常用半导体器件教案

第一章 常用半导体器件

1.1 半导体基础知识

1.1.1 本征半导体

一、半导体

1． 概念：导电能力介于导体和绝缘体之间。

2． 本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。

二、本征半导体的晶体结构（图1.1.1）

1． 晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵。

2． 共价键

三、本征半导体中的两种载流子（图1.1.2）

1． 本征激发：在热激发下产生自由电子和空穴对的现象。

2． 空穴：讲解其导电方式；

3． 自由电子

4． 复合：自由电子与空穴相遇，相互消失。

5． 载流子：运载电荷的粒子。

四、本征半导体中载流子的浓度

1． 动态平衡：载流子浓度在一定温度下，保持一定。

2． 载流子浓度公式：

)2/(2/31kT E i i GO e T K p n -==

自由电子、空穴浓度（cm

－3），T 为热力学温度，k 为波耳兹曼常数（K eV /1063.85-?），E GO 为热力学零度时破坏共价键所需的能量（eV ），又称禁带宽度，K 1是与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量。

1.1.2 杂质半导体

一、概念：通过扩散工艺，掺入了少量合适的杂质元素的半导体。

二、N 型半导体（图1.1.3）

1． 形成：掺入少量的磷。

2． 多数载流子：自由电子

3． 少数载流子：空穴

4． 施主原子：提供电子的杂质原子。

三、P 型半导体（图1.1.4）

1． 形成：掺入少量的硼。

2． 多数载流子：空穴

3． 少数载流子：自由电子

4． 受主原子：杂质原子中的空穴吸收电子。

5． 浓度：多子浓度近似等于所掺杂原子的浓度，而少子的浓度低，由本征激发形成，

对温度敏感，影响半导体的性能。

1.1.3 PN 结

一、PN 结的形成（图1.1.5）

1． 扩散运动：多子从浓度高的地方向浓度低的地方运动。

2． 空间电荷区、耗尽层（忽视其中载流子的存在）

3． 漂移运动：少子在电场力的作用下的运动。在一定条件下，其与扩散运动动态平衡。

4． 对称结、不对称结：外部特性相同。

二、PN 结的单向导电性

1． PN 结外加正向电压：导通状态（图1.1.6）正向接法、正向偏置，电阻R 的作用。

（解释为什么Uho 与PN 结导通时所表现的外部电压相反：PN 结的外部电压为U 即平时的0.7V ，而内电场的电压并不对PN 结的外部电压产生影响。）

2． PN 结外加反向电压：截止状态（图1.1.7）反向电压、反向偏置、反向接法。形成

漂移电流。

三、PN 结的电流方程

1． 方程（表明PN 结所加端电压u 与流过它的电流i 的关系）：

)1(-=T U u

S e I i q

kT U T = q 为电子的电量。 2． 平衡状态下载流子浓度与内电场场强的关系：

3． PN 结电流方程分析中的条件：

4． 外加电压时PN 结电流与电压的关系：

四、PN 结的伏安特性（图1.1.10）

1． 正向特性、反向特性

2． 反向击穿：齐纳击穿（高掺杂、耗尽层薄、形成很强电场、直接破坏共价键）、雪

崩击穿（低掺杂、耗尽层较宽、少子加速漂移、碰撞）。

五、PN 结的电容效应

1． 势垒电容：（图1.1.11）耗尽层宽窄变化所等效的电容，C b （电荷量随外加电压而增

多或减少，这种现象与电容器的充放电过程相同）。与结面积、耗尽层宽度、半导体介电常数及外加电压有关。

2． 扩散电容：（图1.1.12）

（1） 平衡少子：PN 结处于平衡状态时的少子。

（2） 非平衡少子：PN 结处于正向偏置时，从P 区扩散到N 区的空穴和从N 区

扩散到P 区的自由电子。

（3） 浓度梯度形成扩散电流，外加正向电压增大，浓度梯度增大，正向电流增

大。

（4） 扩散电容：扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容器充放电过程相同。i

越大、τ越大、U T 越小，Cd 就越大。

（5） 结电容d b j C C C += pF 级，对于低频忽略不计。

1.2 半导体二极管

（几种外形）（图1.2.1）

1.2.1 半导体二极管的几种常见结构（图1.2.2）

一、点接触型：电流小、结电容小、工作频率高。

二、面接触型：合金工艺，结电容大、电流大、工作频率低，整流管。

三、平面型：扩散工艺，结面积可大可小。

四、符号

1.2.2 二极管的伏安特性

一、二极管的伏安特性

1．二极管和PN结伏安特性的区别：存在体电阻及引线电阻，相同端电压下，电流小；

存在表面漏电流，反向电流大。

2．伏安特性：开启电压（使二极管开始导通的临界电压）（图1.2.3）

二、温度对二极管方案特性的影响

1．温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。

2．室温时，每升高1度，正向压降减小2～2.5mV；每升高10度，反向电流增大一倍。

1.2.3 二极管的主要参数

