1、研究各種半導體器件的性能、研究各種半導體器件的性能、電路及其應用的學科。電路及其應用的學科。分數電和模電兩塊，對象分別分數電和模電兩塊，對象分別為離散信號和連續信號。為離散信號和連續信號。發展：發展：1883，愛迪生，熱電子效應；，愛迪生，熱電子效應； 1904，弗萊明利用此效應制成，弗萊明利用此效應制成電子二極管；電子二極管； 1906，德福雷斯，三極管（放，德福雷斯，三極管（放入第三極：柵極）入第三極：柵極） 1948，美國貝爾實驗室：晶體，美國貝爾實驗室：晶體管；管； 1958，集成電路：材料、元件，集成電路：材料、元件和電路三者的統一（在半導體材和電路三者的統一（在半導體材料上滲入相應

2、的物質形成）。料上滲入相應的物質形成）。 電子管、晶體管、集成電路及電子管、晶體管、集成電路及大規模集成電路四代。大規模集成電路四代。 應用領域遍及廣播、通訊、測應用領域遍及廣播、通訊、測量、控制量、控制。4.14.1半導體器件半導體器件半導體基本知識半導體基本知識半導體二極管半導體二極管半導體三極管半導體三極管場效應管場效應管半導體基本知識半導體基本知識一、半導體一、半導體1 1、定義：、定義： 導電能力介于導體和絕緣體導電能力介于導體和絕緣體之間的材料。之間的材料。 最常用：硅（最常用：硅（Si，14）和鍺）和鍺（Ge，32）等共同特征是）等共同特征是四價元素。四價元素。+Si2 2、特性

3、、特性 純凈半導體的導電能力很差；純凈半導體的導電能力很差； 熱敏性：溫度升高熱敏性：溫度升高導電能力增導電能力增強；強； 如：熱敏電阻。如：熱敏電阻。光敏性：光照增強光敏性：光照增強導電能力增導電能力增強；如：光敏電阻、圖像傳感器強；如：光敏電阻、圖像傳感器 摻雜性：摻入少量雜質摻雜性：摻入少量雜質導電能導電能力增強，達百萬倍。力增強，達百萬倍。 二、本征半導體二、本征半導體1 1、定義：、定義： 完全純凈、具有晶體結完全純凈、具有晶體結構的半導體。構的半導體。 2 2、導電性能、導電性能 ： （1）價電子與共價鍵；）價電子與共價鍵； 共價鍵共價鍵2 2不同原子的不同原子的2 2個價個價電子

4、組成電子組成1 1個電子對，個電子對，構成共價鍵的結構。構成共價鍵的結構。 （2）自由電子與空穴：）自由電子與空穴： 價電子受到激發價電子受到激發（如：熱和光）（如：熱和光）形成自由電子并留形成自由電子并留下空穴；下空穴；硅原子硅原子共價鍵共價鍵價電子價電子空穴空穴受溫度的電離現受溫度的電離現象熱激發；象熱激發；自由電子和空自由電子和空穴同時產生；穴同時產生； 空穴：該位置缺少一個電子，丟空穴：該位置缺少一個電子，丟失電子的原子顯正電，為正離子；失電子的原子顯正電，為正離子； 復合：自由電子回到空穴的位復合：自由電子回到空穴的位置上，使離子恢復中性的過程。置上，使離子恢復中性的過程。 自由電子

5、和空穴都能參與導電自由電子和空穴都能參與導電半導體具有兩種載流子。半導體具有兩種載流子。 （3）電子電流與空穴電流）電子電流與空穴電流 前提：在外電場的作用下。前提：在外電場的作用下。空穴電流：空穴電流：有空穴的原子可以吸引相鄰原子有空穴的原子可以吸引相鄰原子中的價電子（不是自由電子），填中的價電子（不是自由電子），填補這個空穴。補這個空穴。同時，在失去了一個價電子的相同時，在失去了一個價電子的相鄰原子的共價鍵中出現另一個空穴；鄰原子的共價鍵中出現另一個空穴；就好象是空穴就好象是空穴在運動。因此，在運動。因此，空穴運動相當于空穴運動相當于正電荷的運動。正電荷的運動。空穴價電子電子電流：電子電流

