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第一节 半导体的特性,第一节 半导体的特性,本征半导体,杂质半导体,下页,总目录,1.半导体,(semiconductor),共价键covalent bond,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,。,大多数半导体器件所用主要材料是硅和锗,一、本征半导体(intrinsic semiconductor),价电子,在硅(或锗)的晶体中,原子在空间排列成规则的晶格。,晶体中的价电子与共价键,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,下页,首页,上页,2.本征半导体(,intrinsic semiconductors,),纯净的、不含杂质的半导体称为,本征半导体。,在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强，,在热力学温度零度,（即,T,=0 K）,时，,价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，,晶体中不存在能够导电的载流子，,半导体不能导电，如同,绝缘体,一样。,下页,上页,首页,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,本征半导体中的载流子,带负电的自由电子,free electron,带正电的空穴,hole,如果温度升高，,少数价电子将挣脱共价键束缚成为,自由电子。,在原来的共价键位置留下一个空位，,称之为,空穴。,下页,上页,首页,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,半导体中存在两种载流子：,带负电的自由电子,和带正电的,空穴。,在一定温度下,电子,空穴对,的产生和复合达到动态平衡。,在本征半导体中，,两种载流子总是成对出现,称,为,电子 空穴对,本征载流子的浓度对温度十分敏感,电子,空穴,对,两种载流子浓度相等,下页,上页,首页,1.N型（或电子型）半导体(N-type semiconductor),二、杂质半导体,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。,在4价的硅或锗中掺入少量的5价,杂质元素,，,下页,上页,在本征半导体中掺入某种特定的杂质，就成为,杂质半导体,。,+5,4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,首页,+5,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,失去自由电子的杂质原子固定在晶格上不能移动，,并带有正电荷，称为正离子。,在这种杂质半导体中，,电子的浓度大大高于空穴的浓度。,因主要依靠电子导电，,故称为电子型半导体。,多数载流子,majority carrier,少数载流子,minority carrier,下页,上页,5价的杂质原子可以提供电子，所以称为,施主原子,。,首页,+3,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,在硅或锗晶体中掺入少量的,3价,杂质元素，,空位,2.P型半导体(P-type semiconductor),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。,下页,上页,首页,硅原子外层电子由于热运动填补此空位时，,杂质原子成为负离子，,硅原子的共价键中产生一个,空穴。,在这种杂质半导体中，空穴的浓度远高于自由电子的浓度。,+3,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,在室温下仍有,电子 空穴,对的产生和复合。,多数,载流子,P型半导体主要依靠空穴导电，所以又称为空穴型半导体。,下页,上页,3价的杂质原子产生多余的空穴，起着接受电子的作用，所以称为,受主原子,。,少数,载流子,首页,在杂质半导体中：,杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构，,多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度；,而少数载流子的浓度主要取决于温度。,杂质半导体的优点：,掺入不同性质、不同浓度的杂质，,并使P型半导体和N型半导体以不同方式组合，,可以制造出形形色色、品种繁多、,用途各异的半导体器件。