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第一章第一章半导体器件的特性半导体器件的特性 半导体材料、由半导体构成的半导体材料、由半导体构成的PNPN结、二极管结构特性、三极管结构特性及结、二极管结构特性、三极管结构特性及场效应管结构特性。场效应管结构特性。本章主要内容：本章主要内容：返返回回前前进进1.1半导体（半导体（Semiconductor）导电特性）导电特性 依据导电性质把物质分为导体、绝依据导电性质把物质分为导体、绝缘体、半导体三大类。缘体、半导体三大类。而半导体又分为而半导体又分为本征半导体、杂质本征半导体、杂质（掺杂）半导体（掺杂）半导体两种。两种。1.1.1本征半导体本征半导体 纯净的、不含杂质的半导体。常用的半导体材纯净的、不含杂质的半导体。常用的半导体材料有两种：硅（料有两种：硅（SiSi）、锗（）、锗（GeGe）。）。硅硅Si Si（锗（锗GeGe）的原子结构如下：）的原子结构如下：这种结构的原子利用共价键构成了这种结构的原子利用共价键构成了本征半导体本征半导体结构。结构。但在外界激励下，产生但在外界激励下，产生电子电子空穴对（本空穴对（本征激发）征激发），呈现导体的性质。呈现导体的性质。这种稳定的结构使得本征半导体常温下这种稳定的结构使得本征半导体常温下不能导电，呈现绝缘体性质。不能导电，呈现绝缘体性质。但在外界激励下，产生但在外界激励下，产生电子电子空穴对（本空穴对（本征激发）征激发），呈现导体的性质。呈现导体的性质。这种稳定的结构使得本征半导体常温下这种稳定的结构使得本征半导体常温下不能导电，呈现绝缘体性质。不能导电，呈现绝缘体性质。在外界激励下，产生在外界激励下，产生电子电子空穴对（本征激发）空穴对（本征激发）。空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。在外界激励下，产生在外界激励下，产生电子电子空穴对（本征激发）空穴对（本征激发）。空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。在外界激励下，产生在外界激励下，产生电子电子空穴对（本征激发）空穴对（本征激发）。空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。半导体内部存在两种半导体内部存在两种载流子载流子（可导（可导电的自由电荷）：电子（负电荷）、空电的自由电荷）：电子（负电荷）、空穴（正电荷）。穴（正电荷）。在本征半导体中，在本征半导体中，本征激发本征激发产生了产生了电子电子空穴对空穴对，同时存在电子，同时存在电子空穴对空穴对的的复合复合。电子浓度电子浓度=空穴浓度空穴浓度ni=pi1.1.2杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入少量的其他特定元在本征半导体中掺入少量的其他特定元素（称为杂质）而形成的半导体。素（称为杂质）而形成的半导体。依据掺入杂质的不同，杂质半导体又分为依据掺入杂质的不同，杂质半导体又分为N N型半导体和型半导体和P P型半导体。型半导体。常用的杂质材料有常用的杂质材料有5 5价元素磷价元素磷P P和和3 3价元素硼价元素硼B B。N N型半导体内部存在大量的电子和少量的空穴，电型半导体内部存在大量的电子和少量的空穴，电子属于多数载流子（简称多子），空穴属于少数载流子属于多数载流子（简称多子），空穴属于少数载流子（简称少子）。子（简称少子）。n n p p N N型半导体主要靠电子导电。型半导体主要靠电子导电。一一.N N型半导体（型半导体（电子型半导体）电子型半导体）掺如非金属杂质磷掺如非金属杂质磷P的半导体。的半导体。每掺入一个磷每掺入一个磷原子就相当于向半导体内原子就相当于向半导体内部注入一个自由电子。部注入一个自由电子。P P型半导体内部存在大量的空穴和少量的电子，空型半导体内部存在大量的空穴和少量的电子，空穴属于多数载流子（简称多子），电子属于少数载流穴属于多数载流子（简称多子），电子属于少数载流子（简称少子）。子（简称少子）。p np n P P型半导体主要靠空穴导电。型半导体主要靠空穴导电。二二.P P型半导体（空穴型型半导体（空穴型半导体）半导体）掺如非金属杂质硼掺如非金属杂质硼B的半导体。的半导体。每掺入一个硼每掺入一个硼原子就相当于向半导体内原子就相当于向半导体内部注入一个空穴。部注入一个空穴。