一、最大整流电流I F：长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。

二、最高反向工作电压U R：工作时，所允许外加的最大反向电压，通常为击穿电压的一半。

三、反向电流I R：未击穿时的反向电流。越小，单向导电性越好；此值对温度敏感。

四、最高工作频率f M：上限频率，超过此值，结电容不能忽略。

1.2.4 二极管的等效电路

一、二极管的等效电路：在一定条件下，能够模拟二极管特性的由线性元件所构成的电路。

一种建立在器件物理原理的基础上（复杂、适用范围宽），另一种根据器件外特性而构造（简单、用于近似分析）。

二、由伏安特性折线化得到的等效电路：（图1.2.4）

1．理想二极管：注意符号

2．正向导通时端电压为常量

3．正向导通时端电压与电流成线性关系

4．例1（图1.2.5）三种不同等效分析：（1）V远远大于U D，（2）U D变化范围很小，

(3)接近实际情况。

5．例2（图1.2.6）

三、二极管的微变等效电路（图1.2.7）（图1.2.8）（图1.2.9）

动态电阻的公式推倒：

1.2.5 稳压二极管

一、概念：一种由硅材料制成的面接触型晶体二极管，其可以工作在反向击穿状态，在一定

电流范围内，端电压几乎不变。

二、稳压管的伏安特性：（图1.2.10）

三、稳压管的主要参数

1．稳定电压U Z：反向击穿电压，具有分散性。

2．稳定电流I Z：稳压工作的最小电流。

3．额定功耗P ZM：稳定电压与最大稳定电流的乘积。

4．动态电阻r Z：稳压区的动态等效电阻。

5．温度系数α：温度每变化1度，稳压值的变化量。小于4V为齐纳击穿，负温度系数；大于7V为雪崩击穿，正温度系数。

四、例（图1.2.11）

1.2.6 其他类型二极管

一、发光二极管（图1.2.12）可见光、不可见光、激光；红、绿、黄、橙等；开启电压大。

二、光电二极管（图1.2.13）远红外接受管，伏安特性（图1.2.14）光电流（光电二极管在

反压下，受到光照而产生的电流）与光照度成线性关系。

三、例（图1.2.15）

1.3 双极型晶体管

双极型晶体管（BJT: Bipolar Junction Transistor ） 几种晶体管的常见外形（图1.3.1）

1.3.1 晶体管的结构及类型（图1.3.2）

一、构成方式：同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN 结。

二、结构：

1． 三个区域：基区（薄且掺杂浓度很低）、发射区（掺杂浓度很高）、集电区（结面积大）；

2． 三个电极：基极、发射极、集电极；

3． 两个PN 结：集电结、发射结。

三、分类及符号：PNP 、NPN

1.3.2 晶体管的电流放大作用

一、放大：把微弱信号进行能量的放大，晶体管是放大电路的核心元件，控制能量的转换，将输入的微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。

二、基本共射放大电路（图1.3.3）

1． 输入回路：输入信号所接入的基极－发射极回路；

2． 输出回路：放大后的输出信号所在的集电极－发射极回路；

3． 共射放大电路：发射极是两个回路的公共端；

4． 放大条件：发射结正偏且集电结反偏；

5． 放大作用：小的基极电流控制大的集电极电流。

三、晶体管内部载流子的运动（图1.3.4）分析条件0=?I u

1． 发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流I E ，空穴电流I EP 由于基区掺杂浓度很低，可以忽略不计；EP EN E I I I +=

2． 扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成电流I BN ；

3． 集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流I C ，其中非平衡少子的漂移形成I CN ，平衡少子形成I CBO 。

4． 晶体管的电流分配关系：CBO CN C I I I +=， C B O B C B O EP BN B I I I I I I -'=-+=，

C B E I I I +=

四、晶体管的共射电流放大系数

1． 共射直流电流放大系数：CBO

B CBO

C B CN I I I I I I +-='=β 2． 穿透电流I CEO ：CEO B CBO B C I I I I I +=++=βββ)1( 基极开路时，集电极与发

射极之间的电流；

3． 集电结反向饱和电流I CBO ：发射极开路时的I B 电流；

4． 近似公式：B C I I β≈，B E I I )1(β+≈

5． 共射交流电流放大系数：当有输入动态信号时，B

c i i ??=β 6． 交直流放大系数之间的近似：若在动态信号作用时，交流放大系数基本不变，则有

CEO B B B CEO B C C C I i I i I I i I i +?+=?++=?+=)(βββ因为直流放大系数在线性区几乎不变，可以把动态部分看成是直流大小的变化，忽略穿透电流，有：ββ≈，放大系数一般取几十至一百多倍的管子，太小放大能力不强，太大性能不稳定；

