1、半導體基礎與器件第一章本章導讀自然界中的物質，按導電能力的不同，可分為導體和絕緣體。人們又發現還有一類物質，它們的導電能力介于導體和絕緣體之間，那就是半導體。電子技術是利用半導體器件完成對電信號處理的技術，它包括模擬電子技術和數字電子技術兩大部分。當被處理的電信號在時間和數值上都是連續變化的信號時，我們稱為模擬信號；處理模擬信號的電子電路稱為模擬電路。當被處理的電信號為不連續變化、只有在其高低電平中包含有信號時，我們稱電路為數字信號；處理數字信號的電子電路稱為數字電路。組成模擬電路和數字電路的最基本的器件都是二極管、三極管和場效應管等半導體器件。半導體基礎與器件半導體的基本特性1.1半導體二極

2、管1.2半導體三極管1.3場效應管1.4第一章半導體的基本特性1.11.1.1半導體半導體的導電能力介于導體和絕緣體之間。目前用來制造半導體器件的材料主要是鍺和硅，它們都是4價元素，具有晶體結構，如圖1-1所示。在常溫下，大多數的價電子均被束縛在原子周圍，不易自由移動，只有少量的價電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子，自由電子逸出的空位就形成空穴。完全不含雜質且無晶格缺陷的純凈半導體稱為本征半導體。由于在常溫狀況下，純凈半導體內的自由電子和空穴濃度很低，所以導電能力也較弱。圖1-1 半導體晶體結構示意圖半導體的基本特性1.11.1.2N型半導體和P型半導體N型半導體是在純凈半導體硅或鍺中摻入微量磷

3、、砷等5價元素，這類雜質半導體特點是：自由電子數量多，空穴數量少，參與導電的主要是帶負電的自由電子，故又稱為電子型半導體。P型半導體是在純凈半導體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價元素。這類摻雜導體的特點是：空穴數量多，自由電子數量少，參與導電的主要是帶正電的空穴，故又稱為空穴型半導體。半導體的基本特性1.11.1.3PN結及單向導電特性采用摻雜工藝，使硅或鍺的一邊形成P型半導體，另一邊形成N型半導體區域，在P區和N區的交界面形成一個具有特殊電性能的空間電荷區薄層，稱為PN結。PN結正偏：PN結P區的電位高于N區的電位稱為正向偏置，簡稱正偏。PN結反偏：PN結P區的電位低于N區的電位稱為反向偏置，簡稱反

4、偏。圖1-2 PN結示意圖 半導體的基本特性1.11.1.3PN結及單向導電特性PN結正向偏置時，呈現低阻性，可稱為導通；PN結反向偏置時，呈現高阻性，可稱為截止。這種特性稱為PN結的單向導電性。單向導電性PN結兩端外加的反向電壓增加到一定值時，反向電流急劇增大，稱為PN結的反向擊穿。若反向電流增大并超過允許值，會使PN結燒壞，稱為熱擊穿。PN結具有一定的電容效應，該電容稱為PN結的結電容。反向擊穿熱擊穿結電容半導體二極管1.21.2.1二極管的結構與符號電子產品中有各種不同封裝形式的二極管，二極管通常用塑料、玻璃或金屬材料作為封裝外殼，外殼上一般印有標記以便區別正負電極。如圖1-3 、圖1-

5、4、圖1-5、圖1-6所示。 外形1半導體二極管1.21.2.1二極管的結構與符號電子產品中有各種不同封裝形式的二極管，二極管通常用塑料、玻璃或金屬材料作為封裝外殼，外殼上一般印有標記以便區別正負電極。如圖1-3 、圖1-4、圖1-5、圖1-6所示。 外形1半導體二極管1.21.2.1二極管的結構與符號由于管芯結構不同，二極管又分為點接觸型(如圖1-7a)、面接觸型(如圖1-7b)和平面型(如圖1-7c)。結構2半導體二極管1.21.2.1二極管的結構與符號如圖1-8所示，箭頭表示正向導通電流的方向。符號3圖1-8 二極管的正負極半導體二極管1.21.2.1二極管的結構與符號導電特性4為了觀察

