據柵極（金屬）和半導體之間絕緣材料的不同，絕緣柵場效應管有各種類型， 例如以氮化硅作絕緣層的MNS管，以氧化鉛作絕緣層的MAIS管，等等。 如果以N型硅作襯底，可制成P溝道增強型絕緣柵場效應管。 N溝道和P溝道增強型絕緣柵場效應管的符號分別如圖1.6.6(b)和(c)所示，它們的區別是襯底的箭頭方向不同。 2. N溝道增強型絕緣柵場效應管的工作原理溝道增強型絕緣柵場效應管的工作原理 在

27、圖（a）中，如果將柵、源極短路，那末不論漏、 源極間加的電壓極性如何，總會有一個PN結呈反向偏置，漏、 源極間將無電流。 如果在柵、源極間加上一個正電源UGG，并將襯底與源極相連，如圖所示。此時，柵極（金屬）和襯底（P型硅片）相當于以二氧化硅為介質的平板電容器， 在正柵源電壓UGS（即柵-襯底電壓UGU）的作用下，介質中便產生一個垂直于P型襯底表面的由柵極指向襯底的電場，從而將襯底里的電子感應到表面上來。 當UGS較小時，感應到襯底表面上的電子數很少，并被襯底表層的大量空穴復合掉；直至UGS增加超過某一臨界電壓時，介質中的強電場才在襯底表面層感應出“過剩”的電子。 圖1.6.7 于是，便在P型

28、襯底的表面形成一個N型層稱為反型層。 這個反型層與漏、源的N+區之間沒有PN結阻擋層，而具有良好的接觸，相當于將漏、源極連在一起（見圖）。若此時加上漏源電壓UDS，就會產生ID。形成反型層的臨界電壓，稱為柵源閾電壓（或稱為開啟電壓）， 用U GS(th)表示。這個反型層就構成源極和漏極的N型導電溝道，由于它是在電場的感應下產生的，故也稱為感生溝道。 顯然，N型導電溝道的厚薄是由柵源電壓UGS的大小決定的。改變UGS，可以改變溝道的厚薄，也就是能夠改變溝道的電阻，從而可以改變漏極電流iD的大小。于是，我們得出結論： 柵源電壓UGS能夠控制漏極電流ID。 上述這種在UGS=0時沒有導電溝道，而必須依靠柵源正電壓的作用，才能形成導電溝道的場效應管，稱為增強型場效應管。 N溝道增強型絕緣柵場效應管的特性曲線（示意圖）如圖所示。圖（a）的轉移特性是在 UDS為某一固定值的條件下測出的， 當UGS0的情況下工作， 此時在N型溝道中感應出更多的負電荷，使ID更大。不