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1第一章 半导体器件软件学院侯刚2主要内容 1.1 半导体基础知识 1.2 二极管 1.3 稳压二极管 1.4 其它类型二极管 1.5 半导体三极管 1.6 场效应管31.1 半导体基础知识 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。41.1 半导体基础知识 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。 半导体的特点： 热敏性 光敏性 掺杂性 51.1.1 本征半导体 完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。 本征半导体的原子结构及共价键。共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。61.1.1 本征半导体 本征激发和两种载流子自由电子和空穴 温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。71.1.1 本征半导体 空穴出现以后，邻近的束缚电子可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位，另一个束缚电子又会填补这个新的空位，这样就形成束缚电子填补空穴的运动。为了区别自由电子的运动，称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。81.1.1 本征半导体 结 论(1) 半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。 (2) 本征半导体中，自由电子和空穴结伴产生，数目相同。(3) 一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。(4) 温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。91.1.2 杂质半导体 在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为电子半导体。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为空穴半导体。101.1.2 杂质半导体1、 N型半导体 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，则构成N型半导体。 五价的元素具有五个价电子，它们进入由硅（或锗）组成的半导体晶体中，五价的原子取代四价的硅（或锗）原子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，因为多一个价电子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子，于是半导体中自由电子的数目大量增加。自由电子参与导电移动后，在原来的位置留下一个不能移动的正离子。每个五价原子给出一个电子，称为施主原子。111.1.2 杂质半导体N型半导体的共价键结构N型半导体中的载流子：(1) 由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。(2) 本征半导体中成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子(多子)，空穴称为少数载流子(少子)。121.1.2 杂质半导体2、P型半导体 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等，则构成P型半导体。 三价的元素只有三个价电子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，由于缺少一个价电子，在晶体中便产生一个空位，邻近的束缚电子如果获取足够的能量，有可能填补这个空位，使原子成为一个不能移动的负离子。由于三价原子接受电子，所以称为受主原子。131.1.2 杂质半导体 P型半导体中的共价键结构P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。141.1.2 杂质半导体 杂质半导体的示意表示P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。质浓度相等。151.1.3 PN结及其单向导电性 利用半导体的制作工艺，在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。 