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第 3 章 常用半导体器件

第 3 章 常用半导体器件. 重点：. 半导体二极管. 半导体三极管. +4. +4. +4. +4. +4. +4. +4. +4. 大多数半导体器件所用主要材料是硅和锗. 价电子. +4. 晶体中的价电子与共价键. 3.1 半导体二极管. 1. 半导体 (semiconductor). 半导体的定义： 将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为 半导体 。. 在硅 ( 或锗 ) 的晶体中 , 原子在空间排列成规则的晶格。. 共价键 covalent bond. +4. +4. +4. +5. +4. +4. +4.

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第 3 章 常用半导体器件

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  1. 第3章 常用半导体器件 重点： 半导体二极管 半导体三极管

  2. +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 大多数半导体器件所用主要材料是硅和锗 价电子 +4 晶体中的价电子与共价键 3.1 半导体二极管 1. 半导体(semiconductor) 半导体的定义： 将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体。 在硅(或锗)的晶体中, 原子在空间排列成规则的晶格。 共价键covalent bond

  3. +4 +4 +4 +5 +4 +4 +4 +4 +4 2. N型（或电子型）半导体 (N-type semiconductor) 在4价的硅或锗中掺入少量的5价杂质元素， 则原来晶格中的某些硅原子将被杂质原子代替。 杂质原子与周围四个硅原子组成共价键时多余一个电子。 这个电子只受自身原子核吸引，在室温下可成为自由电子。 自由电子

  4. +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +3 3. P型半导体(P-type semiconductor) 在硅或锗晶体中掺入少量的3价杂质元素， 当它与周围的硅原子组成共价键时， 将缺少一个价电子， 产生了一个空位。 空位为电中性。 空位

  5. I - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + - + U V R 5. PN结的单向导电性 空间电荷区变窄 • 加正向电压 耗尽层 P N 正向电流 称为正向接法或正向偏置（简称正偏，forward bias) 内电场 外电场 PN结处于正向导通(on)状态，正向等效电阻较小。

  6. 空间电荷区 反向电流 I - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + - U + 内电场 外电场 结论：PN结具有单向导电性：正向导通，反向截止。 • 加反向电压 P N 称为反向接法或反向偏置（简称反偏） V R 一定温度下， V 超过某一值后 I 饱和，称为反向饱和电流 IS。 IS对温度十分敏感。 反向电流非常小，PN结处于截止(cut-off)状态。

  7. 对应P区 cathode 阴极 阳极 anode 对应N区 二极管的符号 6、二极管的伏安特性 阳极从P区引出，阴极从N区引出。 （1）二极管的类型 从材料分：硅二极管和锗二极管。 从管子的结构分： 点接触型二极管，工作电流小，可在高频下工作，适用于检波和小功率的整流电路。 面接触型二极管，工作电流大，只能在较低频率下工作，可用于整流。 开关型二极管，在数字电路中作为开关管。

  8. I/mA 30 20 10 20 10 O 0.5 1.0 1.5 UD/V 2 4 -I/μА （2）二极管的伏安特性 I + UD - 正向特性 死区电压 Is UBR 反向特性

  9. I/mA 30 20 正向特性 死区电压 10 0 0.5 1.0 1.5 U/V 二极管正向特性曲线 • 正向特性 硅二极管为0.5 V左右 锗二极管为0.1 V左右 死区电压： 当正向电压超过死区电压后， 二极管导通, 电流与电压关系近似指数关系。 硅二极管为0.7 V左右 锗二极管为0.2 V左右 导通压降：

  10. I/mA -20 -10 U/V 0 -2 -4 -I/μA • 反向特性 反向饱和电流 反偏时，反向电流值很小， 反向电阻很大， 反向电压超过UBR则被击穿。 IS UBR 反向特性 反向击穿电压 结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。 二极管方程： 式中：IS为反向饱和电流 UT是温度电压当量， 常温下UT近似为26mV。

  11. 7、二极管的主要参数 • 最大整流电流 IF 指二极管长期运行时， 允许通过管子的最大正向平均电流。 IF的数值是由二极管允许的温升所限定。 • 最高反向工作电压 UR 工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值， 否则二极管可能被击穿。 为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR。

  12. 反向电流 IR 室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时， 流过管子的反向电流。 通常希望IR值愈小愈好。 IR受温度的影响很大。 • 最高工作频率 fM fM值主要决定于PN结结电容的大小。 结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。

  13. ΔU I ΔI + O U - 稳压管的伏安特性和符号 8、稳压管 稳压管是一种面接触型二极管，与二极管不同之处： 1.采用特殊工艺，击穿状态不致损坏； 2.击穿是可逆的。 符号及特性曲线如下图所示： 阴极 ΔU 值很小 ΔI 有稳压特性 阳极

  14. 主要参数： 1. 稳定电压UZ ：稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。 2. 稳定电流IZ：稳压管正常工作时的参考电流。 3. 动态内阻rZ：稳压管两端电压和电流的变化量之比。 rZ= ΔU / ΔI 4. 电压的温度系数αU：稳压管电流不变时，环境温度对 稳定电压的影响。 5. 额定功耗PZ：电流流过稳压管时消耗的功率。