,总结,上页,首页,第二节 半导体二极管,PN结及其单向导电性,二极管的伏安特性,二极管的主要参数,稳压管,总目录,下页,-,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,P,N,1.PN结中载流子的运动,-,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,空间电荷区,内电场,U,D,又称耗尽层,，,即PN结,。,最终扩散(,diffusion),运动与漂移(,drift,)运动达到动态平衡，PN结中总电流为零。,内电场,又称,阻挡层,，阻止扩散运动，却有利于漂移运动。,硅约为（0.60.8）V锗约为（0.20.3）V,一、PN结及其单向导电性,扩散,漂移,下页,上页,首页,N,P,-,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,R,V,正向电流,外电场削弱了内电场有利于扩散运动，不利于漂移运动。,空间电荷区变窄,2.PN结的单向导电性,加正向电压,+,-,U,耗尽层,内电场,U,D,-,U,外电场,I,称为正向接法或正向偏置（简称正偏，,forward bias,),PN结处于正向导通(,on,)状态，正向等效电阻较小。,下页,上页,首页,+,-,U,-,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,R,V,称为反向接法或反向偏置（简称反偏）,一定温度下，,V,超过某一值后,I,饱和，称为反向饱和电流,I,S,。,结论：,PN结具有单向导电性：正向导通，反向截止。,内电场,外电场,U,D,+,U,空间电荷区,外电场增强了内电场有利于漂移运动，不利于扩散运动。,反向电流非常小，,PN,结处于截止(,cut-off,)状态。,加反向电压,I,反向电流,I,S,对温度十分敏感。,下页,上页,首页,动画,P,N,二、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：,对应N区,对应P区,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。,二极管的符号,阳极,anode,阴极,cathode,下页,上页,首页,30,20,10,I,/mA,U,D,/V,0.5 1.0 1.5,20 10,2,4,-,I,/,O,正向特性,死区电压,I,s,U,BR,反向特性,+,-,U,D,I,2.二极管的伏安特性,下页,上页,首页,动画,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,死区电压,正向特性,0.5 1.0 1.5,10,20,30,U,/V,I,/mA,0,二极管正向特性曲线,硅二极管为,0.5 V,左右,锗二极管为,0.1 V,左右,死区电压：,导通压降：,正向特性,下页,上页,首页,反偏时，反向电流值很小，,反向电阻很大，,反向电压超过,U,BR,则被击穿。,I,S,反向特性,U,BR,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：,反向饱和电流,反向击穿电压,若|,U,|,U,T,则,I,-,I,S,式中：,I,S,为反向饱和电流,U,T,是温度电压当量，,常温下,U,T,近似为,26mV。,反向特性,-2,-4,-,I,/,A,I,/mA,U,/V,-20 -10,0,若,U,U,T,则,下页,上页,首页,三、二极管的主要参数,最大整流电流,I,F,指二极管长期运行时，,允许通过管子的最大正向平均电流。,I,F,的数值是由二极管允许的温升所限定。,最高反向工作电压,U,R,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,U,BR,的一半定为,U,R,。,下页,上页,首页室温条件下，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,I,R,值愈小愈好。,I,R,受温度的影响很大。,最高工作频率,f,M,f,M,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。,下页,上页,反向电流,I,R,首页,二极管除了具有单向导电性以外，,还具有一定的电容效应。,势垒电容,C,b,由,PN,结的空间电荷区形成，又称结电容，,反向偏置时起主要作用。,扩散电容,C,d,由多数载流子在扩散过程中的积累引起，,正向偏置时起主要作用。,下页,上页,首页,例1.2.1已知,u,I,=,U,m,sin,t,，,画出,u,O,和,u,D的波形,VD,R,+,-,+,-,u,I,u,O,+,-,u,D,i,O,U,m,t,u,o,O,t,u,D,O,u,I,0,时二极管导通，,u,O,=,u,I,u,D,=,0,u,I,0,时二极管截止，,u,D,=,u,I,u,O,=,0,-U,m,i,o,U,m,t,u,I,O,下页,上页,首页,例1.2.2 二极管可用作开关,V,VD,V,S,V,VD,V,S,正向偏置，相当于开关闭合。