第8章半導體器件8.4雙極型晶體管8.6集成電路8.5場效應管8.1半導體的基礎知識8.2半導體二極管8.3特殊二極管8.1半導體的基礎知識2導體、半導體、絕緣體。

物質按導電能力劃分：

半導體的導電性能：

價電子參與導電、摻雜增強導電能力、熱敏特性、光敏特性。一、本征半導體

1.什么是本征半導體

是一種完全純凈的、結構完整的半導體晶體。3

完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結構共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子4本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：

(1)本征半導體中載流子數目極少,其導電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產生和復合達到動態平衡，半導體中載流子便維持一定的數目。5二、雜質半導體

在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。(1)摻入五價的雜質元素自由電子的濃度空穴的濃度。自由電子為多數載流子，空穴為少數載流子。稱這種雜質半導體為N型半導體。(2)摻入三價的雜質元素自由電子的濃度空穴的濃度。空穴為多數載流子。自由電子為少數載流子。稱這種雜質半導體為P型半導體。6

摻雜后自由電子數目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變為自由電子

在本征半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,形成雜質半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數載流子，空穴是少數載流子。7

摻雜后空穴數目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或P型半導體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。B–硼原子接受一個電子變為負離子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。三、PN結1.PN結的形成多子的擴散運動內電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體

內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。

擴散的結果使空間電荷區變寬。

擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態平衡，空間電荷區的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區9＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－

多數載流子的擴散運動與少數載流子的漂移運動達到動態平衡——平衡的PN結。內電場10內電場越強，多數載流子的運動越難以進行。內電場越強，少數載流子的運動越易于進行。

擴散運動：多數載流子由于濃度的差別而形成的運動。

漂移運動：少數載流子由于內電場的作用而形成的運動。2.PN結的特性PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄P接正、N接負外電場IF

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，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–12PN結變寬PN結加反向電壓（反向偏置）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。IRP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+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－8.2半導體二極管13一、普通二極管

ＰN陽極陰極(1)按結構分類

點接觸型、面接觸型。(2)按材料分類硅管、鍺管。(3)按用途不同分類普通管、整流管、開關管等。1.基本結構14(a)點接觸型(b)面接觸型

結面積小、結電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。

結面積大、正向電流大、結電容大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。15陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型半導體二極管的結構和符號二極管的結構示意圖陰極陽極(

d

)

符號D二、伏安特性硅管0.5V,鍺管0.2V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于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0.7V鍺0.3VUI死區電壓PN+–PN–+

反向電流在一定電壓范圍內保持常數。17UD(2)近似特性UI

OUI

O(3)理想特性3.主要參數(1)額定正向平均電流（最大整流電流）IF

(2)正向壓降UF(3)最高反向工作電壓UR

一般規定為反向擊穿電壓的1/2或1/3。(4)最大反向電流IRm

18二極管的單向導電性1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向導通狀態，二極管正向電阻較小，正向電流較大。2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.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。4.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。19電路如圖，求：UABV陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。D6V12V3kBAUAB+–20兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB

在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–21ui>8V，二極管導通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關、元件保護、溫度補償等。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––228.3特殊二極管1.穩壓二極管符號UZIZIZMUZIZ伏安特性

穩壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻_+UIO23穩壓二極管的主要參數(1)穩定電壓UZ

穩壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)電壓溫度系數ｕ環境溫度每變化1C引起穩壓值變化的百分數。(3)動態電阻(4)穩定電流IZ、最大穩定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩壓性能愈好。

[解](1)Ui＝10V時DZ反向擊穿穩壓：UO=UZ=5V。

(2)Ui

=3V時DZ反向截止：UO=Ui

=3V。

(3)Ui

=－5V時DZ正向導通：UO=0V。

(4)ui

=10sin

tV時當0＜ui＜5V時，DZ反向截止：UO=Ui

=10sin

tV。當ui＞5V時，DZ反向擊穿穩壓：如圖所示電路，設UZ=

5V，正向壓降忽略不計。當直流輸入Ui

=10V、3V、－5V時，Uo=？當輸入為交流ui

=10sin

tV時，分析uO的波形。RDZ

＋Ui－＋UO－5

tuO/VO23UO=UZ=5V。當ui＜0V時，DZ正向導通：UO=0V。25光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加符號發光二極管有正向電流流過時，發出一定波長范圍的光，目前的發光管可以發出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾~幾十mA光電二極管發光二極管268.4

雙極型晶體管1.基本結構NNP基極發射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管27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28二、工作狀態條件:發射結正偏,集電結反偏。

發射區發射載流子

→形成電流IE

少部分在基區被復合

→形成IB

大部分被集電區收集

→形成IC

1．放大狀態⑴電流的形成NPNB

E

CRCUCCUBBRB晶體管中載流子的運動過程IEICIB29⑵電流的關系

IE=IB+IC

當IB=0時，

直流(靜態)電流放大系數

交流(動態)電流放大系數≈ICIBIC－ICEOIBβ

=ICIBβ=

UCE=常數

ICIB≈IC=ICEONPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIB電路圖30IB微小的變化，會產生IC很大的變化。IC

