第一章常用半导体器件 本章重点难点 重点:是从使用的角度出发掌握半导体二极管、晶体管和场效应管的外部特性和主要 参数。因此,讲述管子的内部结构和载流子的运动的目的是为了更好地理解管子的外特 性,应引导学生不要将注意力过多放在管子内部,而以能理解外特性为度。 难点:半导体中载流子的运动以及由载流子的运动而阐述的半导体二极管、晶体管和 场效应管的工作原理是学习的难点 、知识结构 1.半导体 (1)本征半导体电子数等于空穴数 (2)杂质半导体 P型半导体多子:空穴 N型半导体多子:电子 电子空穴载流子的运动形成了电流 电场作用下产生漂移电流 浓度梯度产生扩散电流 2FN结 (1)原理 扩散漂移的平衡→空间电荷势垒区 (2)结构模型 正偏:电流大,电阻小,正向导通 反偏:电流小,电阻大,反向截止 击穿:雪崩击穿和齐纳击穿 电流方程:对数模型 3半导体器件 (1)晶体管 NPN型PNP型
- 1 - 第一章 常用半导体器件 一、本章重点难点 重点：是从使用的角度出发掌握半导体二极管、晶体管和场效应管的外部特性和主要 参数。因此，讲述管子的内部结构和载流子的运动的目的是为了更好地理解管子的外特 性，应引导学生不要将注意力过多放在管子内部，而以能理解外特性为度。 难点：半导体中载流子的运动以及由载流子的运动而阐述的半导体二极管、晶体管和 场效应管的工作原理是学习的难点。 二、知识结构 1.半导体 （1）本征半导体 电子数等于空穴数 （2）杂质半导体 P型半导体 多子：空穴 N型半导体 多子：电子 电子空穴载流子的运动形成了电流 电场作用下产生漂移电流 浓度梯度产生扩散电流 2.PN结 （1）原理 扩散漂移的平衡→空间电荷势垒区 （2）结构模型 正偏：电流大，电阻小，正向导通 反偏：电流小，电阻大，反向截止 击穿：雪崩击穿和齐纳击穿 电流方程：对数模型 3.半导体器件 （1）晶体管 NPN型 PNP型
(2)场效应管 结型场效应管→N沟道和P沟道 绝缘栅型场效应管→(N沟道和P沟道)増强型和(N沟道和P沟道)耗尽型 三、本章知识点总结 1.1半导体基础知识 1.本征半导体 本征半导体是纯净的半导体晶体。常用的半导体材料绪和硅均是四价元素,当它们组 成晶体时,每个原子与周围四个原子组成共价键。 在绝对温度0K(-273℃)时,本征半导体中的电子受原子核的束缚,故该半导体不存在 能导电的粒子,从而呈现绝缘体的性能。温度増加,电子获能,有少数电子获能较多,可以摆 脱原子核的束缚,形成带负电的自由电子和带正电的空穴,它们在电场作用下均作定向运动, 所以把自由电子和空穴统称为载流子,载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动,形成 的电流称为漂移电流。显然,本征半导体中自由电子数均等于空穴数,即 ni= pi 产生自由电子和空穴对的同时,部分电子也失去能量返回共价键处,使自由电子和空穴 对消失,我们称此过程为载流子的复合。在一定的温度下,载流子处于动态平衡状态,即每 时刻产生的载流子数和复合的载流子数相等,载流子数始终等于某个常数。温度增加,载流 子数上升,其导电能力也上升。 需要指出的是,空穴导电是束缚电子接力运动的结果,其导电能力低于自由电子。 2.杂质半导体 在本征半导体中可人为有控制地掺入少量地特定杂质,这种掺杂半导体称为杂质半导 体 在本征半导体中掺入少量的五价元素(又称为施主杂质),形成N型半导体。在室温下杂 质基本电离,形成自由电子和不参与导电的正离子。与此同时,N型半导体中自由电子是多数 载流子,空穴称为少数载流子,即n1>p 同理,在本征半导体中掺入三价元素(又称为受主杂质),形成P型半导体。P型半导体中 多数载流子是空穴,少数载流子是自由电子,即n1<P1
