3.1半導體的基礎知識第3章常用半導體器件重點掌握基本概念及器件的外特性引入：物體分類根據物體的導電性，可將物體分為：導體：低價元素，導電絕緣體：高價元素或高分子元素，不導電半導體：四價元素，導電能力介于以上二者之間1.1

半導體的導電特性

熱敏性光敏性摻雜性掌握半導體的導電特性1.1.1本征半導體現代電子學中，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。GeSi價電子一、本征半導體1、定義：化學成分完全純凈的半導體制成單晶體結構。2、共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子硅和鍺的共價鍵結構1.1

半導體的導電特性3、理解本征半導體的導電機理溫度為0K時，無自由電子，不導電常溫300K時，少數自由電子本征激發

+4+4+4+4本征半導體中有兩種載流子：自由電子和空穴，二者總是成對出現溫度越高，載流子的濃度越高，本征半導體的導電能力越強載流子的產生與復合－－動態平衡－－溫度一定，濃度一定1.1

半導體的導電特性二、雜質半導體本征半導體特點？1、電子濃度=空穴濃度；2、載流子少，導電性差，溫度穩定性差！(1)N型半導體(2)P型半導體在本征半導體中摻入微量元素－－雜質半導體1.1

半導體的導電特性

(1)N型半導體摻雜：摻入少量五價雜質元素（如：磷）+4+4+5+4多余電子磷原子特點：多數載流子：自由電子（主要由雜質原子提供）少數載流子：空穴（由本征激發形成）

(2）P型半導體（空穴型半導體）摻雜：摻入少量三價雜質元素（如：硼）特點：多子：空穴（主要由雜質原子提供）少子：自由電子（

由熱激發形成）+4+4+3+4雜質半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。bc4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba

(3)雜質對半導體導電性的影響1.雜質半導體中

的移動能形成電流。（a.多子、b.少子）2.摻入雜質越多，多子濃度越

，少子濃度越

。（a.高、b.低、c.不變）3.當溫度升高時，多子的數量

，少子的數量

。（a.減少、b.基本不變、c.增多）abba影響很大起導電作用的主要是多子。多子的數量主要與雜質濃度有關，近似認為多子與雜質濃度相等，受溫度影響小。少子濃度對溫度敏感，影響半導體性能。

(3)雜質對半導體導電性的影響小結

1、半導體的導電能力與

、

和

有關。

2、在一定溫度下，本征半導體因

而產生

，故其有一定的導電能力。

3、本征半導體的導電能力主要由

決定；雜質半導體的導電能力主要由

決定。

4、P型半導體中

是多子，

是少子。N型半導體中

是多子，

是少子。本征激發自由電子和空穴對溫度摻雜濃度空穴自由電子自由電子空穴溫度光強雜質濃度P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E漂移運動擴散的結果是使空間電荷區加寬，使內電場越強。內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。空間電荷區，也叫耗盡層。漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E當擴散和漂移達到動態平衡時，空間電荷區的寬度基本不變。擴散電流與漂移電流大小相等方向相反。三、PN結1、了解PN結的形成濃度差

多子擴散空間電荷區(雜質離子)

內電場

促使少子漂移

阻止多子擴散

PN結的實質：PN結=空間電荷區=耗盡層3.1

半導體的導電特性三、PN結2、掌握PN結的單向導電性(1)PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄

P接正、N接負

外電場I

內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。PN結加正向電壓時，正向電流較大，PN結導通。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–RI(2)PN結加反向電壓（反向偏置）外電場P接負、N接正內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+2、掌握PN結的單向導電性PN結變寬外電場

內電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數量很少，形成很小的反向電流。ISP接負、N接正溫度越高少子的數目越多，反向電流將隨溫度增加。–+PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－正向導通，反向截止2、掌握PN結的單向導電性(2)PN結加反向電壓（反向偏置）IS結構示意圖一、了解結構類型和符號PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路

二極管=PN結+引線+管殼。類型：點接觸型、面接觸型和平面型1.2

半導體二極管

金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點接觸型PN結面積大，用于低頻大電流整流電路PN結面積大的用于大功率整流，結面積小的用作開關管。結構示意圖鋁合金小球N型硅陽極引線PN結金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型陰極陽極(

d

)

符號D符號二、重點掌握伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降外加電壓＞死區電壓二極管才能導通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.8V鍺0.1~0.3VUI死區電壓PN+–PN–+

反向電流在一定電壓范圍內保持常數。室溫附近，溫度每升高1°C，正向壓降減小2-2.5mV，溫度每升高10°C，反向電流增大約一倍。綜上所述，二極管的伏安特性具有以下特點：(1)二極管具有單向導電性；(2)二極管的伏安特性具有非線性；

(3)二極管的伏安特性與溫度有關。

三、了解主要參數1.