6、：自由電子的定向移動。自由電子的定向移動。三、雜質半導體三、雜質半導體本征半導體中，自由電子和空穴本征半導體中，自由電子和空穴數目極少，導電能力很低。數目極少，導電能力很低。摻雜后的半導體的導電性能將大摻雜后的半導體的導電性能將大大增強。雜質電離大增強。雜質電離根據摻雜（某種元素根據摻雜（某種元素 ）不同，可）不同，可分為：分為：NN和和P P兩種類型半導體。兩種類型半導體。 1 1、NN型半導體（型半導體（NN：negatronnegatron電子）電子） 摻入磷、砷等其它五價元素。摻入磷、砷等其它五價元素。特點：特點： 多余電子多余電子SiSiSiSiSiSiP形成了大量自形成了大量自由電

7、子。由電子。 同時，抑制了空穴的形成。同時，抑制了空穴的形成。 因此，形成以自由電子導電為因此，形成以自由電子導電為主要導電方式電子型半導體。主要導電方式電子型半導體。 電子是多數載流子（多子）；電子是多數載流子（多子）；空穴是少數載流子（少子）。空穴是少數載流子（少子）。 室溫情況下（室溫情況下（2727度），本征硅中：度），本征硅中：n n0 0=p=p0 01.51.5 10101010/cm/cm3 3，當磷摻雜量在，當磷摻雜量在10106 6量級時，電子載流子數目將增加幾十萬倍量級時，電子載流子數目將增加幾十萬倍2 2、P P型半導體型半導體滲入硼、鋁等其它三價元素，稱滲入硼、鋁等其

8、它三價元素，稱為為P P型半導體。型半導體。特點：特點： SiSiSiSiSiSiB空穴空穴形成了大量空形成了大量空穴；穴； 同時，也抑制了同時，也抑制了自由電子的形成。自由電子的形成。 注意：注意： 只有一種多數載流子。只有一種多數載流子。整個半導體晶體仍是電中性整個半導體晶體仍是電中性的。的。四、四、PN結及其單向導電性結及其單向導電性 NN、P P型半導體雖然導電能力增加，型半導體雖然導電能力增加，但并不能直接用來制造半導體器件但并不能直接用來制造半導體器件只是有了材料；只是有了材料；在一塊晶片兩邊分別形成在一塊晶片兩邊分別形成P P型和型和NN型半導體，在交界處形成型半導體，在交界處形

9、成PNPN結結這才是構成各種半導體器件的基礎。這才是構成各種半導體器件的基礎。1 1、PNPN結的形成結的形成在一塊晶片兩邊分別形成在一塊晶片兩邊分別形成P P型和型和NN型半導體。型半導體。PN自由電子自由電子空穴空穴擴散擴散擴散擴散P P、NN區的空穴、自由電子濃度差區的空穴、自由電子濃度差形成多子的擴散運動。形成多子的擴散運動。 多數載流子多數載流子擴散形成耗盡擴散形成耗盡層電阻率層電阻率高，不導電；高，不導電；交界處留下不可移動的離子形成交界處留下不可移動的離子形成空間電荷區構成內電場，空間電荷區構成內電場，P P為為負，負，NN為正。為正。 P區區N區區內電場內電場內電場阻礙了多子的

10、繼續擴散。內電場阻礙了多子的繼續擴散。P區區N區區漂移漂移漂移漂移在內電場的在內電場的作用下形成少作用下形成少子的漂移運動。子的漂移運動。 擴散和漂移的動態平衡形成了擴散和漂移的動態平衡形成了PNPN結結 2 2、PNPN結的單向導電性結的單向導電性加正向電壓：外加正向電壓：外電源的正端接電源的正端接P P區，區，負端接負端接NN區。區。 PN內電場方向外電場方向+I變窄變窄破壞了擴散與漂移運動的平衡。破壞了擴散與漂移運動的平衡。內電場變窄、變弱，擴散變強，漂內電場變窄、變弱，擴散變強，漂移變弱。移變弱。 在一定范圍內，在一定范圍內，外電場愈強，正向外電場愈強，正向電流愈大，這時電流愈大，這時