杂质半导体导电性能主要由多数载流子确定，杂质半导体导电性能主要由多数载流子确定，总体是电中性的，通常只画出其中的杂质离子和等总体是电中性的，通常只画出其中的杂质离子和等量的多数载流子。量的多数载流子。杂质半导体的简化表示法杂质半导体的简化表示法 1.2PN结（结（PNJunction）将一块将一块P型半导体和一块型半导体和一块N型半导体有机结合在型半导体有机结合在一起，其结合部就叫一起，其结合部就叫PN结（该区域具有特殊性质）。结（该区域具有特殊性质）。一一.PN结的形成结的形成 多子扩散（在多子扩散（在PNPN结合结合部形成内电场部形成内电场E EI I）。）。内电场阻碍多子扩内电场阻碍多子扩散、利于少子漂移。散、利于少子漂移。当扩散与漂移相对当扩散与漂移相对平衡，形成平衡，形成PNPN结。结。PN结别名：耗尽层、结别名：耗尽层、势垒区、电位壁垒、势垒区、电位壁垒、阻挡层、内电场、空阻挡层、内电场、空间电荷区等。间电荷区等。二二.PN结性质结性质单向导电性单向导电性1.正向导通正向导通PNPN结结外外加加正正向向电电压压（正正向向偏偏置置）PP接接 +、N N接接 -，形形成成较较大正向电流（正向电阻较小）。如大正向电流（正向电阻较小）。如3mA3mA。2.反向截止反向截止PNPN结结外外加加反反向向电电压压（反反向向偏偏置置）PP接接 -、N N接接 +，形形成成较较小反向电流（反向电阻较大）。如小反向电流（反向电阻较大）。如1010A A。二二.PN结性质结性质单向导电性单向导电性正偏电压正偏电压U=0.7V（Si管）管）0.2V（Ge管管 当当电电压压超超过过某某个个值值（约约零零点点几几伏伏），全全部部少少子子参参与与导导电电，形形成成“反向饱和电流反向饱和电流IS”IS”。反偏电压最高可达几千伏。反偏电压最高可达几千伏。1.3半导体二极管（半导体二极管（Diode）二极管的主要结构是二极管的主要结构是PNPN结。结。1.3二极管二极管用外壳将用外壳将PNPN结封闭，引出结封闭，引出2 2根极线，就构成了二极管根极线，就构成了二极管 。一二极管伏安特性一二极管伏安特性正正向向电电流流较较大大（正正向向电电阻阻较较小小），反反向向电电流流较较小小（反反向向电阻较大）。电阻较大）。门门限限电电压压（死死区区电电压压）V(Si管管约约为为0.5V、Ge管管约约为为0.1V)，反反向向击击穿穿电电压压VBR（可可高达几千伏）高达几千伏）二极管电压电流方程：二极管电压电流方程：二二极管主要参数二二极管主要参数1.最大整流电流最大整流电流IF2.最高反向工作电压最高反向工作电压UR3.反向电流反向电流IR4.最高工作频率最高工作频率fM 由由三三块块半半导导体体构构成成，分分为为NPNNPN型型和和PNPPNP型型两两种种。三三极极管管含含有有3 3极极、2 2结结、3 3区区。其其中中放放射射区区高高掺掺杂杂，基基区区较较薄薄且且低低掺掺杂杂，集集电电区区一一般般掺杂。掺杂。1.4三极管（三极管（Transistor）1.4.1三极管结构及符号三极管结构及符号1.4三极管（三极管（Transistor）1.4.2三极管的三种接法（三种组态）三极管的三种接法（三种组态）三极管在放大电路中有三种接法：共放射极、三极管在放大电路中有三种接法：共放射极、共基极、共集电极。共基极、共集电极。1.4.3三极管内部载流子传输三极管内部载流子传输 下面以共放射极下面以共放射极NPNNPN管为例分析三极管内部载管为例分析三极管内部载流子的运动规律，从而得到三极管的放大作用。流子的运动规律，从而得到三极管的放大作用。为保证三极管具有放大作用（直流能量转换为为保证三极管具有放大作用（直流能量转换为沟通能量），三极管电路中必须要有直流电源，并沟通能量），三极管电路中必须要有直流电源，并且直流电源的接法必需保证三极管的放射结正偏、且直流电源的接法必需保证三极管的放射结正偏、集电结反偏集电结反偏 。1.4.3三极管内部载流子传输三极管内部载流子传输一一.放射区向基区放射区向基区 放射载流子放射载流子(电子电子)IENIBN 1.4.3三极管内部载流子传输三极管内部载流子传输一一.放射区向基区放射区向基区 放射载流子放射载流子(电子电子)二二.电子在基区的电子在基区的 疏运输运和复合疏运输运和复合 IBIEICBOICICNIBN 1.4.3三极管内部载流子传输三极管内部载流子传输一一.放射区向基区放射区向基区 放射载流子放射载流子(电子电子)二二.