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第二章 半导体基本器件

第二章 半导体基本器件. 2.1 半导体二极管. 2.1.1 半导体基本知识 一、什么是半导体？ 导体 ( 金属原子的外层电子受原子核的束缚力很小，自由电子成为导电的“载流子” ). 绝缘体. 可运动的带电粒子. p39. 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅 (Si), 锗 (Ge) 。. 硅和锗的原子结构模型. (a) 硅原子 (b) 锗原子 简化模型. 硅和锗都是四价元素 , 原子的最外层轨道上有四个. 价电子。. 1. 本征半导体（纯净的半导体晶体）.

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第二章 半导体基本器件

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  1. 第二章 半导体基本器件

  2. 2.1 半导体二极管 2.1.1 半导体基本知识 一、什么是半导体？ 导体 (金属原子的外层电子受原子核的束缚力很小，自由电子成为导电的“载流子”) 绝缘体 可运动的带电粒子 p39

  3. 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si),锗(Ge)。半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si),锗(Ge)。 硅和锗的原子结构模型 (a)硅原子 (b)锗原子 简化模型 硅和锗都是四价元素,原子的最外层轨道上有四个 价电子。

  4. 1.本征半导体（纯净的半导体晶体） 点阵结构：每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。原子最外层的价电子不仅围绕…两个相邻原子共用一对电子 硅和锗的晶体结构 （ａ）点阵结构 （ｂ）共价键结构

  5. 热激发产生自由电子和空穴 室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚 成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为“空穴”。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。 在电子技术中,将空穴看成带正电荷的载流子。

  6. 空穴运动 （与自由电子的运动不同） 有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补 这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。

  7. 结论： 本征半导体中有两种载流子： ①带负电荷的自由电子②带正电荷的空穴 热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为“复合”。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。

  8. N型和P型半导体 (1)N型半导体 在硅晶体中掺入五价元素磷,磷原子的五个价电子有四个…多出的一个电子不受共价键的束缚,室温下很 容易成为自由电子。磷原子失去一个电子成为正离子（在晶体中不能移动） 每个磷原子都提供一个自由电子，自由电子数目大大增加，远远超过空穴数。这种半导体主要依靠电子导电，称为电子型或N型半导体。

  9. N型半导体的特点： 多数载流子（简称多子） 少数载流子（简称少子） 自由电子 空 穴 只要掺入极少量的杂质元素（1／106），多子的浓度将比本征半导体载流子浓度增加近106倍。 掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。

  10. (2)P型半导体 在硅晶体中掺入三价元素硼,硼原子与相邻的四个硅原子…由于缺少一个价电子而产生一个空位，这个空位很容易被邻近共价键中的价电子填补。硼原子 得到一个电子成为负离子（在晶体中不能移动），失去价电子的共价键中出现一个空穴，每个硼原子都产生一个空穴，空穴数目大大增加，远远超过自由电子数。这种半导体主要依靠空穴导电，称为空穴型或P型半导体

  11. P型半导体的特点： 多数载流子（简称多子） 少数载流子（简称少子） 空 穴 自由电子 掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。 少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。

  12. 3. PN结的形成 Ｐ40 预备知识: 半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动.在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。 将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结

  13. ① 多子扩散运动形成空间电荷区 由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向…扩散的结果，交界面P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子，这样在交界面处出现由数量相等的正负离子组成的空间电荷区，并产生由N区指向P区的内电场EIN。 PN结

  14. ② 内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移 空间电荷区变窄内电场EIN削弱 多子扩散 空间电荷区加宽内电场EIN增强 少子漂移 促使 阻止 扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结 EIN EIN

  15. Ｐ41 小结： PN结中同时存在多子的扩散运动和 少子的漂移运动，达到动态平衡时，扩散运动产生的扩散电流和漂移运动产生的漂移互相抵消，PN结中总的电流为零。

  16. 4. PN结的单向导电性 ①外加正向电压（也叫正向偏置） 外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于“导通”状态。

  17. 4. PN结的单向导电性 ②外加反向电压（也叫反向偏置） 外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流 IR，因为是少子漂移运动产生的， IR很小，这时称PN结处于“截止”状态。