6、二極管的導電特性，將二極管(如1N4004)聯到電池和小燈泡組成的電路中。如圖1-9所示。圖1-9 二極管的單向導電性實驗c半導體二極管1.2 1.2.2二極管的特性與參數二極管的導電性能由加在二極管兩端的電壓和流過二極管的電流來決定，這兩者之間的關系稱為二極管的伏安特性。圖1-10 二極管伏安特性測試電路半導體二極管1.2 1.2.2二極管的特性與參數1二極管的正向特性(1)當正向電壓較小時，正向電流極小，稱為死區，死區電壓：硅0.5 V，鍺0.2 V。(2)當正向電壓大于死區電壓時，電流隨電壓增大而急劇增大，二極管導通。(3)二極管導通后，兩端電壓基本穩定，一般硅為0.7 V，鍺為0.3

7、V。半導體二極管1.2 1.2.2二極管的特性與參數2二極管的反向特性(1)當加反向電壓時，二極管反向電阻很大，電流極小，此時電流稱為反向飽和電流。(2)當反向電壓不超過反向擊穿電壓時，反向飽和電流幾乎與反向電壓無關。(3)當反向電壓不斷增大到一定數值時，反向電流就會突然增大，這種現象稱為反向擊穿。普通二極管不允許出現此種狀態。有一種專用二極管(習稱穩壓二極管)可工作于此狀態。圖1-11 硅二極管的伏安特性曲線半導體二極管1.2 1.2.2二極管的特性與參數3半導體二極管的主要參數(1)最大整流電流 IFM：二極管允許通過的最大正向工作電流平均值。(2)最高反向工作電壓 VRM：二極管允許承受

8、的反向工作電壓峰值，也叫反向擊穿電壓。(3)反向漏電流 IR：是指在規定的反向電壓和環境溫度下的二極管反向電流值。IR越小，二極管的單向導電性能越好。半導體二極管1.2 1.2.2二極管的特性與參數例1-1 有同型號的二極管三只,測得數據如下表1-1所示,試問哪個管子性能好?解:甲管單向導電性能最好,因為它耐壓高,反向電流小,正向電壓相同的情況下,正向電流大。表1-1 二極管性能比較半導體二極管1.21.2.3特殊二極管及應用1穩壓二極管圖1-13 穩壓管電路符號圖1-12 穩壓管外形 半導體二極管1.21.2.3特殊二極管及應用2發光二極管圖1-15 發光二極管電路符號圖1-14 發光二極管

9、實物圖半導體三極管1.31.2.3特殊二極管及應用1晶體三極管的基本結構(1)外形。近年來生產的小、中功率管多采用硅酮塑料封裝；大功率三極管多采用金屬封裝，通常做成扁平形狀并有安裝孔。圖1-16所示，為各種不同封裝的晶體三極管。圖1-16 晶體三極管的各種外形半導體三極管1.31.3.1三極管的結構1晶體三極管的基本結構(2)三極管的結構。三極管的核心是兩個互相聯系的PN結，PN結的組合方式不同，構成不同極性的三極管，即PNP型和NPN型兩類。見圖1-17。圖1-17 三極管的結構示意圖半導體三極管1.31.3.1三極管的結構1晶體三極管的基本結構(3)特點發射區摻雜濃度較大，以利于發射區向基

10、區發射載流子?；鶇^很薄，摻雜少，載流子易于通過。集電區比發射區體積大且摻雜少，收集載流子。注意：三極管并不是兩個PN結的簡單組合，不能用兩個二極管代替。半導體三極管1.31.3.1三極管的結構2分類三極管的種類很多，通常按以下方法進行分類：(1)按半導體制造材料可分為：硅管和鍺管。硅管受溫度影響較小、工作穩定，因此在電子產品中常用硅管。(2)按三極管內部基本結構可分為：NPN型和PNP型兩類。(3)按工作頻率可分為：高頻管和低頻管。工作頻率高于3MHz為高頻管，工作頻率在3MHz以下為低頻管。(4)按功率可分為：小功率管和大功率管。耗散功率小于1W為小功率管，耗散功率大于1W為大功率管。(5)

11、按用途可分為：普通放大三極管和開關三極管等。半導體三極管1.31.3.1三極管的結構3圖形符號三極管的圖形符號如圖1-18所示。圖1-18 三極管的圖形符號半導體三極管1.31.3.2三極管的電流放大作用1電流分配關系三極管的特殊構造，使三極管具有特殊作用。(1)NPN型三極管電流分配實驗電路如圖1-21所示。圖1-21 三極管電流分配實驗電路半導體三極管1.31.3.2三極管的電流放大作用1電流分配關系三極管的特殊構造，使三極管具有特殊作用。(1)三極管三個電極上的電流分配實驗數據如表1-2。表1-2三極管三個電極上的電流分配半導體三極管1.31.3.2三極管的電流放大作用 2電流放大作用由