- 2 - （2）场效应管 结型场效应管→N沟道和P沟道 绝缘栅型场效应管→（N沟道和P沟道）增强型和（N沟道和P沟道）耗尽型 三、本章知识点总结 1.1半导体基础知识 1.本征半导体 本征半导体是纯净的半导体晶体。常用的半导体材料绪和硅均是四价元素,当它们组 成晶体时,每个原子与周围四个原子组成共价键。 在绝对温度0K(-273℃)时,本征半导体中的电子受原子核的束缚,故该半导体不存在 能导电的粒子,从而呈现绝缘体的性能。温度增加,电子获能,有少数电子获能较多,可以摆 脱原子核的束缚,形成带负电的自由电子和带正电的空穴,它们在电场作用下均作定向运动, 所以把自由电子和空穴统称为载流子,载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动,形成 的电流称为漂移电流。显然,本征半导体中自由电子数均等于空穴数,即 i i n p 产生自由电子和空穴对的同时,部分电子也失去能量返回共价键处,使自由电子和空穴 对消失,我们称此过程为载流子的复合。在一定的温度下,载流子处于动态平衡状态,即每一 时刻产生的载流子数和复合的载流子数相等,载流子数始终等于某个常数。温度增加,载流 子数上升,其导电能力也上升。 需要指出的是,空穴导电是束缚电子接力运动的结果,其导电能力低于自由电子。 2.杂质半导体 在本征半导体中可人为有控制地掺入少量地特定杂质,这种掺杂半导体称为杂质半导 体。 在本征半导体中掺入少量的五价元素(又称为施主杂质),形成N型半导体。在室温下杂 质基本电离,形成自由电子和不参与导电的正离子。与此同时,N型半导体中自由电子是多数 载流子,空穴称为少数载流子,即 i i n p 。 同理,在本征半导体中掺入三价元素(又称为受主杂质),形成P型半导体。P型半导体中 多数载流子是空穴,少数载流子是自由电子,即 i i n p
3.PN结形成 (1)将一种掺杂半导体(N型或P型)通过局部转型,使之分成N型和P型两个部分,在交界 面两侧,存在载流子浓度差,多子互相扩散,留下了一个几乎没有多子而只有正离子或负离 子的区域,就是PN结 (2)ⅨN结也称为耗尽层、空间电荷区或势垒区。 (3)空间电荷,即正、负离子,使交界面两侧有电位差,称为势垒。它们产生的电场称自 建场。自建场的存在不利于扩散,但有利于少子在电场力的作用下的漂移。 (4)酬N结外加电压为零,且环境条件稳定时,多子扩散与少子漂移达到动态平衡,PN结中 的扩散电流和漂移电流大小相等(方向相反),流过PN结的净电流为零。 4.PN结空间电荷区 P型和N型半导体相接触,其交界面两侧由于载流子的浓度差,将产生扩散运动,形成扩 散电流。由于载流子均是带电粒子,因而扩散的同时,将分别留下正、负带电杂质离子,形成 空间电荷和自建场。在该电场作用下,载流子作漂移运动,其方向与扩散方向相反,阻止扩散, 平衡时扩散运动与漂流运动相等,通过界面的电流为0。这样在交界面处形成了缺少载流子 的空间电荷区,此区呈现高阻,称之为阻挡层(又称为耗尽层) 5.PN结的单向导电性 在ⅣN结两端加正向电压,该电压削弱自建场的作用,故扩散大于漂移,将由多数载流子 的扩散运动产生正向电流,且外加电压增大,正向电流也增大,其关系为指数关系。同时阻挡 层变薄。 加反向电压时,该电压与自建场方向一致,增强了电场作用,故漂移大于扩散,阻挡层 变厚。此时,少数载流子在电场作用下作漂移运动,产生反向电流,由于是少数载流子运动 形成电流,故反向电流很小(硅管在10°数量级,错管在10数量级)且当加反向电压时,其基 本值不变,故将反向电流称为反向饱和电流 由上可看出,加正向电压时,N结处于导通状态,其正向电流随正向电压增大而增大 加反向电压时,PN结处于截止状态,其反自电流是一个很小的值,基本不随外加电压变化, 这就是PN结的单向导电性。 PN结的电流、电压关系为:ID=ls(e-1)
