1、主编 李中发 制作 李中发 2005年1月,电子技术,第1章 半导体器件,学习要点,了解半导体的特性和导电方式，理解PN结的单向导电特性 了解半导体二极管、三极管的结构 理解二极管的工作原理、伏安特性和主要参数 理解双极型三极管的放大作用、输入和输出特性曲线及主要参数 了解MOS场效应管的伏安特性、主要参数及其与双极型三极管的性能比较,1.1 PN结 1.2 半导体二极管 1.3 特殊二极管 1.4 双极型三极管 1.5 场效应晶体管,第1章 半导体器件,1.1 PN结,半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。半导体器件是构成各种电子电路最基本
2、的元件。,1.1.1 半导体的导电特征,半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。,半导体的电阻率为10-3109 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,本征半导体及杂质半导体,本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体。,每个原子周围有四个相邻的原子，原子
3、之间通过共价键紧密结合在一起。共价键中的价电子为两个相邻原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。,1激发产生自由电子和空穴,这种结构的立体和平面示意图见下图：,室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为空穴。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。,在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。,1激发产生自由电子和空穴,当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,（与自由电子
4、的运动不同）,有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。,本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。 热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为复合。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。,2空穴的运动,演示一,演示二,本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡:,3.在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强,在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的
5、原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。,（1） N型半导体,自由电子,多数载流子（简称多子）,空 穴,少数载流子（简称少子）,（2） P型半导体,在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。,自由电子,多数载流子（简
6、称多子）,空 穴,少数载流子（简称少子）,无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。 掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。 少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。,半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。 将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结。,1PN结的形成,1.1.2 PN结及其单向导电性,多子扩散,形成空间电荷区
7、产生内电场,少子漂移,促使,阻止,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结,演示三,外加正向电压（也叫正向偏置） 外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。,2PN结的单向导电性,演示四,外加反向电压（也叫反向偏置） 外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，这时称PN结处于截止状态。,演示五,一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。半导体二极管按其结构
8、不同可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管PN结面积很小，结电容很小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。面接触型二极管PN结面积大，结电容也大，多用在低频整流电路中。,1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的结构,1.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线,式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。,半导体二极管的伏安特性曲线如下页图所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二
9、极管的伏安特性曲线可用下式表示:,（1）正向特性,外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态 。,正向电压大于死区电压后，正向电流 随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。,外加反向电压时， PN结处于截止状态，反向电流 很小。 反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。,（2）反向特性,（1）最大整流电流IOM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。 （2）反向击穿电压UBR：指管子反向击穿时的电压值。 （3）最大反向工作电压UDRM：二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为UBR 的一半）。 （4）最大反向电流
10、IRM：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。 （5）最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容的大小。,1.2.3 半导体二极管的主要参数,理想二极管： 正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计； 反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。,稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。,1.3 特殊二极管,1.3.1 稳压管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向
11、区、符号和典型应用电路如下图所示。,从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。,(1) 稳定电压VZ ,(2) 动态电阻rZ ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。rZ =VZ /IZ,(3) 最大耗散功率PZM ,稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。,(4) 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流IZmin ,稳压管的最大稳定
12、工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应于VZmin。若IZIzmin，则不能起稳压作用。,温度的变化将使VZ改变，在稳压管中：当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数。当VZ 4 V时，VZ具有负温度系数。稳压管的反向击穿是齐纳击穿。当4 VVZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,(5)稳定电压温度系数VZ,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,1.