11、PNPN結呈現的電阻很低。結呈現的電阻很低。電流包括：空穴電流電流包括：空穴電流和電子電流兩部分。和電子電流兩部分。外電源不斷地向半導體提供電荷，外電源不斷地向半導體提供電荷，使電流得以維持。使電流得以維持。PN內電場方向外電場方向+I變窄變窄加反向電壓：外加反向電壓：外電源的負端接電源的負端接P P區，區，正端接正端接NN區。區。 外電場與內電場外電場與內電場方向一致，破壞了方向一致，破壞了擴散與漂移運動的擴散與漂移運動的平衡。平衡。PN內電場方向外電場方向+I0變寬變寬由于少數載流子數量很少，因此由于少數載流子數量很少，因此反向電流不大，即反向電流不大，即PNPN結呈現的反向結呈現的反向電

12、阻很高。電阻很高。 結論：結論： PNPN結具有單向導電性結具有單向導電性。加正向電壓時，加正向電壓時，PNPN結電阻很低結電阻很低正向電流較大導通狀態；正向電流較大導通狀態；加反向電壓時，加反向電壓時，PNPN結電阻很高，結電阻很高，反向電流很小截止狀態。反向電流很小截止狀態。4.14.1半導體器件半導體器件半導體基本知識半導體基本知識半導體二極管半導體二極管半導體三極管半導體三極管場效應管場效應管一、基本結構和類型一、基本結構和類型 1 1、結構、結構 PN結加上電極引線和管殼。結加上電極引線和管殼。陽極（正極）：從陽極（正極）：從P區引出的電區引出的電極；極；陰極（負極）：從陰極（負極）

13、：從N區引出的電區引出的電極。極。2 2、類型、類型 按結構分：點接觸型和面接觸型。按結構分：點接觸型和面接觸型。 點接觸型：一般為鍺管，點接觸型：一般為鍺管，PN結結結面積很小，不能通過較大電流，結面積很小，不能通過較大電流，但其高頻性能好，故一般適用于高但其高頻性能好，故一般適用于高頻和小功率的工作，也用作數字電頻和小功率的工作，也用作數字電路中的開關元件。路中的開關元件。面接觸型：面接觸型：PNPN結結面積大；可結結面積大；可通過較大電流（可達上千安培），通過較大電流（可達上千安培），其工作頻率較低一般用作整流。其工作頻率較低一般用作整流。用途：分為檢波二極管、整流二用途：分為檢波二極管

14、、整流二極管、穩壓二極管、開關二極管等。極管、穩壓二極管、開關二極管等。3 3、符號（、符號（D D） P P N N 二、伏安特性二、伏安特性 指流過二極管的電流指流過二極管的電流與兩端電壓的關系。與兩端電壓的關系。 特性曲線：特性曲線：U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)4020是非線性的，大致可是非線性的，大致可分為四個區：分為四個區：死區、正向導通區、反向死區、正向導通區、反向截止區和反向擊穿區。截止區和反向擊穿區。 U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)4020死區死區死區：死區：當外加正向電壓很低時，當外加正向電壓很低時，由

15、于外電場還不能克服由于外電場還不能克服PNPN結內電場對多數載流結內電場對多數載流子擴散運動的阻力，故正子擴散運動的阻力，故正向電流很小，幾乎為零。向電流很小，幾乎為零。通常，硅管的死區電壓約為通常，硅管的死區電壓約為0.5V0.5V，鍺管約為鍺管約為0.1V0.1V。正向導通區正向導通區 ：當外加正向電壓死區電當外加正向電壓死區電壓時，二極管變為導通；壓時，二極管變為導通； U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)4020導通區導通區電流將急劇增加（指數電流將急劇增加（指數關系），而二極管的電壓關系），而二極管的電壓卻幾乎不變，稱為正向導卻幾乎不變，稱為正向導通壓降