最大整流電流

IF二極管長期工作時，允許流過二極管的最大正向平均電流。幾mA到幾百安培2.

反向工作峰值電壓UR保證二極管不被擊穿允許外加的最大反向電壓。通常為U(BR)的一半。3.

反向電流IR指二極管未擊穿時的反向電流。愈小愈好。一般幾納安到幾微安。4.最高工作頻率fM:其值主要決定于PN結結電容的大小。結電容愈大，則fM愈低。死區電壓=0導通電壓=0vDOiD1、理想二極管vDOiD2、恒壓降模型死區電壓=0.7V導通電壓0.7V（硅管）四、熟練應用二極管的等效電路練習題：判斷圖中的二極管是導通還是截止，并求出AO兩端電壓UAO。

分析方法：1.選零電位參考點；2.將二極管斷開，判斷其兩極電位。3.根據電位判二極管狀態，求AO兩端電壓。UIIZIZmaxUZIZ穩壓誤差曲線越陡，電壓越穩定。+-UZ動態電阻：rz越小，穩壓性能越好。使用時要加限流電阻五、穩壓二極管穩壓管是利用反向擊穿區的穩壓特性進行工作的，因此，穩壓管在電路中要反向連接。穩壓管的反向擊穿電壓稱為穩定電壓，不同類型穩壓管的穩定電壓不一樣，某一型號的穩壓管的穩壓值固定在一定范圍。例如：2CW11的穩壓值是3.2V到4.5V，其中某一只管子的穩壓值可能是3.2V，

另一只管子則可能是4.5V。

（2）穩定電流IZ：穩壓管工作在穩壓狀態時的參考電流，電流低于此值時穩壓效果變壞。IZmin（4）額定功耗穩壓二極管的參數:（1）穩定電壓

UZ：規定電流下穩壓管的反向擊穿電壓（5）溫度系數（%/℃）

穩壓值受溫度變化影響的的系數。（3）動態電阻rZ愈小，曲線愈陡，穩壓性能愈好。環境溫度每變化1C引起穩壓值變化的百分數。3.穩壓二極管穩壓電路

圖中Ui為有波動的輸入電壓，并滿足Ui>UZ。

R為限流電阻，RL為負載。該電路的穩壓原理是：當電網電壓升高時，必然引起整流濾波電路輸出電壓Ui升高，而Ui

的升高又會引起輸出電壓Uo（即UZ

）的增大。由穩壓管的穩壓特性可知，UZ的增大，勢必引起IZ的較大增大，于是限流電阻R上的電流IR增大，R上的電壓降也增大，這在很大程度上讓R承擔了Ui的變化，從而使Uo基本上趨于穩定（Ui↑→Uo↑→IZ↑→I↑→UR↑→Uo↓）。反之，當Ui下降而引起Uo變小時，也會引起IZ減小，R上的壓降UR減小，同樣保持了Uo的基本穩定。由上分析可見，在這種穩壓電路中，穩壓管起著電流控制作用。即不論是由于Ui還是由于IL

的變化使輸出電壓UL發生小的波動時，IZ都會產生較大變化，從而改變了總電流的大小而調整了R上的壓降，或是補償了IL的變化，結果都使UL維持基本不變。R在電路中起著限流和調壓作用。如R=0，則會使Ui（遠大于UZ）直接加于VDZ兩端，引起過大的IZ，使VDZ損壞。另外，R=0時，始終是UL=Ui，電路不會有穩壓性能。因此，這種電路的穩壓作用是穩壓管VDZ和限流電阻R共同完成的。1.光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加六、其他類型二極管有正向電流流過時發光。電－＞光的能量轉換器件。電路中常用做指示或顯示及光信息傳送。七段顯示發光二極管3.發光二極管符號六、其他類型二極管2023/2/1e：發射區b：基區c：集電區集電結發射結基區集電區發射區三極:三區:兩結:發射極e(Emitter),基極b(Base),集電極c(Collector)發射結集電結3.3