PN结具有单一型半导体所不具有的新特性，利用这种新特性可以制造出各种半导体器件。如二极管、三极管和场效应管等。161.1.3 PN结及其单向导电性1、PN结的形成 多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动。171.1.3 PN结及其单向导电性 扩散运动的结果，在交界面P区一侧因失去了空穴而出现负离子区；而N区一侧因失去自由电子出现了正离子区。 正负离子都被束缚在晶格内不能移动，于是在交界面两侧形成了正、负空间电荷区。在空间电荷区内可以认为载流子已被“耗尽”，故又称耗尽区或耗尽层。181.1.3 PN结及其单向导电性 空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。191.1.3 PN结及其单向导电性2、PN结的单向导电性 处于平衡状态下的PN结没有实用价值。如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN结会呈现出不同的导电性能。 当PN结在一定的电压范围内外加正向电压时，处于低电阻的导通状态。当外加反向电压时，处于高电阻的截止状态，这种导电特性，就是PN结单向导电性。201.1.3 PN结及其单向导电性(1) PN结外加正向电压： PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏。211.1.3 PN结及其单向导电性(2) PN结外加反向电压： PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏。221.2 二极管1.2.1 二极管的结构及符号 半导体二极管是由一个PN结加上相应的电极和引线及管壳封装而成的。 由P区引出的电极称为阳极（正极），N区引出的为阴极（负极）。 因为PN结的单向导电性，二极管导通时的电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。电流方向231.2.1 二极管的结构及符号 二极管按半导体材料的不同可以分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。 按结构不同可分为点接触型、面接触型和平面型二极管等。241.2.1 二极管的结构及符号 常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形各异。251.2.2 伏安特性及主要参数1、二极管的伏安特性曲线 二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性曲线。用实验的方法，在二极管的正极和负极加上不同极性和不同数值的电压，同时测量流过二极管的电流值，就得到二极管的伏安特性。261.2.2 伏安特性及主要参数伏安特性曲线271.2.2 伏安特性及主要参数(1) 正向特性 二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。当二极管所加正向电压比较小时（0UUT时：Te1UU当外加反向电压|U|UT时 Te1UUI= Is 331.2.2 伏安特性及主要参数4、主要参数（1）最大整流电流IF 最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。（2）反向击穿电压UBR 反向击穿电压是指二极管击穿时的电压值。（3）反向饱和电流IS 它是指管子没有击穿时的反向电流值。其值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。341.2.3 二极管电路的分析方法及应用（1）二极管理想模型 如果二极管正向压降远小于和它串联的电路的电压，反向电流远小于和它并联的电路的电流，则可忽略二极管的正向压降和反向电流对电路的影响，即认为二极管具有理想的伏安特性。理想的二极管可以用一个理想的开关来等效，正偏时开关闭合，反偏时开关断开。351.2.3 二极管电路的分析方法及应用（2）二极管恒压源模型 若二极管的工作电流处于伏安特性曲线的近似指数部分，即使电流变化，二极管的端电压也基本不变。因此可用一条与实际伏安特性曲线基本重合的垂直曲线来代替原特性曲线。相应的电路模型叫恒压源模型。电路模型中UD(on)是二极管的恒定导通电压，对硅管可取0.7V，对锗管可取0.3V。利用二极管的恒压源模型时，只有当二极管两端正向电压大于UD(on)时，二极管才有电流流过，小于UD(on)时，二极管截止。这个模型与二极管的伏安特性较为接近。361.2.3 二极管电路的分析方法及应用 例1-1371.2.3 二极管电路的分析方法及应用 例1-2381.2.3 二极管电路的分析方法及应用391.3 稳压二极管 稳压管是利用半导体特殊工艺制成，实质上也是一个半导体二极管，外形也相似，因为具有稳定电压的作用，称它为稳压管。 