16、。通壓降。 硅管：硅管：0.60.7V0.60.7V；鍺管：；鍺管：0.20.3V0.20.3V。 反向截止區反向截止區 ：在二極管上加反向在二極管上加反向電壓時，少數載流子電壓時，少數載流子的漂移運動形成很小的漂移運動形成很小的反向電流。的反向電流。 U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)4020反向反向截止區截止區反向飽和電流：反向飽和電流： 隨溫度的上升增長很快；隨溫度的上升增長很快； 在反向電壓不超過某一范圍，反向電流在反向電壓不超過某一范圍，反向電流的大小基本恒定。的大小基本恒定。反向擊穿區反向擊穿區 ：擊穿發生在空間電荷區。擊穿發生在空間電荷區。 U(V

17、)0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)4020反向反向擊穿區擊穿區擊穿的原因擊穿的原因 ：雪崩式電離：處于強雪崩式電離：處于強電場中的載流子獲得足電場中的載流子獲得足夠大的能量碰撞晶格而夠大的能量碰撞晶格而將價電子碰撞出來，產將價電子碰撞出來，產生電子空穴對，形成連生電子空穴對，形成連鎖反應；鎖反應；臨界電壓稱反向擊臨界電壓稱反向擊穿電壓。穿電壓。 另一原因：強電場直接將共價鍵中另一原因：強電場直接將共價鍵中的價電于拉出來，產生電子空穴對，的價電于拉出來，產生電子空穴對，形成較大的反向電流。形成較大的反向電流。 U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060

18、(A)4020反向反向擊穿電壓擊穿電壓理想二極管：理想二極管： 正向壓降為正向壓降為0 0；反向電流為反向電流為0 0。三、主要參數三、主要參數 1 1、最大整流電流、最大整流電流I ICMCM 整流是二極管重要應用之一。整流是二極管重要應用之一。 指二極管長時間使用時，允許流指二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。過二極管的最大正向平均電流。 2 2、最高反向電壓、最高反向電壓U URMRM保證二極管不被擊穿而給出的反保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓的的1/2或或2/3。 3 3、最大反向電流、最大反向電流I IRMRM

19、 加最高反向工作電壓時的反向電加最高反向工作電壓時的反向電流值，受溫度的影響很大。流值，受溫度的影響很大。 反向電流越小反向電流越小單向導電性能越單向導電性能越好；好；鍺管的反向電流較大為硅管（一鍺管的反向電流較大為硅管（一般在幾個微安以下）的幾十到幾百般在幾個微安以下）的幾十到幾百倍。倍。 4 4、此外、此外最高工作頻率、結電容值、工作最高工作頻率、結電容值、工作溫度、微變電阻等。溫度、微變電阻等。四、應用四、應用應用范圍很廣，主要都是利用它應用范圍很廣，主要都是利用它的單向導電性。的單向導電性。可用于整流、檢波、元件保護以可用于整流、檢波、元件保護以及在脈沖與數字電路中作為開關元及在脈沖與

20、數字電路中作為開關元件。件。例如：例如：圖示的電路中，已知：圖示的電路中，已知：u ui i=30sintV=30sintV，二極管的正向壓，二極管的正向壓降可忽略不計，試分別畫出輸出降可忽略不計，試分別畫出輸出電壓電壓u u0 0的波形。的波形。RDR+- -uiu0u0D+- -ui+- -+- -40tiu20u0t2時截止時導通0 , 00 , 0iiiuDuDuuR+- -uiu0D+- -40tiu2DRu0+-ui+-時導通時截止0 , 00 , 0iiiuDuDuu0t0u2例例2 2：在圖中，求輸：在圖中，求輸出端出端F F的電位的電位U UF F=?=?。解：解：A3VB0

21、VF-12V因為因為A端電位比端電位比B端電位高，端電位高，所以，所以，DA優先導通。優先導通。設二極管的正向壓降是設二極管的正向壓降是0.3V，則：，則：UF=2.7V。DA起鉗位作用。起鉗位作用。DB上加的是反向電壓，截止，起上加的是反向電壓，截止，起隔離作用。隔離作用。五、特殊二極管五、特殊二極管 1、穩壓管、穩壓管結構：一種用特殊工藝制成結構：一種用特殊工藝制成的面接觸型硅二極管；的面接觸型硅二極管； 作用：穩壓；作用：穩壓；工作原理工作原理 ：工作在反向擊穿：工作在反向擊穿區，為電擊穿；區，為電擊穿；穩壓的符號與穩壓電路穩壓的符號與穩壓電路 ：ZDR是限流電阻是限流電阻RL是負載電阻