晶體三極管一、晶體管的結構及類型NNP基極發射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN兩種類型:NPN和PNPPNP電路符號NPN電路符號BECIBIEICBECIBIEIC基區：最薄，摻雜濃度最低發射區：摻雜濃度最高發射結集電結BECNNP基極發射極集電極結構特點：集電區：面積最大1.各電極電流分配關系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結論:IE=IC+IB

IC

=βIB

IE=(1+β)

IB二、重點掌握晶體管電流放大作用ΔIC

=β

ΔIBβ共射極電流放大倍數2023/2/12.放大條件內部條件？三區摻雜不同！發射結正偏，集電結反偏。對NPN型：VC

＞VB

＞VE對PNP型：VC

＜

VB

＜VE

二、重點掌握晶體管電流放大作用

外部條件：NPNebc電子空穴IENICNIEPICBOIEICIBIBN空穴流與電流方向相同；電子流與電流方向相反。IE=IEN+IEP且IEN>>IEPIC=ICN+ICBOICN=IEN

-IBN

IB=IEP+IBN

-ICBO推導3.了解內部載流子傳輸過程對于NPN型三極管，集電極電流和基極電流是流入三極管，發射極電流是流出三極管，流進的電流等于流出的電流，即IE=IB+IC。發射區摻雜濃度高，基區摻雜濃度低且很薄，是保證三極管能夠實現電流放大的關鍵。兩個二極管能否代替一個三極管？不能！三、晶體管的共射特性曲線晶體管各電極電壓與電流的關系曲線。為什么要研究特性曲線：

1）直觀地分析管子的工作狀態

2）合理地選擇偏置電路的參數，設計性能良好的電路

重點討論應用最廣泛的共發射極接法的特性曲線1.輸入特性UCE1ViB(A)uBE(V)204060800.40.8UCE=0VUCE=0.5VUCE不變時，呈指數關系曲線UCE增大時，曲線右移iB=f(uBE)

UCE=const2.輸出特性iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區域滿足IC=IB稱為線性區（放大區）。當UCE大于一定的數值時，IC只與IB有關，IC=IB。——iC=f(uCE)

IB=constIC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區域中:IB=0,IC≈0,UBE<開啟電壓，稱為截止區。——iC=f(uCE)

IB=constIC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區域中集電結、發射結均正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區。——iC=f(uCE)

IB=const輸出特性三個區域的特點:放大區：發射結正偏，集電結反偏。即：IC=IB,且IC

=

IB(2)飽和區：發射結正偏，集電結正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區：

UBE<死區電壓且集電結反偏，此時IB=0，IC=ICEO

0

應當指出，當uCE增大到某一值時，iC將急劇增加，這時三極管發生擊穿。例1：測量三極管三個電極對地電位如圖。試判斷三極管的工作狀態。

放大截止飽和1.電流放大系數共射直流放大系數四、了解晶體管的主要參數共射交流電流放大系數當ICBO和ICEO很小時，≈例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1點，有由Q1和Q2點，得2.極間反向電流ICBO

ICBO是由少數載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。溫度ICBOICBOA+–EC3.

穿透電流ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。

ICEO=（1+）ICBO

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。4.最大集電極電流ICM5.

極間反向擊穿電壓U(BR)CEO6.

集電極最大允許耗散功耗PCM三極管消耗功率過大，溫升過高會燒壞三極管。

PC

=iC

uCE

PCMICICMICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區由三個極限參數可畫出三極管的安全工作區ICUCEO過流區過損區過壓區1、溫度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管優于鍺管。2、溫度每升高1C，UBE將減小2--2.5mV，即UBE具有負溫度系數。3、溫度每升高1C，增加0.5%~1.0%。五、了解溫度對晶體管特性及參數的影響1.4

場效應管(FET)結型場效應管JFETN溝道結型場效應管P溝道結型場效應管絕緣柵型場效應管MOS增強型N溝道增強型MOS管P溝道增強型MOS管耗盡型N溝道耗盡型MOS管P溝道耗盡型MOS管一、結型場效應管JFET1、結構及電路符號N基底：N型半導體PP兩邊是P區S源極D漏極導電溝道G(柵極)DGSN溝道結型場效應管P溝道結型場效應管DGSPG(柵極)S源極D漏極NN2、工作原理（以N溝道為例）uDS=0V時NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDPN結反偏，|uGS|越大則耗盡層越寬，導電溝道越窄。UDS=0時NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDNDPPuGS達到一定值時（夾斷電壓UGS(off)）,耗盡區碰到一起，DS間被夾斷，這時，即使UDS0V，漏極電流ID=0A。NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDUGS(off)<uGS<0時①當uDS=0時，iD=0。NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDDPPN②uDS↑→iD↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。UGS(off)<uGS<0時NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDNDPP③當uDS↑,使uGD=uGS-