电子在基区的电子在基区的 疏运输运和复合疏运输运和复合 三三.集电区收集电子集电区收集电子 1.4.4三极管各极电流关系三极管各极电流关系一一.各极电流关系各极电流关系IE=IEN+IBNIENIB=IBNICBOIC=ICN+ICBOIE=IC+IB二二.电流限制作用电流限制作用=ICN/IBNIC/IBIC=IB+(1+)ICBO=IB+ICEOIC=ICN/IENIC/IEIC=IE+ICBOIE 1.3.5共射共射NPN三极管伏安特性曲线三极管伏安特性曲线一一.输入特性曲线输入特性曲线IB=f(UBE，UCE)实际测试时如下进行：实际测试时如下进行：IB=f(UBE)|UCEU UCE CE 5V5V的特性曲线基本重合为一条，手册可给出该条曲线。的特性曲线基本重合为一条，手册可给出该条曲线。1.4.5共射共射NPN三极管伏安特性曲线三极管伏安特性曲线二二.输出特性曲线输出特性曲线IC=f(IB，UCE)实际测试时如此进行：实际测试时如此进行：IC=f(UCE)|IB 1.4.5共射共射NPN三极管伏安特性曲线三极管伏安特性曲线二二.输出特性曲线输出特性曲线IC=f(IB，UCE)实际测试时如下进行：实际测试时如下进行：IC=f(UCE)|IB 放射结正偏、集电结反放射结正偏、集电结反偏时，三极管工作在放大偏时，三极管工作在放大区区(处于放大状态处于放大状态)，有放，有放大作用：大作用：IC=IB+IC=IB+ICEO ICEO 两结均反偏时，三极管两结均反偏时，三极管工作在截至区工作在截至区(处于截止处于截止状态状态)，无放大作用。，无放大作用。I IE E=I=IC C=I=ICEOCEO00 放射结正偏、集电结正放射结正偏、集电结正偏时，三极管工作在饱和偏时，三极管工作在饱和区区(处于饱和状态处于饱和状态)，无，无放大作用。放大作用。IE=ICIE=IC（较大）（较大）1.4.6 1.4.6 三极管主要参数三极管主要参数 一一.电流放大系数电流放大系数 1.1.共放射极电流放大系数共放射极电流放大系数直流直流IC/IB IC/IB 沟通沟通IC/IB IC/IB 均用均用表表示。示。2.2.共基极电流放大系数共基极电流放大系数直流直流IC/IE IC/IE 沟通沟通IC/IE IC/IE 均用均用表示。表示。二二.反向饱和电流反向饱和电流 1.1.集电极集电极基极间反向饱和电流基极间反向饱和电流I ICBOCBO 2.2.集电极集电极放射极间穿透电流放射极间穿透电流ICEO ICEO I ICEO CEO=(1+)(1+)I ICBOCBO =/(1=/(1)=/(1+)=/(1+)1.4.6 1.4.6 三极管主要参数三极管主要参数 一一.电流放大系数电流放大系数 IIC C/I/IB B I IC C/I/IE E =/(1=/(1)=/(1+)=/(1+)二二.反向饱和电流反向饱和电流 I ICBO CBO I ICEOCEO I ICEO CEO=(1+)(1+)I ICBOCBO三三.极限参数极限参数 1.1.集电极最大允许电流集电极最大允许电流I ICM CM 2.2.集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗P PCMCM 3.3.反向击穿电压反向击穿电压U U(BR)CEO(BR)CEO 、U U(BR)CBO(BR)CBO 三极管的平安工作区三极管的平安工作区 1.5场效应管（场效应管（FieldEffectTransistor）场效应管是单极性管子，其输入场效应管是单极性管子，其输入PNPN结处于反偏或结处于反偏或绝缘状态，具有很高的输入电阻（这一点与三极管相绝缘状态，具有很高的输入电阻（这一点与三极管相反），同时，还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射性反），同时，还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射性强、便于集成等优点。强、便于集成等优点。场效应管是电压限制器件，既利用栅源电压限制场效应管是电压限制器件，既利用栅源电压限制漏极电流（漏极电流（iD=gmuGSiD=gmuGS）这一点与三级管（电流这一点与三级管（电流限制器件限制器件,基极电流限制集电极电流基极电流限制集电极电流,iC=iB,iC=iB）不）不同，而栅极电流同，而栅极电流iDiD为为0 0（因为输入电阻很大）。（因为输入电阻很大）。