22、是負載電阻RZDLR0UiU伏安特性：反向擊穿特性比普通伏安特性：反向擊穿特性比普通二極管的要陡。二極管的要陡。 主要參數主要參數 ：穩定電壓穩定電壓UZ正常工作時，管正常工作時，管子兩端的電壓。子兩端的電壓。數值具有分散性，這也是很多半數值具有分散性，這也是很多半導體器件的共性，易受溫度影響。導體器件的共性，易受溫度影響。還有：穩定電流還有：穩定電流IZ 、電壓溫度系、電壓溫度系數數Z 、動態電阻、動態電阻rZ 、最大允許耗散、最大允許耗散功率功率PZM 等。等。2、光敏二極管、光敏二極管 利用半導體的光敏特性制成；利用半導體的光敏特性制成；反向電流隨光照強度的增加而反向電流隨光照強度的增加

23、而增強，又稱：光電二極管。增強，又稱：光電二極管。 符號：符號：D用來做為光控元用來做為光控元件，如：流水線計件，如：流水線計件。件。 3、發光二極管、發光二極管 用砷化鎵、磷化用砷化鎵、磷化鎵等制成，通過電鎵等制成，通過電流將會發出光來流將會發出光來電子和空穴復合電子和空穴復合而發出，不同的物而發出，不同的物質，不同的顏色。質，不同的顏色。符號：符號：D死區電壓比死區電壓比普通二極管高。普通二極管高。發光二極管常發光二極管常用來做顯示器用來做顯示器件。件。 4、變容二極管、變容二極管 PN結反向偏置時，結電容隨反結反向偏置時，結電容隨反向電壓變化而有較大的變化。向電壓變化而有較大的變化。 常

24、作為調諧電容使用改變常作為調諧電容使用改變其反向電壓以調節其反向電壓以調節LC諧振回路諧振回路的振蕩頻率。的振蕩頻率。 作業作業4.14.1半導體器件半導體器件半導體基本知識半導體基本知識半導體二極管半導體二極管半導體三極管半導體三極管場效應管場效應管三極管是最重要的一種半導體三極管是最重要的一種半導體器件。廣泛應用于各種電子電路器件。廣泛應用于各種電子電路中。中。具有具有“放大放大”和和“開關開關”作用，作用，由兩種載流子導電，又稱雙極型三由兩種載流子導電，又稱雙極型三極管。極管。 一、基本結構一、基本結構 平面型和合金型兩種：平面型和合金型兩種：CN型硅型硅P型型N型型二氧化硅保護膜二氧化

25、硅保護膜BE平面型結構平面型結構N型鍺型鍺銦球銦球銦球銦球P型型P型型CEB合金型結構合金型結構平面型都是硅管平面型都是硅管 合金型主要是鍺管合金型主要是鍺管NNP都具有都具有NPN或或PNP的的“三層兩三層兩結結”的結構，因而有兩類晶體管。的結構，因而有兩類晶體管。發射區發射區集電區集電區發射結發射結集電結集電結基區基區CBEBECPPN發射區發射區集電區集電區發射結發射結集電結集電結基區基區CBEBEC二、伏安特性二、伏安特性 2種晶體管的工作原理類似，僅種晶體管的工作原理類似，僅在使用時電源極性聯接不同。以在使用時電源極性聯接不同。以NPN型晶體管為例。型晶體管為例。1、晶體管電路、晶體

26、管電路三個電極之間可以組成不同的輸三個電極之間可以組成不同的輸入回路和輸出回路入回路和輸出回路共發射極電路，共發射極電路，共集電極電路，共基極電路。共集電極電路，共基極電路。 2、電流放大（共射電路）、電流放大（共射電路）BCE 共射電路共射電路改變可變電阻改變可變電阻R RB B，基極電流，基極電流I IB B，集電極電流集電極電流I IC C和發和發射極電流射極電流I IE E都發生都發生變化。變化。mAICmAIEIBuAECEBE EC CE EC C實驗現象：實驗現象：I IE EI IC CI IB B；BCEmAICmAIEIBuAECEB當當I IB B0 0（基極開（基極開路