  15. 3.2 半导体三极管 半导体三极管 晶体管 (transistor) 双极型三极管或简称三极管 双极结型三极管又称为 ： 它们通常是组成各种电子电路的核心器件。 制作材料： 硅或锗 NPN型 PNP型 分类 ：

  16. collector 发射区： 杂质浓度很高 集电极c 杂质浓度低且很薄 基 区： 集电区 集电结 无特别要求 集电区： base 基极b 基区 发射极e 发射结 发射区 基极b 三个电极 c 发射极e 集电极c b emitter 发射结 e 两个PN结 集电结 一、 三极管的结构 三个区 N P N NPN型三极管的结构和符号

  17. c Rc VCC b Rb VBB e 二、三极管中载流子的运动和电流分配关系 动画 • 发射: • 发射区大量电子向基区发射。 集电极电流 IC ICBO 2. 复合和扩散： 电子在基区中复合扩散。 ICN IB 基极电流 IBN IEN 3. 收集： 将扩散过来的电子收集到集电极。 IE 发射极电流 同时形成反向饱和电流ICBO 。

  18. iB=f（uBE） iB/μA uCE=常数 c iB Rb b uCE=0 + e uBE VBB - O 三极管的输入回路 uBE/V 三极管的输入特性 三、三极管的特性曲线 1. 输入特性 uCE=2V uCE=0V 当uCE大于某一数值后，各条输入特性十分密集， 通常用uCE>1时的一条输入特性来代表。

  19. iC/mA iB=80μА 60 40 20 0 O uCE/V 2. 输出特性 iC=f(uCE) iB=常数 放 大 区 • 截止区： • iB ≤ 0的区域，iC≈ 0 ， • 发射结和集电结都反偏。 饱和区 2.放大区： 发射结正偏，集电结反偏ΔiC = βΔiB 截止区 3.饱和区： 发射结和集电结都正偏，uCE较小，iC基本不随iB而变化。 当uCE = uBE时，为临界饱和；当uCE < uBE时过饱和。

  20. IC ≈ β β • 共射直流电流放大系数 IB α • 共基直流电流放大系数 IC β = α = ΔiC ΔiC IE Δ iB ΔiE α = ICEO =（1+ ）ICBO β 四、 三极管的主要参数 1. 电流放大系数 • 共射电流放大系数β • 共基电流放大系数α 2. 反向饱和电流 • 集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO • 集电极和发射极之间的穿透电流 ICEO 两者满足

  21. iC/mA 过 损 O 耗 uCE/V 区 3. 极限参数 a. 集电极最大允许电流ICM b. 集电极最大允许耗散功率PCM iCuCE=PCM c. 极间反向击穿电压 过流区 ICM 集射反向击穿电压U(BR)CEO 过压区 安 全 工作区 集基反向击穿电压U(BR)CBO U(BR)CEO 三极管的安全工作区

  22. d B g s SiO2 s d g N+ N+ 3.3 *场效应管 1. 绝缘栅型场效应管 ⑴结构 P衬底杂质浓度较低， 引出电极用B表示。 N+两个区杂质浓度很高， 分别引出源极和漏极。 P型衬底 栅极与其他电极是绝缘的， 通常衬底与源极在管子内部连接。 B 铝

  23. d 耗尽层 g P+ P+ d g s s 2. 结型场效应管（JEFT） 漏极 （1）. 结构 N型沟道 栅极 源极 N沟道结型场效应管的结构和符号

  24. 3. 场效应管的主要参数 （1）直流参数 ⑴饱和漏极电流 IDSS 是耗尽型场效应管的一个重要参数。 它的定义是当栅源之间的电压uGS等于零， 而漏源之间的电压uDS大于夹断电压时对应的漏极电流。 ⑵夹断电压 UGS(off) 是耗尽型场效应管的一个重要参数。 其定义是当uDS一定时， 使iD减小到某一个微小电流时所需的uGS值。

  25. ⑶开启电压 UGS(th) UGS(th)是增强型场效应管的一个重要参数。 其定义是当uDS一定时， 使漏极电流达到某一数值时所需加的uGS值。 ⑷直流输入电阻 RGS 栅源之间所加电压与产生的栅极电流之比。 结型场效应管的RGS一般在107Ω以上， 绝缘栅场效应管的RGS更高，一般大于109Ω。

  26. （2）交流参数 ⑴ 低频跨导gm 用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用。 ⑵ 极间电容 场效应管三个电极之间的等效电容， 包括CGS、 CGD和CDS。 极间电容愈小，管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。

  27. （3）极限参数 ⑴ 漏极最大允许耗散功率PDM 漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积， 即pD= iD uDS。 ⑵漏源击穿电压U（BR)DS 在场效应管的漏极特性曲线上，当漏极电流iD急剧上升产生雪崩击穿时的uDS。 ⑶ 栅源击穿电压U（BR）GS

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