,反向偏置，相当于开关断开。,下页,上页,首页,四、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：,U,I,I,U,O,稳压管的伏安特性和符号,U,I,值很小,有稳压特性,阴极,阳极,下页,上页,首页,1.稳定电压,U,Z,：稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。,2.稳定电流,I,Z,：稳压管正常工作时的参考电流。,3.动态内阻,r,Z,：稳压管两端电压和电流的变化量之比。,r,Z,=,U,/,I,4.电压的温度系数,U,：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,P,Z,：电流流过稳压管时消耗的功率。,主要参数：,下页,上页,首页,使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：,U,O,R,L,VD,Z,R,U,I,I,R,I,O,I,Z,+,+,-,-,稳压管电路,稳压管必须工作在反向击穿区,。,稳压管应与负载,R,L,并联。,必须限制流过稳压管的电流,I,Z,。,下页,上页,首页,例1.2.3 电路如图所示，已知,U,Imax,=,15V，,U,Imin,=10V,I,Zmax,=50mA，,I,Zmin,=5mA，,R,Lmax,=1k,，,R,Lmin,=600,U,Z,=6V,对应,U,Z,=0.3V。,求,r,Z,，,选择限流电阻,R,O,下页,上页,首页,U,O,R,L,VD,Z,R,U,I,I,R,I,O,I,Z,+,+,-,-,+,-,U,Z,解：,I,Z,=,I,R,-,I,O,=,U,I,-,U,Z,R,-,U,Z,R,L,I,Zmax,U,Imax,-,U,Z,R,-,U,Z,R,Lmax,I,Zmin,U,Imin,-,U,Z,R,-,U,Z,R,Lmin,r,Z,=,I,Z,U,Z,=,6.7,15,-,6,50,+,6,1,k,=,161,R,R,10,-,6,5,+,6,0.6,k,=,267,I,Z,=,I,Zmax,-,I,Zmin,=,45 mA,下页,上页,首页,U,O,R,L,VD,Z,R,U,I,I,R,I,O,I,Z,+,+,-,-,+,-,U,Z,+,-,VD,1,VD,2,U,+,-,U,+,-,U,+,-,U,VD,1,VD,2,VD,1,VD,2,VD,1,VD,2,例1.2.4,有两个稳压管,VD,1和,VD,2,，它们的稳压值为,U,Z1,=,6 V,，,U,Z2,=,8 V,，,正向导通压降均为,U,D,=,0.6,V,，将它们串联可得到几种稳压值?,U,=,U,D,+,U,D,=1.2 V,U,=,U,Z1,+,U,D,=6.6 V,U,=,U,Z1,+,U,Z2,=14 V,U,=,U,D,+,U,Z2,=8.6 V,下页,上页,首页,上页,首页,课堂练习,第三节 双极结型三极管,三极管的结构,三极管中载流子的运动和电流分配关系,三极管的特性曲线,三极管的主要参数,总目录,下页,半导体三极管,晶体管(,transistor,),双极型三极管或简称三极管,制作材料：,分类：,它们通常是组成各种电子电路的核心器件。,双极结型三极管又称为：,硅或锗,NPN型,PNP型,下页,上页,首页,一、三极管的结构,三个区,发射区：,杂质浓度很高,基 区：,杂质浓度低且很薄,集电区：,无特别要求,发射结,集电结,集电区,基区,发射区,c,b,e,NPN型三极管的结构和符号,两个PN结,发射结,集电结,三个电极,发射极,e,基极,b,集电极,c,集电极,c,collector,基极,b,base,发射极,e,emitter,N,P,N,下页,上页,首页,R,b,R,c,V,BB,V,CC,e,c,b,发射极电流,二、三极管中载流子的运动和电流分配关系,发射,:,发射区大量电子向基区发射。2.复合和扩散：,电子在基区中复合扩散。,3.收集：,将扩散过来的电子收集到集电极。,同时形成反向饱和电流,I,CBO,。,I,E,I,C,I,B,I,CN,I,EN,I,BN,I,CBO,集电极电流,基极电流,下页,上页,首页,动画,R,b,R,c,V,BB,V,CC,e,c,b,I,E,I,C,I,B,I,CN,I,EN,I,BN,I,CBO,I,C,=,I,Cn,+,I,CBO,I,E,=,I,Cn,+,I,Bn,I,C,=,I,E,+,I,CBO,当,I,CBO,I,C,时，可得,I,C,I,E,I,En,=,I,Cn,+,I,Bn,I,E,=,I,En,I,E,=,I,C,+,I,B,下页,上页,将 代入,I,C,=,I,Cn,+,I,CBO,得,I,Cn,=,I,E,通常将,定义为,共基直流电流放大系数。