27、）時，路）時，I IC C I ICEOCEO也也很小，約為很小，約為1 1微安以微安以下，稱為穿透電流。下，稱為穿透電流。 I IC C（或（或I IE E）比）比I IB B大得多，且相對大得多，且相對衡定；衡定；I IB B 的微小的微小變化可以引起變化可以引起I IC C的較大變化的較大變化 。這。這就是電流放大作就是電流放大作用，用，放大原理：放大原理：BCEmAICmAIEIBuAECEB外部條件外部條件發射結正向偏置、發射結正向偏置、集電結反向偏置。集電結反向偏置。內部載流子運動規律內部載流子運動規律 發射區向基區擴散電子。發射區向基區擴散電子。 電子在基區的擴散和電子在基區的擴

28、散和復合復合 ：基區厚度很小，基區厚度很小，電子在基區繼續向集電電子在基區繼續向集電結擴散，但有少部分與結擴散，但有少部分與空穴復合而形成空穴復合而形成I IBEBE I IB B。NNP發射區發射區集電區集電區發射結發射結集電結集電結基區基區CBE集電區收集擴散電子集電區收集擴散電子 ：形成集：形成集電極電流（電極電流（I ICECE I IC C ）放大作用的內部條件：基區很薄放大作用的內部條件：基區很薄且摻雜濃度很低。且摻雜濃度很低。 3、伏安特性、伏安特性 分析三極管分析三極管電路的重要依據。電路的重要依據。 （1）輸入特性：）輸入特性： 是是UCE常數時，常數時，IB 和和UBE 之

29、間之間的關系。的關系。 BCEmAICmAIEIBuAECEB與二極管正向與二極管正向特性一致。特性一致。BCEmAICmAIEIBuAECEB00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1VUCE0時，兩時，兩個個PN結并聯；結并聯； UCE0時，曲線時，曲線右移右移 ； 00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1VUCE 1V時，集電時，集電結處于反向偏置，結處于反向偏置，發射結正向偏置所發射結正向偏置所形成電流的絕大部形成電流的絕大部分將形成分將形成IC； UCE增大，增大，IB不會明顯減小，所以，不會明顯減小，所以，輸入曲線基本重合，常只畫一條。輸入曲線

30、基本重合，常只畫一條。 硅硅NPN管管UBE=0.60.7V；鍺；鍺PNP管管 UBE= 0.2 0.3V。（2）輸出特性：）輸出特性： 當當IB為常數時，為常數時， IC和和UCE 之間的關系曲線。之間的關系曲線。BCEmAICmAIEIBuAECEB不同的不同的IB可以可以得到不同的得到不同的 IC和和UCE 間曲線。間曲線。UCE超過約超過約1V再繼續增加時，再繼續增加時，IC的增加將不再的增加將不再明顯。這是晶體明顯。這是晶體管的恒流特性。管的恒流特性。 當當IB增加時，自由電子數增加，增加時，自由電子數增加，相應的相應的IC也增加，曲線上移。也增加，曲線上移。通常分三個區通常分三個區

31、特性曲線進于特性曲線進于水平的區域，也水平的區域，也稱線性區。稱線性區。IB和和IC有相對固定的有相對固定的關系，即電流放關系，即電流放大系數大系數 ：放大區：（模擬）放大區：（模擬）BCII BCII 靜態和動態電流放大系數意義不同，靜態和動態電流放大系數意義不同，但多數情況下近似相等。但多數情況下近似相等。 說明：說明：輸出特性曲線是非線性的，只有在輸出特性曲線是非線性的，只有在曲線的等距平直部分才有較好的線性曲線的等距平直部分才有較好的線性關系，關系，IC與與IB成正比，成正比，也可認為是基也可認為是基本恒定的。本恒定的。 制造工藝的原因，晶體管的參數具制造工藝的原因，晶體管的參數具有一定的離散性。有一定的離散性。IB0曲線以下區曲線以下區域，域，IC ICEO；