13、UI 不变，RL 减小,RL,IL,UR,UO,IZ,IR=IL+IZ,基本不变,2. RL 不变， UI 升高,UI,UO,IZ,UR,UO=UI - UR,基本不变,UO,UO,1.3.2 发光二极管,当发光二极管的PN结加上正向电压时，电子与空穴复合过程以光的形式放出能量。即有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压比一般二极管高，电流为几 几十mA。,发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低(1.53V)、体积小、寿命长、可靠性较高，室温下连续工作时间长、光功率电流线性
14、度好等显著优点，而且由于此项技术已经发展得比较成熟，所以其价格非常便宜，是一种很有用的半导体器件，常用于信号指示、数字和字符显示。因此在一些简易的光纤传感器的设计中，如果LED能胜任，选用它作为光源即可大大降低整个传感器的成本。,然而，LED的发光机理决定了它存在着很多的不足，如输出功率小、发射角大、谱线宽、响应速度低等。因此，在一些需要功率高、调制速率快、单色性好的光源的传感器设计中，就不得不以提高成本为代价，选用其它更高性能的光源。,光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。其核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光的照射，PN结面积尽量做的大一些，
15、电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。,1.3.3 光电二极管,光电二极管伏安特性曲线,光电二极管的又称为光敏二极管，其工作原理恰好与发光二极管相反。当光线照射到光电二极管的PN结时，能激发更多的电子，使之产生更多的电子-空穴对，从而提高了少数载流子的浓度。在PN结两端加反向电压时反向电流会增加，所产生反向电流的大小与光的照度成正比，所以光电二极管正常工作时所加的电压为反向电压。为使光线能照射到PN结上，在光电二极管的管壳上设有一个小的通光窗口。,光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入P
16、N结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子。,光生载流子在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。,1.4 双极型三极管,1.4.1 三极管的结构及类型,半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称为双极型晶体管，简称晶体管或三极管。 （CCCS） 两个PN结，把半导体分成三个区域。这三个
17、区域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三极管有两种类型：NPN型和PNP型。,双极型半导体三极管的结构示意图如下图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。,e-b间的PN结称为发射结(Je),c-b间的PN结称为集电结(Jc),中间部分称为基区，连上电极称为基极， 用B或b表示（Base）；,一侧称为发射区，电极称为发射极， 用E或e表示（Emitter）；,另一侧称为集电区和集电极， 用C或c表示（Collector）。,两种极性的双极型三极管,双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射结加正向电压时电流的实际方向。从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实
18、际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。,1.4.2 电流分配和电流放大作用,（1）产生放大作用的条件内部：a）发射区杂质浓度基区集电区b）基区很薄外部：发射结正偏，集电结反偏,（2）三极管内部载流子的传输过程： a）发射区向基区注入电子，形成发射极电流 iE b）电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流 iB c）集电区收集扩散过来的电子，形成集电极电流 iC （3）电流分配关系：iE = iC + iB,演示六,双极型三极管的 电流传输关系,发射结加正偏时，从发射区将有大量电子向基区扩散，形成发射极电流，与PN结中的情况相
19、同。从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。,进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流。在基区被复合的电子形成基极电流。,另外因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。于是可得如下电流关系式:,IE =IC+IB,三极管放大的实质,发射结正向电压大小控制,基区少子浓度影响,集电极电流大小,即由Vbe控制Ic，由于Ib正比于Vbe， 所以有Ib正比于Ic。,由以上分析可知，发
20、射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。,实验表明IC比IB大数十至数百倍，因而有IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC 随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。,1.4.3 三极管的特性曲线,1输入特性曲线,与二极管类似,2输出特性曲线,（1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置,（2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置,（3）饱和区：发射结正
21、向偏置，集电结正向偏置,此时,演示七,1.4.4 三极管的主要参数,1、电流放大系数：iC= iB 2、极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO=（1+ ）iCBO 3、极限参数（1）集电极最大允许电流 ICM：下降到额定值的2/3时所允许的最大集电极电流。（2）反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压。（3）集电极最大允许功耗PCM 。,1.5 场效应晶体管,1.5.1 绝缘栅型场效应管的结构,演示八,耗尽型：UGS=0时漏、源极之间已经存在原始导电沟道。 增强型：UGS0才能在漏、源极之间形成导电沟道。,无论是N沟道MOS管还是P沟道MOS管，都只有一种载流
22、子导电，均为单极型电压控制器件。（VCCS） MOS管的栅极电流几乎为零，输入电阻RGS很高。,1、N沟道耗尽型场效应管的特性曲线,耗尽型场效应管存在原始导电沟道，UGS=0时漏、源极之间就可以导电。这时在外加电压UDS作用下的漏极电流称为漏极饱和电流IDSS。UGS0时沟道内感应出的负电荷增多，沟道加宽，沟道电阻减小，ID增大。UGS0时会在沟道内产生出正电荷与原始负电荷复合，沟道变窄，沟道电阻增大，ID减小。UGS达到一定负值时，沟道内载流子全部复合耗尽，沟道被夹断，ID=0，这时的UGS称为夹断电压UGS(off)。,1.5.2 绝缘栅型场效应管的工作原理与特性曲线,增强型场效应管不存在
23、原始导电沟道， UGS=0时场效应管不能导通，ID=0 。 UGS0时会产生垂直于衬底表面的电场。P型衬底与绝缘层的界面将感应出负电荷层，UGS增加，负电荷数量增多，积累的负电荷足够多时，两个N+区沟通，形成导电沟道，漏、源极之间有ID出现。在一定的漏、源电压UDS下，使管子由不导通转为导通的临界栅、源电压称为开启电压UGS(th)。 UGS UGS(th)时，随UGS的增加ID增大。,2、N沟道增强型场效应管的特性曲线,演示九,按场效应管的工作情况可将漏极特性曲线分为两个区域。在虚线左边的区域内，漏、源电压UDS相对较小，漏极电流ID随UDS的增加而增加，输出电阻ro较小，且可以通过改变栅、源电压UGS的大小来改变输出电阻ro的阻值，这一区域称为可变电阻区。在虚线右边的区域内，当栅、源电压UGS为常数时，漏极电流ID几乎不随漏、源电压UDS的变化而变化，特性曲线趋于与横轴平行，输出电阻ro很大，在栅、源电压UGS增大时，漏极电流ID随UGS线性增大，这一区域称为放大区。,综上所述，场效应管的漏极电流ID受栅、源电压UGS的控制，即ID随UGS的变化而变化，所以场效应管是一种电压控制器件。场效应管栅、源电压UGS对漏极ID控制作用的大小用跨导gm表示：,1.5.3 绝缘栅型场效应管的主要参数,