场效应管分为两大类场效应管分为两大类:结型场效应管结型场效应管（JFETJFETJunction Field Effect TransistorJunction Field Effect Transistor）、绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管（IGFETInsulated Gate Field Effect TransistorIGFETInsulated Gate Field Effect Transistor）。1.5.1结型场效应管结型场效应管一一.结构及符号结构及符号 N N沟道管靠（单一载流子）电子导电，沟道管靠（单一载流子）电子导电，P P沟道管靠沟道管靠（单一载流子）空穴导电。场效应管的栅极（单一载流子）空穴导电。场效应管的栅极G G、源极、源极S S和漏极和漏极D D与三级管的基极与三级管的基极b b、放射极、放射极e e和集电极和集电极c c相对应。相对应。1.5.1结型场效应管结型场效应管二二.工作原理（栅源电压工作原理（栅源电压UGSUGS对漏极电流对漏极电流IDID的限制作的限制作用）用）以以N N沟道管为例。漏源之间的沟道管为例。漏源之间的PNPN结必需反偏。结必需反偏。N N沟道结型场效应管加上反沟道结型场效应管加上反偏的栅源电压偏的栅源电压UGS(UGSUGS(UGS0)0)，在漏源之间加上漏源，在漏源之间加上漏源电压电压UDS(UDSUDS(UDS0)0)，便形成，便形成漏极电流漏极电流IDID。而且。而且UGSUGS可限可限制制IDID。1.5.1结型场效应管结型场效应管二二.工作原理（栅源电压工作原理（栅源电压UGSUGS对漏极电流对漏极电流IDID的限制作的限制作用）用）1.1.当当V VGSGS=0=0时，沟道最宽，沟道电阻最小，加上时，沟道最宽，沟道电阻最小，加上V VDSDS可形成最大的可形成最大的I ID D；2.2.当当VGSVGS0 0时，沟道渐渐变窄，沟道电阻渐渐变大，时，沟道渐渐变窄，沟道电阻渐渐变大，IDID渐渐减小；渐渐减小；3.3.当当V VGSGS=V=VP P(夹断电压夹断电压)时，沟道夹断，沟道电阻为无限大，时，沟道夹断，沟道电阻为无限大，I ID D=0=0。所以，栅源电压所以，栅源电压VGSVGS对漏极电流对漏极电流IDID有限制作用。有限制作用。1.5.1结型场效应管结型场效应管三三.JFET.JFET特性曲线特性曲线 VGS=0VGS=0时时,随着随着VDSVDS的增大的增大,沟道变更状况如下沟道变更状况如下:加上加上V VGSGS，沟道会进一步变窄。，沟道会进一步变窄。1.5.1结型场效应管结型场效应管三三.JFET.JFET特性曲线特性曲线 1.1.转移特性曲线转移特性曲线 I ID D =f(=f(U UGSGS )|)|U UDSDS 1.5.1结型场效应管结型场效应管三三.JFET.JFET特性曲线特性曲线 2.2.漏极特性曲线漏极特性曲线 变更变更VGS,VGS,得到一族得到一族特性曲线。分为可变电特性曲线。分为可变电阻区、恒流区、击穿区阻区、恒流区、击穿区三部分。三部分。JFET JFET管处于管处于恒流状态时，有恒流状态时，有 ID=gmVGS ID=gmVGS I ID D =f(=f(U UDSDS )|)|U UGSGS 1.5.1结型场效应管结型场效应管四四.JFET.JFET管工作过程小结管工作过程小结 N N沟道沟道JFET JFET 栅源电压栅源电压VGSVGS为负值，漏源电压为负值，漏源电压VDSVDS为正值（为正值（P P沟道沟道JFETJFET与之相反）。在栅源电压与之相反）。在栅源电压VGSVGS限限制下，漏极电流制下，漏极电流IDID随栅源电压而发生变更。并且，随栅源电压而发生变更。并且，VGS=0VGS=0时，时，IDID最大；最大；VGS=VP VGS=VP 时，时，ID=0ID=0。二者之间关。二者之间关系为：系为：ID=gmVGS ID=gmVGS （栅源间必需反偏）（栅源间必需反偏）1.5.1结型场效应管结型场效应管三三.JFET.JFET特性曲线特性曲线 3.3.转移转移输出特性关系输出特性关系 由输出特性曲线可得到转移特性曲线由输出特性曲线可得到转移特性曲线 1.5.1结型场效应管结型场效应管四四.JFET.JFET管工作过程小结管工作过程小结 N N沟道沟道JFET JFET 栅源电压栅源电压VGSVGS为负值，漏源电压为负值，漏源电压VDSVDS为正值（为正值（P P沟道沟道JFETJFET与之相反）。