  18. P42 Uon≈0.5V(硅) Uon≈0.1V(锗) ③ PN结伏安特性 a. 外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态 b. 正向电压大于“开启电压UON”后，i 随着 u 增大迅速上升。

  19. P42 c. 外加反向电压时， PN结处于截止状态，反向电流 IR 很小。 d. 反向电压大于“击穿电压U（BR）”时，反向电流 IR 急剧增加。

  20. 2.1.2 二极管符号及主要参数 A阳极 K阴极 二极管主要参数： 1.最大正向电流 IF 2.反向击穿电压U（BR） 3.反向电流 IR 4.最高工作频率

  21. 2.1.3 二极管应用举例 二极管的伏安特性是一个非线性的曲线，在实际分析电路中，导通时管压降视为一个固定值：UD≈0.7V（硅） UD≈0.3V（锗） p42 或视为一个理想开关，即导通时视为“短路”，截止时视为“开路”。这就是电子线路中经常采用的近似估算法。 p44

  22. Ui周期性矩形脉冲

  23. 2.1.3 稳压管及其应用 稳压管正常工作时处于反向击穿状态。 为了避免稳压管因过流而损坏，必须加限流电阻。

  24. 2.2 半导体三极管 三极管的结构及工作原理 (a)管芯结构图 (b)结构示意图 (c) 电路符号 NPN型三极管 三极管内部结构的特点：基区很薄，掺杂浓度最低.发射区掺杂浓度很高，远大于基区和集电区的掺杂浓度. 发射区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结 e 发射极 c 集电极 b 基极

  25. PNP型三极管

  26. 三极管电流的形成及分配 1.电流的形成 ①发射区向基区发射电子，形成发射极电流 IE 发射结正向偏置。 ②电子在基区复合形成基极电流 IB由于基区很薄且空穴浓度很低，发射区电子进入基区后少数电子和基区空穴复合，绝大多数电子继续扩散到集电结附近。 ③集电结反向偏置，基区中扩散到集电结附近的电子，在电场作用下漂移到集电区，形成集电极电流 IC 。

  27. 三极管电流的形成及分配 1.电流的分配关系 β称为电流放大系数， β值通常在20～200之间 发射区电子在基区每复合一个，就要向集电区供给β个电子，这是三极管内固定不变的电流分配原则。

  28. 2.2.1 三极管的特性曲线 输入特性曲线 输出特性曲线 P47倒3行 P48倒13行

  29. IB=0 IC≈0 uBE <Uon(0.5V) 截止区 截止条件：uBE <Uon(0.5V)特点： IB=0， IC≈0 c ~ e 之间相当于断开的开关。

  30. uCE＞uBE ++ 电流放大倍数 uBE＞Uon P48 放大区 放大条件： uBE＞Uon uCE＞ uBE特点： IC= IB，c ~ e 之间相当于受控电流源。

  31. uCE＜ uBE + uBE＞Uon 饱和区 饱和条件： uBE＞Uon uCE＜ uBE 特点： IC ＜βIB， uCE＝UCES≤0.3V，c ~ e 之间相当于闭合的开关。

  32. 截止和饱和两个状态通称为开关状态。 截止条件：uBE <Uon(0.5V) 特点： IB=0， IC≈0 c ~ e 之间相当于断开的开关。 饱和条件： uBE＞Uon uCE＜ uBE特点： IC ＜βIB，uCE＝UCES≤0.3V，c ~ e 之间相当于闭合的开关。

  33. 2.2.2 三极管的主要参数及应用 1 共发射极电流放大系数 Ic Ib = 20-200

  34. 三极管的主要参数 2 击穿电压 Ucbo,Uceo,Uebo Uebo 例如：Uebo=6V

  35. 三极管的主要参数 3 最大电流ICM, 最大功率PCM Ic Ib Icm=600mA;PcM=625mW 设工作电流Ic=200mAUce<625/200=3V