在电子电路中，稳压管工作于反向击穿状态。击穿电压从几伏到几十伏，反向电流也较一般二极管大。在反向击穿状态下正常工作而不损坏，是稳压管的特点。401.3 稳压二极管1、稳压管的伏安特性和符号411.3 稳压二极管2、稳压管的主要参数 稳定电压稳定电压UZ：它是指当稳压管中的电流为规定值时，稳压管在电路中其两端产生的稳定电压值。 稳定电流稳定电流IZ：它是指稳压管工作在稳压状态时，稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大稳定电流IZmax之分。 动态电阻动态电阻rZ：指稳压管在正常的工作范围内，管子两端电压UZ的变化量和管中电流IZ的变化量之比，稳压管反向特性曲线越陡， rZ越小稳压性能越好。 rZ = UZ / IZ421.3 稳压二极管3、稳压管的典型稳压电路431.3 稳压二极管4、例题：负载电阻uoiZDZRiLiuiRL5mA 20mA, V,10minmaxzzzWIIU稳压管的技术参数: k2LR解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。求：求：电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值。的正常值。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi方程方程1要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。441.3 稳压二极管令输入电压降到下限时，令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为流过稳压管的电流为Izmin 。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2，可解得：，可解得：k50V7518.R,.ui451.4 其它类型二极管1、发光二极管 发光二极管是一种光发射器件，英文缩写是LED。此类管子通常由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等元素的化合物制成，管子正向导通，当导通电流足够大时，能把电能直接转换为光能，发出光来。目前发光二极管的颜色有红、黄、橙、绿、白和蓝6种，所发光的颜色主要取决于制作管子的材料。 发光二极管应用非常广泛，常用作各种电子设备如仪器仪表、计算机、电视机等的电源指示灯和信号指示等，还可以做成七段数码显示器等。发光二极管的另一个重要用途是将电信号转为光信号。461.4 其它类型二极管12345678ABCD87654321DCBATitleNumberRevisionSizeDDate:27-Sep-2007Sheet of File:F:新知源讲课白线检测.DDBDrawn By:LED471.4 其它类型二极管2、光电二极管 光电二极管又称为光敏二极管，它是一种光接受器件，其PN结工作在反偏状态，可以将光能转换为电能，实现光电转换。481.4 其它类型二极管3、激光二极管 激光二极管是在发光二极管的PN结间安置一层具有光活性的半导体，构成一个光谐振腔。工作时接正向电压，可发射出激光。 激光二极管的应用非常广泛，在计算机的光盘驱动器，激光打印机中的打印头，激光唱机，激光影碟机中都有激光二极管。491.5 半导体三极管 半导体三极管又称晶体三极管（下称三极管），一般简称晶体管，或双极型晶体管。它是通过一定的制作工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互作用，使三极管成为一个具有控制电流作用的半导体器件。501.5.1 基本结构和类型 三极管可以是由半导体硅材料制成，称为硅三极管；也可以由锗材料制成，称为锗三极管。 三极管从应用的角度讲，种类很多。根据工作频率分为高频管、低频管和开关管；根据工作功率分为大功率管、中功率管和小功率管。511.5.1 基本结构和类型 三极管从结构上来讲分为两类：NPN型三极管和PNP型三极管。521.5.1 基本结构和类型 符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流向。 三极管制作时，通常它们的基区做得很薄（几微米到几十微米），且掺杂浓度低；发射区的杂质浓度则比较高；集电区的面积则比发射区做得大，这是三极管实现电流放大的内部条件。531.5.2 电流分配与放大 要实现三极管的电流放大作用，首先要给三极管各电极加上正确的电压。三极管实现放大的外部条件是：其发射结必须加正向电压（正偏），而集电结必须加反向电压（反偏）。