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1、第第4 4章章 半导体器件半导体器件 4.1 4.1 半导体基础知识半导体基础知识 4.4 4.4 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 4.3 4.3 晶体管晶体管 4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管 1. 1. 了解半导体二极管、稳压二极管的工作了解半导体二极管、稳压二极管的工作 原理和主要参数原理和主要参数 2. 2. 了解双极型晶体管、了解双极型晶体管、MOSMOS场效应场效应管的工管的工 作原理和主要参数作原理和主要参数 本章要求本章要求 导导 体：体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金，金 属一般都是导体属一般都是导体 绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不
2、导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英皮、陶瓷、塑料和石英 半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等和一些硫化物、氧化物等 4.1 4.1 半导体基础知识半导体基础知识 半导体半导体的特点的特点: : 当受外界热和光的作用时，它的导电能力明当受外界热和光的作用时，它的导电能力明 显变化显变化 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的 导电能力明显改变导电能力明显改变 1.
3、1. 掺杂性掺杂性 2. 2. 热敏性和光敏性热敏性和光敏性 4.1.1 4.1.1 本征半导体和掺杂半导体本征半导体和掺杂半导体 一、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构特点 Ge Si 通过一定的工艺，可以将半导体制成通过一定的工艺，可以将半导体制成晶体晶体 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗 本征半导体：本征半导体：完全纯净的、具有晶体结构的半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体 晶体晶体 硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构 共价键共共价键共 用电子对用电子对 +4+4 +4+4 +4+4 +4+4 自由电子 空 穴 束缚电子 二、本征半导
4、体的导电机理二、本征半导体的导电机理 1. 1. 载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴 可以运动的带电粒子（即可以运动的带电粒子（即载流子载流子） 2. 2. 本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 +4+4 +4+4 本征半导体中存在数量相等的两种载流子本征半导体中存在数量相等的两种载流子 ，即，即自由电子自由电子和和空穴空穴 动画动画 温度越高，载流子的浓度温度越高，载流子的浓度 越高越高 本征半导体中电流组成：本征半导体中电流组成： （1 1）自由电子移动产生的）自由电子移动产生的 电流电流 （2 2）空穴移动产生的电流）空穴移动产生的电流 三、三、 掺杂半导体掺杂半导体 在本
5、征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化使半导体的导电性能发生显著变化 P P 型半导体型半导体 N N 型半导体型半导体 +4+4 +5+4 多余 电子 磷离子 自由电子称为自由电子称为多数载流子多数载流子，空穴称为，空穴称为少数载流子少数载流子 1 1 、N N 型半导体型半导体( (电子半导体电子半导体) ) 2 2、P P 型半导体型半导体( (空穴半导体空穴半导体) ) +4+4 +3+4 空穴空穴 硼离子硼离子 P P 型半导体中空穴是型半导体中空穴是多数载流子多数载流子，电子是，电子是少数载少数载 流子流子 3 3、
6、掺杂半导体的符号、掺杂半导体的符号 P P 型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N N 型半导体型半导体 PNPN 结的形成：结的形成： 在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P P 型半导型半导 体和体和N N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了交界面处就形成了PN PN 结结 4.1.2 4.1.2 PN PN 结结 P P 型半导体型半导体 N N 型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + +
7、+ + + + + + + 扩散运动扩散运动 内电场内电场E E 漂移运动漂移运动 扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽荷区越宽 内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄间电荷区变薄 空间电荷区，空间电荷区， 也称耗尽层也称耗尽层 漂移运动漂移运动 P P 型半导体型半导体 N N 型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动扩散运动 内电场内电场E E 扩散和漂移运动最终达到平衡，相当于两个区之间扩散和漂