12、表 1-2 的數據可看出，當基極電流 IB 由 0.03 mA 變到 0.04 mA 時，集電極電流IC由 1.74 mA 變到 2.33 mA 。上面兩個變化量之比為(1)當IB有較小變化時，IC就有較大變化。(2)直流電流放大系數 (3)交流電流放大系數半導體三極管1.31.3.2三極管的電流放大作用 2電流放大作用顯然,(1-2)和(1-3)兩式的意義是不同的。前者反映的是靜態(直流工作狀態)時集電極與基極電流之比，而后者反映的是動態(交流工作狀態)時三極管的電流放大特性。即 (4)IC與IB之間的關系為：IC IBICEO上式中，當基極開路，IB =0時，集電極有一個小于1微安的電流流

13、向發射極，這個電流稱為穿透電流，用 ICEO表示。 IBICEO ,故 ICEO 一般可忽略,即 ICIB。半導體三極管1.31.3.3三極管在放大電路中的三種連接方式1三極管的工作電壓(1)三極管工作在放大狀態時，發射結加正向偏置電壓，集電結加反向偏置電壓。如圖1-19所示。(2)偏置電壓：基極與發射極之間的電壓。圖1-19 三極管工作電路示意圖半導體三極管1.31.3.3三極管在放大電路中的三種連接方式2三極管在電路中的基本連接方式在實際放大電路中，除了共發射極連接方式外，還有共集電極和共基極連接方式，這三種連接方法即構成單管放大器的三種組態，其差異是采用了不同電極作為公共端。 圖1-20

14、 三極管的三種基本連接方式半導體三極管1.31.3.4三極管的伏安特性曲線及工作區圖1-22為三極管特性測試電路。左邊為基極和發射極組成的回路稱輸入回路，右邊由集電極和發射極組成的回路稱為輸出回路。圖1-22 三極管輸入、輸出特性測試實驗電路半導體三極管1.31.3.4三極管的伏安特性曲線及工作區三極管的特性曲線分為輸入特性曲線和輸出特性曲線兩種。三極管的特性曲線可根據實驗數據繪出，也可由晶體管特性圖示儀直接測繪出。圖1-23 輸入特性曲線圖1-24 輸出特性曲線半導體三極管1.31.3.4三極管的伏安特性曲線及工作區三極管工作狀態由偏置情況決定。見表1-3。工作狀 態放 大截 止飽 和PN結

15、發射結正偏集電結反偏發射結反偏或零偏發射結正偏集電結正偏NPNVCVBVEVBVEVBVE，VCVEPNPVCVBVEVBVEVBVE，VCVE表1-3三極管的不同工作狀態半導體三極管1.3 1.3.5三極管的參數及選用1三極管的主要性能參數(1)共發射極電流放大系數。(2)反向飽和電流。2三極管的主要極限參數(1)集電極最大允許電流ICM。(2)集電極最大允許耗散功率PCM。(3)集電極發射極反向擊穿電壓UCEO。3.國產半導體器件的命名方法第一部分：用阿拉伯數字表示器件的電極數目；第二部分：用英文字母表示器件的材料和極性；第三部分：用漢語拼音字母表示器件的類型；第四部分：用阿拉伯數字表示序

16、號；第五部分：用漢語拼音字母表示規格號。場效應管1.41.4.1結型場效應管1分類、符號及外形圖圖1-31 結型場效晶體管的電路符號圖1-32 結型場效晶體管外形圖場效應管1.41.4.1結型場效應管2工作原理圖1-33 N溝道結型場效應晶體管工作電路示意圖(1)電路連接。N溝道結型場效應晶體管工作電路連接見圖1-33。(2)工作原理。當UGS=0，N溝道在 作用下，形成電流ID，此時，電流ID最大。當UGS PN結受反向偏壓PN結加寬N溝道變窄電阻變大ID減小。當UGS 達到一定值，PN結變得較寬，以至N溝道被兩邊PN結夾斷，則ID = 0 。 結論：通過調節 可控制漏極電流ID的變化；P溝