1、实验、实验 在电路中，要给三极管的发射结加正向电压，集电结加反向电压，保证三极管能起到放大作用。改变可变电阻Rb的值，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，电流的方向如图中所示。 541.5.2 电流分配与放大 实验电路图551.5.2 电流分配与放大 由实验及测量结果可以得出以下结论：（1）实验数据中的每一列数据均满足关系：IE=IC+IB；（2）IEICIB ，而且有IC与IB的比值近似相等，设为 ，则 为电流放大系数；（3） IB的的微小变化会引起IC较大的变化；561.5.2 电流分配与放大2、三极管实现电流分配的原理 上述实验结论可以用载流子在三极管内部的运动规律来解释。（1）发射区向基区发射自由电子，形成发射极电流IE。（2）自由电子在基区与空穴复合，形成基极电流IB。（3）集电区收集从发射区扩散过来的自由电子，形成集电极电流IC。571.5.2 电流分配与放大 结论：（1）要使三极管具有放大作用，发射结必须正向偏置，而集电结必须反向偏置。（2）一般有1；（3）三极管的电流分配及放大关系式为：IE=IC+IB IC=IB 581.5.3 三极管的特性曲线及主要参数1.三极管的特性曲线 三极管的特性曲线是指三极管的各电极电压与电流之间的关系曲线，它反映出三极管的特性。它可以用专用的图示仪进行显示，也可通过实验测量得到。以NPN型硅三极管为例，其常用的特性曲线有以下两种。591.5.3 三极管的特性曲线及主要参数(1) 输入特性曲线：它是指一定集电极和发射极电压UCE下，三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。601.5.3 三极管的特性曲线及主要参数(2) 输出特性曲线：它是指一定基极电流IB下，三极管的集电极电流IC与电压UCE之间的关系曲线。611.5.3 三极管的特性曲线及主要参数 一般把三极管的输出特性分为3个工作区域，下面分别介绍。 截止区 三极管工作在截止状态时，具有以下几个特点：（a）发射结和集电结均反向偏置；（b）UCUEUB，有IB、IC近似为0；（c）三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一个开关断开。621.5.3 三极管的特性曲线及主要参数 放大区：输出特性曲线近似平坦的区域称为放大区。三极管工作在放大状态时，具有以下特点：（a）三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置；对NPN型的三极管，有电位关系：UCUBUE； （b）基极电流IB微小的变化会引起集电极电流IC较大的变化，有电流关系式：IC=IB； 631.5.3 三极管的特性曲线及主要参数 饱和区 三极管工作在饱和状态时具有如下特点：（a）三极管的发射结和集电结均正向偏置，有电位关系UBUCUE（b）三极管的电流放大能力下降，通常有ICIB；（c）UCE的值很小，称此时的电压UCE为三极管的饱和压降，用UCES表示。一般硅三极管的UCES约为0.3V，锗三极管的UCES约为0.1V；（d）三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关导通。 三极管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和导通状态；作为放大元件使用时，一般要工作在放大状态。 641.5.3 三极管的特性曲线及主要参数3、主要参数：（1）共发射极电流放大系数(交流放大系数)和(直流放大系数) 它是指从基极输入信号，从集电极输出信号，此种接法（共发射极）下的电流放大系数。（2）极间反向电流 集电极基极间的反向饱和电流ICBO 集电极发射极间的穿透电流ICEO (衡量管子质量的指标)651.5.3 三极管的特性曲线及主要参数（3）极限参数 集电极最大允许电流ICM 集电极最大允许功率损耗PCM 反向击穿电压U(BR)CEO661.5.3 三极管的特性曲线及主要参数（4）温度对三极管参数的影响： 对的影响：随温度的升高而增大。 对反向饱和电流ICBO的影响： ICBO随温度上升会急剧增加。 对发射结UBE的影响：温度升高， UBE将下降。671.6 场效应管 场效应管是比较新型的半导体器件，利用电场效应来控制晶体管的电流，因而得名。 场效应管具有很高的输入电阻，几乎不取信号源的输出电流，因而功耗小，体积小，易于集成化。 场效应管被广泛应用于模拟集成电路和数字集成电路中。681.6 场效应管 场效应管按其结构可分为结(J)型和绝缘栅(MOS)型场效应管； 从工作性能可分为耗尽型和增强型两类； 根据所用基片(衬底)材料不同，又可分P沟道和N沟道两种导电沟道； 因此，有结型P沟道和N沟道，绝缘栅耗尽型P沟道和N沟道，及增强型P沟道和N沟道六种类型场效应管。