- 3 - 3.PN结形成 (1)将一种掺杂半导体(N型或P型)通过局部转型,使之分成N型和P型两个部分,在交界 面两侧,存在载流子浓度差,多子互相扩散,留下了一个几乎没有多子而只有正离子或负离 子的区域,就是PN结。 (2)PN结也称为耗尽层、空间电荷区或势垒区。 (3)空间电荷,即正、负离子,使交界面两侧有电位差,称为势垒。它们产生的电场称自 建场。自建场的存在不利于扩散,但有利于少子在电场力的作用下的漂移。 (4)PN结外加电压为零,且环境条件稳定时,多子扩散与少子漂移达到动态平衡,PN结中 的扩散电流和漂移电流大小相等(方向相反),流过PN结的净电流为零。 4.PN结空间电荷区 P型和N型半导体相接触,其交界面两侧由于载流子的浓度差,将产生扩散运动,形成扩 散电流。由于载流子均是带电粒子,因而扩散的同时,将分别留下正、负带电杂质离子,形成 空间电荷和自建场。在该电场作用下,载流子作漂移运动,其方向与扩散方向相反,阻止扩散, 平衡时扩散运动与漂流运动相等,通过界面的电流为0。这样在交界面处形成了缺少载流子 的空间电荷区,此区呈现高阻,称之为阻挡层(又称为耗尽层)。 5.PN结的单向导电性 在PN结两端加正向电压,该电压削弱自建场的作用,故扩散大于漂移,将由多数载流子 的扩散运动产生正向电流,且外加电压增大,正向电流也增大,其关系为指数关系。同时阻挡 层变薄。 加反向电压时,该电压与自建场方向一致,增强了电场作用,故漂移大于扩散,阻挡层 变厚。此时,少数载流子在电场作用下作漂移运动,产生反向电流,由于是少数载流子运动 形成电流,故反向电流很小(硅管在10-9 数量级,错管在10-6 数量级)且当加反向电压时,其基 本值不变,故将反向电流称为反向饱和电流。 由上可看出,加正向电压时,PN结处于导通状态,其正向电流随正向电压增大而增大; 加反向电压时,PN结处于截止状态,其反自电流是一个很小的值,基本不随外加电压变化, 这就是PN结的单向导电性。 PN结的电流、电压关系为: ( 1) T D U U D S I I e
6.N结的击穿特性 当反向电压超过某一值后,反向电流急剧增加,这种现象称为反向击穿。击穿分为雪崩 击穿和齐纳击穿。击穿时管子不一定损坏,只要电路加有一定的串联电阻,其电流不要太大, 使U·Ⅰ小于最大功率损耗,管子就不会因过热而烧坏,当反向电压数值降低时,PN结的单向 导电特性可以恢复正常。 7.N结的电容特性 PN结的两端电压变化时,引起PN结内电荷变化,此即为PN结的电容效应 ⅣN结的电容有两种:势垒电容和扩散电容。 ⅣN结电压变化,阻挡层厚度也发生变化,从而引起阻挡层内电荷变化。此种电荷变化产 生的电容效应称为势垒电容Cn ⅣN结正向运用时,多数载流子载扩散过中引起电荷积累,正向电压变化,其积累的电荷 也变化,此种电容效应称为扩散电容CD 1.2半导体二极管 1.半导体二极管的结构及类型 半导体二极管是由一个ⅣN结,再加上电极、引线封装而成的。二极管的分类:按制造工 艺可分为合金型、扩散型等。按结构形式可分为点接触型、面接触型等。点接触型结面积 小,结电容小,适用于高频、小电流的电路,如检波电路;而面接触型结构面积大、结电容 大,适用于低频、大电流的电路,如整流电路。按其功能可分为普通型二极管(如整流二极 管、检波二极管等)和特殊二极管(如稳、压二极管、发光二极管、光电二极管以及变容二 极管等)。 2.半导体二极管的伏安特性 二极管具有单向导电性,它的伏安特性与PN结一样,其电流方程如下: Io=ls(e T-1) 当二极管加上正向电压且大于开启电压Uon,二极管才导通。工程估算认为:硅二极管 开启电压Uon为0.5V,锗二极管的开启电压Uon为0.1V,硅二极管导通电压等于0.7V,锗二极 管导通电压等于0.2V 3.半导体二极管的等效电路(正向模型)