7． 共基直流电流放大系数：E CN I I =α， ααβ-=1， β

βα+=1 8． 共基交流电流放大系数：E C i i ??=

α，αα≈

1.3.3 晶体管的共射特性曲线

一、输入特性曲线（图1.3.5）常数==CE u

BE B u f i )(，解释曲线右移原因，与集电区收集电子的能力有关。

二、输出特性曲线（图1.3.6）常数==B I CE C u f i )(（解释放大区曲线几乎平行于横轴的原因）

1． 截止区：发射结电压小于开启电压，集电结反偏，穿透电流硅1uA ，锗几十uA ；

2． 放大区：发射结正偏，集电结反偏，i B 和i C 成比例；

3． 饱和区：双结正偏，i B 和i C 不成比例，临界饱和或临界放大状态（0=CB u ）。

1.3.4 晶体管的主要参数

一、直流参数

1． 共射直流电流系数β

2． 共基直流电流放大系数α

3． 极间反向电流CBO I

二、交流参数

1． 共射交流电流放大系数β

2． 共基交流电流放大系数α

3． 特征频率T f ：使β下降到1的信号频率。

三、极限参数（图1.3.7）

1． 最大集电极耗散功率CM P ；

2． 最大集电极电流CM I ：使β明显减小的集电极电流值；

3． 极间反向击穿电压：晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反

向电压，U CBO 几十伏到上千伏、 U CEO 、 U EBO 几伏以下。

CEO CER CES CEX CBO U U U U U >>>>

1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响

一、温度对CBO I 影响：每升高10度，电流增加一倍，硅管的CBO I 要小一些。

二、温度对输入特性的影响：（图1.3.8）与二极管伏安特性相似。温度升高时，正向特性曲

线向左移，反向特性曲线向下移，室温时，每升高1度，发射结正向压降减小2～2.5mV 。

三、温度对输出特性的影响：（图1.3.9）温度升高β变大。

四、两个例题

1.3.6 光电三极管

一、构造：（图1.3.10）

二、光电三极管的输出特性曲线与普通三极管类似（图1.3.11）

三、暗电流：I CEO 无光照时的集电极电流，比光电二极管的大，且每上升25度，电流上升

10倍；

四、光电流：有光照时的集电极电流。

1.4 场效应管

1.4.1 结型场效应管

1.4.2 绝缘栅型场效应管

一、N 沟道增强型MOS 管（图1.4.7）

1． 结构：衬底低掺杂P ，扩散高掺杂N 区，金属铝作为栅极；

2． 工作原理：

(1) 栅源不加电压，不会有电流；

(2) （图1.4.8）0=DS u 且0>GS u 时，栅极电流为零，形成耗尽层；加大电压，

形成反型层（导电沟道）；开启电压)(th GS U ；

(3) （图1.4.9）>GS u )(th GS U 为一定值时，加大DS u ，D i 线性增大；但DS u 的压

降均匀地降落在沟道上，使得沟道沿源－漏方向逐渐变窄；当GD u ＝)(th GS U 时，

为预夹断；之后，DS u 增大的部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，

D i 出现恒流。

此时，对应不同的GS u 就有不同的D i ，从而可以将D i 看为电压GS u 控制的电流源。

3． 特性曲线与电流方程：

(1) 特性曲线：（图1.4.10）转移特性、输出特性；

(2) 电流方程：2

)(1???

? ??-=th GS GS DO D U u I i 二、N 沟道耗尽型MOS 管（图1.4.10）

1． 结构：绝缘层加入大量的正离子，直接形成反型层；

2． 符号

三、P 沟道MOS 管：漏源之间加负压

四、VMOS 管

1.4.3 场效应管的主要参数

一、直流参数

1． 开启电压U GS(th)：是U DS 一定时，使i D 大于零所需的最小GS U 值；

2． 夹断电压U GS(off)：是U DS 一定时，使i D 为规定的微小电流时的u GS ；

3． 饱和漏极电流I DSS ：对于耗尽型管，在U GS ＝0情况下，产生预夹断时的漏极电流；

4． 直流输入电阻R GS(DC)：栅源电压与栅极电流之比，MOS 管大于Ω910。

二、交流参数

1． 低频跨导：常数

=??=DS U GS D

m u i g 2． 极间电容：栅源电容C gs 、栅漏电容C gd 、1～3pF ，漏源电容C d s0.1～1pF

三、极限参数

1． 最大漏极电流I DM ：管子正常工作时，漏极电流的上限值；

2．击穿电压：漏源击穿电压U(BR)DS，栅源击穿电压U(BR)GS。

3．最大耗散功率P DM：

4．安全注意：栅源电容很小，容易产生高压，避免栅极空悬、保证栅源之间的直流通路。

四、例

1.4.4 场效应管与晶体管的比较

一、场效应管为电压控制、输入电阻高、基本不需要输入电流，晶体管电流控制、需要

信号源提供一定的电流；

二、场效应管只有多子参与导电、稳定性好，晶体管因为有少子参与导电，受温度、辐

射等因素影响大；

三、场效应管噪声系数很小；

四、场效应管漏极、源极可以互换，而晶体管很少这样；

五、场效应管比晶体管种类多，灵活性高；

六、场效应管应用更多。

1.5 单结晶体管和晶闸管1.6 集成电路中的元件