691.6.1 结型场效应管 结型场效应管分为N沟道结型管和P沟道结型管，它们都具有3个电极：栅极、源极和漏极，分别与三极管的基极、发射极和集电极相对应。701.6.1 结型场效应管1、结型场效应管的结构与符号(以N沟道为例)漏极源极栅极场效应管电路符号上的箭头总是P指向N的。711.6.1 结型场效应管2、N沟道结型场效应管的工作原理（1）当栅源电压UGS=0时，两个PN结的耗尽层比较窄，中间的N型导电沟道比较宽，沟道电阻小。721.6.1 结型场效应管（2）当UGS0时，两个PN结反向偏置，PN结的耗尽层变宽，中间的N型导电沟道相应变窄，沟道导通电阻增大。731.6.1 结型场效应管UGSUP时的导电沟道 741.6.1 结型场效应管（3）当UP0时，可产生漏极电流ID。ID的大小将随栅源电压UGS的变化而变化，从而实现电压对漏极电流的控制作用。 UDS的存在，使得漏极附近的电位高，而源极附近的电位低，即沿N型导电沟道从漏极到源极形成一定的电位梯度，这样靠近漏极附近的PN结所加的反向偏置电压大，耗尽层宽；靠近源极附近的PN结反偏电压小，耗尽层窄，导电沟道成为一个楔形。751.6.1 结型场效应管761.6.1 结型场效应管 为实现场效应管栅源电压对漏极电流的控制作用，结型场效应管在工作时，栅极和源极之间的PN结必须反向偏置。771.6.1 结型场效应管3.结型场效应管的特性曲线及主要参数（1）输出特性曲线 输出特性曲线是指栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS之间的关系曲线781.6.1 结型场效应管 可变电阻区：在UDS较小靠近特性曲线纵轴处， ID几乎随着UDS线性增加。随着UGS的改变，ID随UDS线性增加的比值也相应改变，因此，此区可把场效应管的漏、源极之间看作受UGS控制的可变电阻。 恒流区(饱和区)：此区的特点是ID只受UGS的控制而几乎与UDS无关，具有恒流特点。因为ID不随UDS增大而增大，达到饱和状态，故又称饱和区。 击穿区：当UDS增大到某一值时，栅、漏间PN结会发生反向击穿， ID急剧增加，如不加限制会造成管子损坏。 截止区：当UGS UP靠近特性曲线横轴处为夹断区，此时管子处于截止状态。 791.6.1 结型场效应管（2）转移特性曲线 在场效应管的UDS一定时，ID与UGS之间的关系曲线称为场效应管的转移特性曲线，它反映了场效应管栅源电压对漏极电流的控制作用。801.6.1 结型场效应管 当UGS=0时，导电沟道电阻最小，ID最大，称此电流为场效应管的饱和漏极电流IDSS。 当UGS=UP时，导电沟道被完全夹断，沟道电阻最大，此时ID=0，称UP为夹断电压。811.6.2 绝缘栅型场效应管 绝缘栅场效应管是由金属（Metal）、氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）材料构成的，因此又叫MOS管。 绝缘栅场效应管分为增强型和耗尽型两种，每一种又包括N沟道和P沟道两种类型。821.6.2 绝缘栅型场效应管1、结构与符号 以N沟道增强型MOS管为例，它是以P型半导体作为衬底，用半导体工艺技术制作两个高浓度的N型区，两个N型区分别引出一个金属电极，作为MOS管的源极S和漏极D；在P形衬底的表面生长一层很薄的SiO2绝缘层，绝缘层上引出一个金属电极称为MOS管的栅极G。B为从衬底引出的金属电极，一般工作时衬底与源极相连。831.6.2 绝缘栅型场效应管 N沟道增强型MOS管的结构与符号841.6.2 绝缘栅型场效应管2、N沟道增强型MOS管的工作原理 在栅极G和源极S之间加电压UGS，漏极D和源极S之间加电压UDS，衬底B与源极S相连。851.6.2 绝缘栅型场效应管3、特性曲线 输出特性（漏极特性）曲线861.6.2 绝缘栅型场效应管 转移特性曲线871.6.2 绝缘栅型场效应管 耗尽型绝缘栅场效应管（1）结构、符号与工作原理881.6.2 绝缘栅型场效应管（2）特性曲线891.6.2 绝缘栅型场效应管 与晶体管的比较(1) 场效应管是电压控制器件，基本不取信号电流，在只允许向信号源索取极小电流的情况下，应采用场效应管；而三极管是电流控制器件，取用一定的信号电流。(2) 场效应管为单极型器件，只有多子参与导电；三极管既有多子参与导电也有少子参与导电，因此为双极型器件。场效应管具有较好的温度稳定性，且输入电阻高，抗辐射、抗干扰能力强。(3) 由于场效应管结构对称，源极和漏极可互换，且耗尽型的MOS管的控制电压UGS可正、可负，具有一定灵活性。(4) 场效应管还具有工艺简单、易集成和占用芯片面积小的优点，尤其适用于大规模的集成电路。90作业书后习题：1.1、1.2、1.3、1.4、1.6、1.7、1.8、1.9