- 4 - 6.PN结的击穿特性 当反向电压超过某一值后,反向电流急剧增加,这种现象称为反向击穿。击穿分为雪崩 击穿和齐纳击穿。击穿时管子不一定损坏,只要电路加有一定的串联电阻,其电流不要太大, 使UD·I小于最大功率损耗,管子就不会因过热而烧坏,当反向电压数值降低时,PN结的单向 导电特性可以恢复正常。 7.PN结的电容特性 PN结的两端电压变化时,引起PN结内电荷变化,此即为PN结的电容效应。 PN结的电容有两种:势垒电容和扩散电容。 PN结电压变化,阻挡层厚度也发生变化,从而引起阻挡层内电荷变化。此种电荷变化产 生的电容效应称为势垒电容CT。 PN结正向运用时,多数载流子载扩散过中引起电荷积累,正向电压变化,其积累的电荷 也变化,此种电容效应称为扩散电容CD。 1.2半导体二极管 1.半导体二极管的结构及类型 半导体二极管是由一个PN结,再加上电极、引线封装而成的。二极管的分类:按制造工 艺可分为合金型、扩散型等。按结构形式可分为点接触型、面接触型等。点接触型结面积 小,结电容小,适用于高频、小电流的电路,如检波电路；而面接触型结构面积大、结电容 大,适用于低频、大电流的电路,如整流电路。按其功能可分为普通型二极管(如整流二极 管、检波二极管等)和特殊二极管(如稳、压二极管、发光二极管、光电二极管以及变容二 极管等)。 2.半导体二极管的伏安特性 二极管具有单向导电性,它的伏安特性与PN结一样,其电流方程如下: ( 1) T D U U D S I I e 当二极管加上正向电压且大于开启电压Uon,二极管才导通。工程估算认为:硅二极管 开启电压Uon为0.5V,锗二极管的开启电压Uon为0.1V,硅二极管导通电压等于0.7V,锗二极 管导通电压等于0.2V。 3.半导体二极管的等效电路（正向模型）
二极管的正向特性可用三种不同模型(等效电路表示),它适用不同的应用情况如下图 所示 (b) (a)理想二极管 b)正向导通时端电压为常量 (c)正向导通时端电压与电流成线性关 图1.2.1由伏安特性抚线化得到的等效电路 4.稳压二极管及其主要参数 稳压二极管是利用ⅣN结的反向击穿特性。当管子击穿时,反向电流在较大范围内变化, 其管子两端电压基本不变,达到稳压的目的。 稳压管的主要参数有:稳定电压Ux稳定电流Iz,电压温度系数au,动态电阻r,额定功率 损耗Pz,最大稳压电流 Izmax。 1.3双极性晶体管 双极型晶体管也称为半导体三极管,简称晶体管或三极管。 1.结构和类型 结构 晶体管有三个电极和两个PN结,分别是发射极(E或e)、基极(B或b)、集电极(C或c)和发 射结(J)、集电结(J)。 类型 a.按结构不同分为NPN型和PNP型 b.按材料不同分为硅(Si管)和锗(Ge)管。还可以按工艺结构、工作频率范围、用途等 进行分类 2.偏置与工作状态 a.发射结正向偏置、集电结反向偏置一一放大状态
- 5 - 二极管的正向特性可用三种不同模型(等效电路表示),它适用不同的应用情况如下图 所示。 (a)理想二极管 (b)正向导通时端电压为常量 (c)正向导通时端电压与电流成线性关 图1.2.1由伏安特性抚线化得到的等效电路 4.稳压二极管及其主要参数 稳压二极管是利用PN结的反向击穿特性。当管子击穿时,反向电流在较大范围内变化, 其管子两端电压基本不变,达到稳压的目的。 稳压管的主要参数有:稳定电压UZ、稳定电流Iz,电压温度系数αU,动态电阻rz,额定功率 损耗Pz,最大稳压电流Izmax。 1.3 双极性晶体管 双极型晶体管也称为半导体三极管,简称晶体管或三极管。 1.结构和类型 结构 晶体管有三个电极和两个PN结,分别是发射极(E或e)、基极(B或b)、集电极(C或c)和发 射结(Je)、集电结(Jc)。 类型 a.按结构不同分为NPN型和PNP型。 b.按材料不同分为硅(Si管)和锗(Ge)管。还可以按工艺结构、工作频率范围、用途等 进行分类。 2.偏置与工作状态 a.发射结正向偏置、集电结反向偏置——放大状态;