uDS=UGS（off)時，在靠漏極處夾斷——預夾斷。UGS(off)<uGS<0時NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDNDPP④uDS再↑，預夾斷點下移。UGS(off)<uGS<0時uDS↑→ID幾乎不變。（1）輸出特性曲線：iD=f（uDS）│UGS=常數3、結型場效應三極管的特性曲線四個區：①可變電阻區：預夾斷前。②恒流區：預夾斷后。△iD/△uGS≈常數=gm△iD=gm△uGS（放大原理）③夾斷區④擊穿區

(a)輸出特性曲線(b)轉移特性曲線（2）轉移特性曲線：iD=f（uGS）│uDS=常數

IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransistor)

MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)應用：集成電路分類：

N溝道增強型

N溝道耗盡型

P溝道增強型

P溝道耗盡型

二、絕緣柵型場效應管

取一塊P型半導體作為襯底，用B表示。

用氧化工藝生成一層SiO2

薄膜絕緣層。

然后用光刻工藝腐蝕出兩個孔。擴散兩個高摻雜的N區。

從N型區引出電極，一個是漏極D，一個是源極S。

在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。符號DGSB形成兩個PN結。（綠色部分）結構1、N溝道增強型MOS管

令漏源電壓uDS=0，加入柵源電壓uGS。

uGS排斥空穴，形成一層負離子層（耗盡層）。感生電子電荷，在漏源之間形成導電溝道。稱為反型層。若加上uDS

，就會有漏極電流iD產生。反型層工作原理（1）柵源電壓uGS的控制作用

工作原理（1）柵源電壓uGS的控制作用當uGS較小時，iD＝0當uGS增加到一定數值使iD剛剛出現，對應的UGS稱為開啟電壓，用UGS(th)或UT表示。改變uGS－＞改變溝道－＞影響iD

：uGS對iD有控制作用。

設uGS＞UGS(th)，增加uDS，溝道變化如下：uDS從漏到源逐漸降落在溝道內，漏極和襯底之間反偏最大，PN結的寬度最大。漏源之間會形成一個傾斜的PN結區。預夾斷工作原理

（2）漏源電壓uDS的控制作用預夾斷uDSUDS再，ID基本不變，增加的UDS基本上降落在夾斷區。轉移特性曲線（3）N溝道增強型MOS管特性曲線iD

=f(uGS

)UDS=constOV2GS=UV3+V5.3+V4+DImA/15105DU/V恒流區.夾斷區可變電阻區工作原理輸出特性曲線iD

=f(uD

)UGS=constSDGPN+N+SiO2型襯底B+++++++++在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了一定量的正離子。結構和符號當uGS=0時，這些正離子已經感生出電子形成導電溝道。只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。2、N溝道耗盡型MOS管DGSB夾斷電壓飽和漏極電流IDSS當UGS=0時，對應的漏極電流用IDSS表示。當UGS＞0時，將使ID進一步增加，直至進入恒流區，漏極電流保持不變。UGS＜0時，隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。此時的UGS稱為夾斷電壓，用符號UGS(off)表示特性曲線N溝道耗盡型MOS管可工作在UGS0或UGS>0N溝道增強型MOS管只能工作在UGS>UGS(th)>0三、場效應管的主要參數直流參數交流參數極限參數②夾斷電壓UGS(off)

夾斷電壓是耗盡型FET的參數，當UGS=UGS(off)時,漏極電流為零。③飽和漏極電流IDSS

耗盡型場效應管當UGS=0時所對應的漏極電流。④直流輸入電阻RGS(DC)柵源間所加的恒定電壓UGS與柵極電流IG之比。結型場效應管RGS(DC)約大于107Ω，MOS管RGS(DC)約是109～1015Ω。（1）直流參數①開啟電壓UGS(th)

開啟電壓是MOS增強型管的參數，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應管不能導通。①低頻跨導gm：數值大小反映了uGS對iD控制作用的強弱。

gm是轉移特性曲線上某一點的切線