,首页,I,C,I,B,I,E,=,I,C,+,I,B,I,C,=,I,E,+,I,CBO,代入 得,I,C,=,1,-,I,B,+,1,-,1,I,CBO,=,1,-,令,可得,I,C,=,I,B,+（,1,+）,I,CBO,I,C,=,I,B,+,I,CEO,当,I,CEO,1,时的一条输入特性来代表。,u,BE,/V,i,B,/,A,O,三极管的输入特性,下页,上页,u,BE,i,B,+,-,u,CE,=0,V,BB,R,b,b,e,c,三极管的输入回路,首页,2.输出特性,i,C,/mA,O,u,CE,/V,i,B,=80,60,40,20,0,i,C,=,f,(,u,CE,),i,B,=常数,饱和区,放,大,区,截止区：,i,B,0,的,区域，,i,C,0,，,发射结和集电结都反偏。,3.,饱和区：,发射结和集电结都正偏，,u,CE,较小,，,i,C,基本不随,i,B,而变化。,当,u,CE,=,u,BE,时，为临界饱和；当,u,CE,u,BE,时过饱和。,截止区,下页,上页,首页,动画,2.,放大区,：,发射结正偏，集电结反偏,i,C,=,i,B,发射结反向偏置,集电结反向偏置,三极管工作在截止区,可调换,V,BB,极性。,发射结反向偏置,三极管工作在截止区,可调换,V,CC,极性,或将,VT,更换为,PNP,型。,两PN结均正偏,三极管工作在饱和区。,例1.3.1 判断图示各电路中三极管的工作状态。,0.7V,VT,0.3V,下页,上页,R,b,R,c,V,CC,V,BB,VT,R,b,R,c,V,CC,VT,首页,V,BB,=,i,B,R,b,+,u,BE,i,B,i,C,i,B,=,46.5,A,i,B,=,2.3,mA,假设三极管饱和，,U,CES,=,0.3,V,则,I,CS,=,V,CC,-,U,CES,R,c,=,4.85,mA,i,B,I,CS,假设成立，,三极管工作在饱和区。,或者,i,C,=,i,B,=,23,mA,u,CE,=,V,CC,-,i,C,R,c,=-,36,V,发射结正偏集电结正偏，,三极管工作在饱和区。,下页,上页,R,b,R,c,V,CC,V,BB,VT,2k,20k,10V,10V,=50,首页,四、三极管的主要参数,2.反向饱和电流,=,i,C,i,B,I,C,I,B,共基直流电流放大系数,=,i,C,i,E,共基电流放大系数,=,I,C,I,E,共射直流电流放大系数,集电极和基极之间的反向饱和电流,I,CBO,集电极和发射极之间的穿透电流,I,CEO,I,CEO,=（,1,+）,I,CBO,两者满足,1.电流放大系数,共射电流放大系数,下页,上页,首页,3.极限参数,a.集电极最大允许电流,I,CM,i,C,/mA,O,u,CE,/V,三极管的安全工作区,过流区,集射反向击穿电压,U,(BR)CEO,集基反向击穿电压,U,(BR)CBO,i,C,u,CE,=,P,CM,过压区,安 全,工作区,I,CM,过,损,耗,区,U,(BR)CEO,c.极间反向击穿电压,b.集电极最大允许耗散功率,P,CM,下页,上页,首页,下页,上页,五、PNP型三极管,PNP型三极管的放大原理与NPN型基本相同，,但外加电源的极性相反。,首页,V,BB,u,i,R,b,R,c,VT,+,-,u,O,V,CC,V,BB,u,i,R,b,R,c,VT,+,-,u,O,V,CC,在由PNP型三极管组成的放大电路中，,三极管中各极电流和电压的实际方向如图(a)所示，,根据习惯三极管中电流和电压的规定正方向如图(b)所示。,U,CE,U,BE,I,E,I,C,I,B,c,b,e,(,-,),(+),(+),(,-,),(a),U,CE,U,BE,I,E,I,C,I,B,c,b,e,(,-,),(+),(+),(,-,),(b),定量计算中，将得出PNP型三极管的,U,BE,和,U,CE,为负值。,在PNP型三极管的输入和输出特性曲线中，,电压坐标轴上将分别标注“,-,U,BE,”和“,-,U,CE,”。,电流实际方向与规定方向一致，,电压实际方向与规定方向相反。,下页,上页,首页,上页,首页,课堂练习,第四节 场效应三极管,结型场效应管,绝缘栅场效应管,场效应管的主要参数,下页,总目录,场效应三极管中参与导电的只有一种极性的载流子（多数载流子），故称为单极型三极管。,分类：,结型场效应管,绝缘栅场效应管,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,N沟道,P沟道,P沟道,下页,上页,首页,一、结型场效应管,1.