=βIB

。0＜UCE＜UCC，

UCE

=UCC－RC

IC

。晶體管相當于通路。⑶特點3131特點：

IB↑,IC基本不變。

IC≈UCC

/RC。

UCE≈0。晶體管相當于短路。條件:發射結正偏,集電結正偏。IB↑,IC

↑UCE=(UCC－RCIC)↓

ICM=UCC/RC2.飽和狀態電路圖NPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIBCERCUCC飽和狀態時的晶體管32特點：

IB=0IC=0UCE=UCC

晶體管相當于開路。3.截止狀態條件:發射結反偏,集電結反偏。電路圖CERCUCCNPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIB晶體管處于放大狀態。

[例]

圖示電路，晶體管的=100，求開關S合向a、b、c

時的IB、IC

和UCE，并指出晶體管的工作狀態（忽略UBE

）。[解](1)開關S合向a時

UBB1RB15

500×103

IB==A=0.01mAIC=IB

=100×0.01mA=1mA

UCE=UCC－RCIC

=(15－5×103×1×10－3)V=10VUCC=15V

UBB1=5V

UBB2=1.5VRB1=

500kRB2=

50kRC=

5kUBB1SBCERCUCCRB1UBB2RB2abcUCE=0V晶體管處于飽和狀態。因為若

IC=IB=100×0.1mA=10mA

UCE=UCC－RCIC

=(15－5×103×10×10－3)V=－35VUCE＜0，這是不可能的，即不可能處于放大狀態。UCCRC＞=3mA

UCCRC15

5×103

IC==A=3mA

UBB1SBCERCUCCRB1UBB2RB2abcUBB1RB25

50×103

IB==A=0.1mA

(2)開關S合向b時35

(3)開關S合向c時

IB=0，IC=0，UCE=UCC=15V晶體管處于截止狀態。UBB1SBCERCUCCRB1UBB2RB2abc36三、特性曲線1.輸入特性

IB=f(UBE)UCE=常數

UCE≥1V25℃UCE≥1V75℃80604020UBE/VIB/AO0.40.8※

硅管：UBE0.7V

鍺管：UBE0.3ViC

＋

uCE

－

＋

uBE

－iBBEC輸入特性工作方式372.輸出特性

IC=f(UCE)∣IB=常數放大區IC/mA4321369UCE/VOIB=020A40A60A80A100A飽和區截止區輸出特性iC

＋

uCE

－

＋

uBE

－iBBEC工作方式38

動態電流放大系數

2.穿透電流ICEO3.集電極最大允許電流

ICM4.集電極最大耗散功率

PCM

PC

=UCE×IC5.反向擊穿電壓U(BR)CEO靜態電流放大系數

四、主要參數1.電流放大系數4321369ICUCEO放大區截止區飽和區過損耗區安全工作區U(BR)CEOICMPCM功耗曲線398.5場效應型晶體管一、基本結構SiO2NMOS管PMOS管源極漏極SD鋁片柵極

GBP型硅襯底

N+N+BN型硅襯底

P+P+源極柵極漏極SGD40P型硅襯底

N+N+BSGD二、基本類型按導電溝道的不同分為：

N型溝道MOS管—NMOS管

P型溝道MOS管—PMOS管N型硅襯底

P+P+BSGDNMOS管PMOS管導電溝道++++41按導電溝道形成的不同分為：

增強型—簡稱E型耗盡型—簡稱D型場效應管的圖形符號:GE型

NMOSSDBGE型

PMOSSDBD型

NMOSSDGBD型

PMOSSDGB1.N溝道增強型管的工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

由結構圖可見，N+型漏區和N+型源區之間被P型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個背靠背的PN結。

當柵源電壓UGS=0時，不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個PN結是反向偏置的，反向電阻很高，漏極電流近似為零。SD三、工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

當UGS>0時，P型襯底中的電子受到電場力的吸引到達表層，填補空穴形成負離子的耗盡層；N型導電溝道在漏極電源的作用下將產生漏極電流ID，管子導通。當UGS>UGS（th）時，將出現N型導電溝道，將D-S連接起來。UGS愈高，導電溝道愈寬。EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–N型導電溝道當UGS

UGS(th）后，場效應管才形成導電溝道，開始導通，若漏–源之間加上一定的電壓UDS，則有漏極電流ID產生。在一定的UDS下漏極電流ID的大小與柵源電壓UGS有關。所以，場效應管是一種電壓控制電流的器件。

在一定的漏–源電壓UDS下，使管子由不導通變為導通的臨界柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th）。GSD符號：

如果MOS管在制造時導電溝道就已形成，稱為耗盡型場效應管。N溝道耗盡型管SiO2絕緣層中摻有正離子予埋了N型導電溝道2.N溝道耗盡型管的工作原理

由于耗盡型場效應管預埋了導電溝道，所以在UGS=0時，若漏–源之間加上一定的電壓U