17、道與N溝道工作原理相同(UGS 0， UGS 0)； 使PN結反偏；場效應晶體管只有多數載流子導電，稱為單極晶體管。場效應管1.41.4.1結型場效應管3結型場效應晶體管的特性曲線(1)結型場效應晶體管測試電路如圖1-34(N溝道為例)。(2)轉移特性曲線。反映ID 隨 變化關系的曲線稱為轉移特性曲線。N溝道結型場效應晶體管的轉移特性曲線見圖1-35。(3)輸出特性曲線。當 一定時，ID 與 的關系曲線，稱為輸出特性曲線。N溝道結型場效應晶體管的轉移特性曲線見圖1-36。圖1-34 場效應晶體管測試電路場效應管1.41.4.1結型場效應管3結型場效應晶體管的特性曲線(1)結型場效應晶體管測試電

18、路如圖1-34(N溝道為例)。(2)轉移特性曲線。反映ID 隨 變化關系的曲線稱為轉移特性曲線。N溝道結型場效應晶體管的轉移特性曲線見圖1-35。(3)輸出特性曲線。當 一定時，ID 與 的關系曲線，稱為輸出特性曲線。N溝道結型場效應晶體管的轉移特性曲線見圖1-36。圖1-35 轉移特性曲線場效應管1.41.4.1結型場效應管3結型場效應晶體管的特性曲線(1)結型場效應晶體管測試電路如圖1-34(N溝道為例)。(2)轉移特性曲線。反映ID 隨 變化關系的曲線稱為轉移特性曲線。N溝道結型場效應晶體管的轉移特性曲線見圖1-35。(3)輸出特性曲線。當 一定時，ID 與 的關系曲線，稱為輸出特性曲線

19、。N溝道結型場效應晶體管的轉移特性曲線見圖1-36。圖1-36 輸出特性曲線場效應管1.41.4.2絕緣柵場效應管1分類、符號及外形圖(1)分類。分為N溝道增強型、P溝道增強型、N溝道耗盡型、P溝道耗盡型四種類型。(2)電路符號。四種場效晶體管的電路符號如圖1-25所示。圖1-25 四種絕緣柵場效應晶體管的電路符號場效應管1.41.4.2絕緣柵場效應管2結構和工作原理圖1-27 N溝道增強型絕緣柵場效應晶體管圖1-28 工作原理示意圖場效應管1.41.4.2絕緣柵場效應管3N溝道增強型MOSFET的轉移特性和輸出特性圖1-29 轉移特性曲線(1) 轉移特性。在漏源電壓 為確定值時，漏極電流 與

20、柵源電壓 之間的關系曲線，稱為轉移特性。N溝道增強型MOSFET的轉移特性曲線如圖1-29所示。當 VT 時，ID = 0；當 VT 時，ID隨 的。(2)N溝道增強型MOSFET的輸出特性曲線如圖1-30所示。場效應管1.41.4.2絕緣柵場效應管3N溝道增強型MOSFET的轉移特性和輸出特性圖1-30 輸出特性曲線(1) 轉移特性。在漏源電壓uDS為確定值時，漏極電流 iD與柵源電壓uGS之間的關系曲線，稱為轉移特性。N溝道增強型MOSFET的轉移特性曲線如圖1-29所示。當 UGSVT 時，ID = 0；當 UGS VT 時，ID隨 的。(2)N溝道增強型MOSFET的輸出特性曲線如圖1

21、-30所示。場效應管1.41.4.2絕緣柵場效應管3N溝道增強型MOSFET的轉移特性和輸出特性當 UGS UT且一定時，三個區域特點比較見表1-5。表1-5 輸出特性曲線的三個區域特點場效應管1.41.4.3場效應晶體管的主要參數和特點1場效應晶體管的主要參數(1)開啟電壓UT ：指UDS為定值時，使增強型絕緣柵場效應管開始導通的柵源電壓。(2)夾斷電壓UP：指UDS為定值時，使耗盡型絕緣柵場效應管處于剛開始截止的柵源電壓，N溝道管子的UP為負值，屬耗盡型場效應管的參數。(3)跨導gm：指 為定值時，柵源輸入信號UGS與由它引起的漏極電流ID之比，這是表征柵源電壓UGS對漏極電流ID控制作用大小的重要參數。(4)最高工作頻率fM：它是保證管子正常工作的頻率最高限額。場效應管三個電極間存在極間電容，極間電容小的管子最高工作頻率高，工作速度快。(5)漏源擊穿電壓U(BR)DS ：指漏源極之間允許加的最大電壓，實際電壓值超過該參數時，會使PN結反向擊穿。(6)最大耗散功率PDSM：指ID與UDD的乘積不應超過的極限值，是從發熱角度對管子提出的限制條件。 場效應管1.41.4.3場效應晶體管的主要參數和特點2場效應