结构,N型沟道,耗尽层,g,d,s,g,d,s,P,+,P,+,N沟道结型场效应管的结构和符号,栅极,漏极,源极,下页,上页,首页,2.工作原理,u,GS,=0,u,GS,U,GS(off),u,GS,U,GS(off),当,u,DS,0,时，,u,GS,对耗尽层和,i,D的影响。,N,P,+,P,+,V,GG,V,DD,g,d,s,N,P,+,P,+,V,DD,g,d,s,沟道变窄，,i,D,较小。,下页,上页,首页,N,P,+,P,+,i,D,i,S,V,GG,V,DD,P,+,P,+,i,D,i,S,V,GG,V,DD,u,GS,0，,u,GD,=,U,GS(off),，,u,GS,U,GS(off),，,u,GD,U,GS(off),，,i,D,0,，导电沟道夹断。,i,D,更小，导电沟道预夹断。,下页,上页,首页,动画,3.特性曲线,转移特性,i,D,=,f,（,u,GS,）,|,u,DS,=,常数,g,d,s,mA,V,V,I,D,V,GG,V,DD,场效应管特性曲线测试电路,沟道结型场效应管转移特性,I,DSS,U,GS(off),饱和漏极电流,栅源间加反向电压,u,GS,U,GS(th),时,形成导电沟道,V,GG,导电沟道的形成,假设,u,DS,=0，,同时,u,GS,0,靠近二氧化硅的一侧产生耗尽层，,若增大,u,GS,，则耗尽层变宽。,又称之为反型层,导电沟道随,u,GS,增大而增宽。,下页,上页,首页,u,DS,对导电沟道的影响,u,GS,为某一个大于,U,GS(th),的固定值，在漏极和源极之间加正电压，且,u,DS,U,GS(th),则有电流,i,D,产生，,i,D,使导电沟道发生变化。,当,u,DS,增大到,u,DS,u,GS,-,U,GS(th),即,u,GD,=,u,GS,-,u,DS,=,U,GS(th),时，,沟道被预夹断，,i,D,饱和。,P型衬底,N,+,N,+,s,g,d,B,V,GG,N型沟道,V,DD,u,DS,对导电沟道的影响,下页,上页,首页,特性曲线,I,DO,U,GS(th),2,U,GS(th),预夹断轨迹,可变,电阻区,恒流区,i,D,/mA,u,DS,/V,O,u,GS,/V,i,D,/mA,O,当,u,GS,U,GS(th),时,下页,上页,截止区,转移特性曲线可近似用以下公式表示：,首页,2.N沟道耗尽型MOS场效应管,预先在二氧化硅中掺入大量的正离子，,使,u,GS0 时，,产生N型导电沟道。,当,u,GS,0 时，沟道变宽，,i,D,增大。,g,d,s,B,下页,上页,首页,P型衬底,N,+,N,+,s,g,d,B,N型沟道,+,动画,耗尽型：,u,GS,=0,时无导电沟道。,增强型：,u,GS,=0,时有导电沟道。,特性曲线,I,DSS,U,GS(off),预夹断轨迹,可变,电阻区,恒流区,I,DSS,i,D,/mA,u,DS,/V,O,u,GS,=0,-2,-1,+1,+2,u,GS,/V,O,i,D,/mA,下页,上页,截止区,首页,三、,场效应管的主要参数,1.直流参数,饱和漏极电流,I,DSS,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,u,GS,等于零，,而漏源之间的电压,u,DS,大于夹断电压时对应的漏极电流。,夹断电压,U,GS(off),是耗尽型场效应管的一个重要参数。,其定义是当,u,DS,一定时，,使,i,D,减小到某一个微小电流时所需的,u,GS,值。,下页,上页,首页,开启电压,U,GS(th),U,GS(th),是增强型场效应管的一个重要参数。,其定义是当,u,DS,一定时，,使漏极电流达到某一数值时所需加的,u,GS,值。,直流输入电阻,R,GS,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,R,GS,一般在10,7,以上，,绝缘栅场效应管的,R,GS,更高，一般大于10,9,下页,上页,首页,2.交流参数,低频跨导,g,m,用以描述栅源之间的电压,u,GS,对漏极电流,i,D,的控制作用。,极间电容,场效应管三个电极之间的等效电容，,包括,C,GS,、,C,GD,和,C,DS,。,极间电容愈小，管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,下页,上页,首页,3.极限参数,漏极最大允许耗散功率,P,DM,漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积，,即,p,D,=,i,D,u,DS,。,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,i,D,急剧上升产生雪崩击穿时的,u,DS,。,栅源击穿电压,U,（BR）GS,下页,上页,首页,上页,首页,课堂练习,