  36. 例：P51 uI 周期性矩形脉冲 (1) uI = 0 时,三极管截止，iB = 0 , iC = 0 uO = UC－iC RC = UC = 12V (2) uI = 5V 时，

  37. 例：P51 uI 周期性矩形脉冲 假设三极管处于饱和状态 条件成立

  38. 例：P51

  39. 预备知识: PN结正向导通时，P区扩散到N区的空穴，边扩散，边复合逐渐减少，在N区内产生一定数量的空穴积累，形成梯度分布；同理， N区的电子扩散到P区后，也将在P区内产生一定数量的电子积累。这些扩散到对方区域并积累的电子及空穴称为存储电荷。 PN结正向导通时，PN结两侧出现的电子空穴积累的现象叫做电荷存储效应。

  40. 2.2.3 三极管的开关时间和极间电容 由于三极管内部电荷建立和消失均需一定的时间，截止和饱和两种状态的转换不可能瞬间完成。 延迟时间 td 开启时间 ton（几十到几百纳秒） 上升时间 tr 存储时间 ts 关闭时间 toff（几十到几百纳秒） 下降时间 tf

  41. 2.2.4 共集电极电路 为TTL电路准备 特点： 输入电阻很大，而输出电阻很小 uO≈uI P54-Ｐ55

  42. 2.3 MOS场效应管 MOS场效应管是利用半导体表面的电场效应来控制输出电流的，输入端不需要供给电流 P型硅片作衬底，表面制作两个N型区，引出源极(s)和漏极(d)，覆盖一层SiO2，在漏源之间绝缘层上再制作一层金属铝，引出栅极(g)，衬底也引出一个电极B。 金属-氧化物-半导体场效应管 （Metal-Oxide-Semiconductor)

  43. uGS= 0 时，漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性的电压，都不能导电。 uGS为正时，产生一个电场，把P型衬底少子电子吸引到衬底表面，当uGS增大到一定值UT时，电子在衬底表面形成一个N型层即N型导电沟道。

  44. IG=0 ΔID=gm×ΔUGS 小结：MOS管是一个受栅源电压uGS控制的器件 ① uGS＜UT时，D-S间无导电沟道，MOS管截止 ② uGS＞UT时，D-S间才会形成导电沟道， 故称为N沟道增强型MOS管。 uGS增大，导电沟道变宽。即改变uGS可以控制iD的大小。

  45. 注意PMOS管S＋ D－ 电流从S流入，D流出 例：P61 参见表：P56 p p n

  46. uGS＜UGS(th)N， 管子处于截止状态,D、S之间相当于断开的开关 uGS＞ UGS(th)N，uDS较大， iD取决于uGS， D、S之间相当于一个受控电流源。 uGS＞ UGS(th)N，uDS较小。 iD与uDS之间近似为线性关系，D、S之间相当于一个由uGS控制的可变电阻， uGS越大，曲线越陡， D、S之间的导通电阻越小。 输出特性 转移特性 UGS(th)N:开启电压

  47. MOS管的开关特性 在夹断区，管子处于截止状态,D、S之间相当于断开的开关。 在可变电阻区，D、S之间导通电阻rDS(ON)很小，约为几百欧姆。只要RD远大于这个导通电阻，漏源之间可以看作闭合的开关。 输出特性 转移特性

  48. 2.3.3 MOS场效应管的主要参数 开启电压UGS(th)N或UGS(th)P 输入电阻rGS 跨导gm 常数 导通电阻rDS 也不是一个恒定值 在恒流区， rDS很大，在可变电阻区，导通电阻rDS很小，约为几百欧姆，用rDS(ON)表示。 极间电容CGS CGD CDS 影响MOS管开关速度的主要因素。

  49. 已知UGS(th)N=2.0V gm=1.3mA／V rDS(ON)=875Ω (1) uI=0，管子截止，iD=0， uO = uDS= UC－iD R1 = UC = 12V (2) uI=5V，管子工作在可变电阻区或恒流区 假设… uO = uDS= UC－iD R1＜0 可判断管子工作在可变电阻区 uO = uDS= UC× rDS(ON)／(rDS(ON)+ R1 ) = 0.9V p60

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