8、移运动最终达到平衡，相当于两个区之间 没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变 + + + + RE 一、一、PN PN 结正向偏置结正向偏置 内电场 外电场外电场 变薄变薄 PN + _ 内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成 较大的扩散电流较大的扩散电流 二、二、PN PN 结反向偏置结反向偏置 + + + + 内电场内电场 外电场外电场 变厚变厚 NP + _ 内电场被加强，多子的扩内电场被加强，多子的扩 散受抑制。少子漂移加强散受抑制。少子漂移加强 ，但少子数量有限，只能，但少子数量有限，只能 形成较小的反向电流形
9、成较小的反向电流 RE 正偏时，正偏时，PN PN 结电阻很小，正向电流大，结电阻很小，正向电流大， PNPN结导通。结导通。 反偏时，反偏时，PN PN 结电阻很大，正向电流很小，结电阻很大，正向电流很小， PN PN 结截止。结截止。 PN PN 结具有单向导电性。结具有单向导电性。动画动画 4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管 4.2.1 4.2.1 基本结构基本结构 PN PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 引线引线 外壳外壳 触丝线触丝线 基片基片 点接触型点接触型 PNPN结结 面接触型面接触型 P P N N 二极管的电路符号：
10、二极管的电路符号： D D 二极管示例二极管示例 4.2.2 4.2.2 伏安特性伏安特性 U I 导通压降导通压降: : 硅管硅管 0.60.7V,0.60.7V,锗管锗管 0.20.20.3V0.3V。 反向击穿反向击穿 电压电压U UBR BR 反向漏电流反向漏电流 死区电压死区电压 硅管硅管 0.5V,0.5V,锗管锗管0 0.2V.2V。 4.2.34.2.3 主要参数主要参数 1. 1. 最大整流电流最大整流电流 I IOM OM 2. 2. 反向工作峰值电压反向工作峰值电压U URWM RWM 3. 3. 反向峰值电流反向峰值电流 I IRM RM 4. 4. 最高工作频率最高工
11、作频率 f fM M 二极管二极管：死区电压：死区电压=0.5V=0.5V，正向压降，正向压降 0.7V (0.7V (硅二极管硅二极管) ) 理想二极管理想二极管：死区电压：死区电压=0 =0 ，正向压降，正向压降=0=0，反向电阻无，反向电阻无 穷大穷大 R RL L u u i i u uo o u u i i u uo o t t t t 二极管的应用举例：二极管的应用举例： 二极管半波整流二极管半波整流 动画动画2 2动画动画1 1 1. 1. 稳压二极管稳压二极管 U I I I Z Z I I Z Zmaxmax UZ IZ 稳压稳压 误差误差 曲线越陡，曲线越陡， 电压越稳定电
12、压越稳定 + - UZ D DZ Z 工作在反向击穿区工作在反向击穿区 4.2.4 4.2.4 特殊二极管特殊二极管 （1 1）稳定电压）稳定电压U U Z Z （2 2）动态电阻）动态电阻r r Z Z r r Z Z = = U U Z Z / / I I Z Z （3 3）最大耗散功率）最大耗散功率 P PZM ZM = =U U Z Z I I ZMZM （4 4）最大稳定工作电流）最大稳定工作电流I IZmax Zmax 和最小稳定工作电流 和最小稳定工作电流I IZmin Zmin 主要参数：主要参数： 2. 2. 光电二极管光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升反向电流随光照
13、强度的增加而上升 I I U U 照度增加照度增加 3 3. . 发光二极管发光二极管 有正向电流流过时有正向电流流过时 ，发出一定波长范围，发出一定波长范围 的光，目前的发光管的光，目前的发光管 可以发出从红外到可可以发出从红外到可 见波段的光，它的电见波段的光，它的电 特性与一般二极管类特性与一般二极管类 似似 4.3.1 4.3.1 基本结构基本结构 B E C N N N N P P 基极基极 发射极发射极 集电极集电极 NPNNPN型型 PNPPNP型型 4.3 4.3 晶体管晶体管 P P N N P P 集电极集电极 基极基极 发射极发射极 B B C C E E 三极管示例三极
14、管示例 B E C N N P 基极基极 发射极发射极 集电极集电极 基区基区：较薄，掺：较薄，掺 杂浓度低杂浓度低 集电区集电区：面：面 积较大积较大 发射区发射区：掺：掺 杂浓度较高杂浓度较高 B B E E C C N N P 基极基极 发射极发射极 集电极集电极 集电结集电结 发射结发射结 B E C IB IE IC NPNNPN型三极管型三极管 B E C IB IE IC PNPPNP型三极管型三极管 实验电路实验电路 IC mA A VVUCE UBE RB IB EC EB 4.3.2 4.3.2 放大作用放大作用 结论：结论： 1. 1. I IE E = = I I B
15、B I I C C 2.2. 3. 3. 要使三极管能放大电流，必须满足要使三极管能放大电流，必须满足内部条内部条 件：发射区多数载流子的浓度远大于基区多数件：发射区多数载流子的浓度远大于基区多数 载流子的浓度，基区要很薄载流子的浓度，基区要很薄；必须满足；必须满足外部条外部条 件：发射结加正向电压件：发射结加正向电压( (正向偏置正向偏置) )，集电结加，集电结加 反向电压（反向偏置）反向电压（反向偏置） 一、一、输入特性输入特性 UCE 1V IB(A) UBE(V) 20 40 60 80 0.40.8 工作压降：工作压降： 硅管硅管 U U BEBE 0.60.7V, 0.60.7V,锗管锗管 U U BEBE -0.2-0.3V -0.2-0.3V U U CECE =0.5V =0.5V 死区电压，死区电压， 硅管硅管0.6V0.6V，