在栅源电压与之相反）。在栅源电压VGSVGS限限制下，漏极电流制下，漏极电流IDID随栅源电压而发生变更。并且，随栅源电压而发生变更。并且，VGS=0VGS=0时，时，IDID最大；最大；VGS=VP VGS=VP 时，时，ID=0ID=0。二者之间关。二者之间关系为：系为：ID=gmVGS ID=gmVGS （栅源间必需反偏）（栅源间必需反偏）1.5.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 这种场效应管的栅极处于绝缘状态，输入电阻这种场效应管的栅极处于绝缘状态，输入电阻更高。广泛运用的是金属更高。广泛运用的是金属氧化物氧化物半导体场效应半导体场效应管管MOSFETMOSFET（MetalOxideSemicondoctor type MetalOxideSemicondoctor type Field Effect TransistorField Effect Transistor），简计为），简计为MOSMOS管。分为管。分为增加型增加型MOSMOS管和耗尽型管和耗尽型MOSMOS管两类管两类 ，每类又有，每类又有N N沟道沟道和和P P沟道两种管子。沟道两种管子。1.5.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管一一.结构及符号结构及符号 二二.增加型增加型N N沟道沟道MOSMOS管工作过程管工作过程 1.UGS=0，无导电，无导电沟道，不能导电沟道，不能导电2.UGS渐渐增大，渐渐增大，形成耗尽层形成耗尽层3.UGSUT，形成，形成反型层（反型层（N沟道）沟道）4.加上加上UDS，导，导电沟道不匀整电沟道不匀整5.UGS-UDS=UT，沟道预夹断沟道预夹断6.UDS接着增大接着增大,沟沟道夹断道夹断,使使ID基本不基本不变变三三.增加型增加型N N沟道沟道MOSMOS管特性曲线管特性曲线 转移特性近似表示为转移特性近似表示为I ID D=I=IDODO(U(UGSGS/U/UT T 1)1)2 2（其中（其中I IDODO 为为U UGSGS =2U2UT T 时的时的I ID D 值）值）四四.耗尽型耗尽型N N沟道沟道MOSMOS管工作过程管工作过程 不加栅源电压时，在不加栅源电压时，在MOSMOS管体内已存在导电沟道。而所管体内已存在导电沟道。而所加栅源电压可以限制导电沟道加栅源电压可以限制导电沟道的宽窄，从而限制漏极电流。的宽窄，从而限制漏极电流。且当且当UGSUGS0 0时，导电沟道更宽，时，导电沟道更宽，电流电流UDUD变大；变大；UGSUGS0 0时，导电时，导电沟道保持原有宽度，电流沟道保持原有宽度，电流IDID适适中；当中；当VGSVGS0 0时，导电沟道变时，导电沟道变窄。电流窄。电流IDID变小。当变小。当UGSUGS小到小到夹断电压夹断电压UP UP 时，沟道全部夹时，沟道全部夹断，使得断，使得ID=0ID=0。四四.耗尽型耗尽型N N沟道沟道MOSMOS管特性曲线管特性曲线 各类场效应管偏置电压极性各类场效应管偏置电压极性场效应管类型场效应管类型栅源电压栅源电压UGS漏源电压漏源电压UDSN沟道沟道JFET-+P沟道沟道JFET+-N沟道增强型沟道增强型MOS管管+P沟道增强型沟道增强型MOS管管-N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管+0-+N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管+0-五五.场效应管的主要参数场效应管的主要参数1.1.直流参数直流参数 （1 1）饱和漏极电流）饱和漏极电流I IDSSDSS （2 2）夹断电压）夹断电压U UP P（3 3）开启电压）开启电压U UT T2.2.沟通参数沟通参数 （1 1）低频跨导）低频跨导g gm m 其中其中 g gm m=(=(I ID D/I ID D)|U)|UDS DS（2 2）极间电容）极间电容 C CGSGS C CGD GD C CDS DS 3.3.极限参数极限参数 （1 1）漏源击穿电压漏源击穿电压V V（BRBR）DSDS（2 2）栅源击穿电压栅源击穿电压V V（BRBR）GSGS（3 3）最大漏极电流最大漏极电流I IDMDM（4 4）最大漏极耗散功率最大漏极耗散功率P PDMDM