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1、第一章 常用半导体器件 (1-1) 1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型三极管 1.5 单结晶体管和晶闸管 1.4 场效应管 1.6 集成电路中的元器件 1.1 1.1 半导体基础知识 (1-2) 1.1.1 导体、半导体和绝缘体 自然界中很容易导电的物质称为导体，金 属一般都是导体。 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体 之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些 硫化物、氧化物等。 (1-3) 半导体的导电机理不同于其它物质，所 以它具有不同于其它物质的特点。比如： 热敏性、光敏性、掺杂性。 当受外界热和
2、光的作用时，它的导 电能力明显变化。 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。 (1-4) 1.1.2 本征半导体 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和 锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个 。 Ge Si (1-5) 通过一定的工艺过程，可以将半导体 制成晶体。 完全纯净的、结构完整的半导体晶体 ，称为本征半导体。 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成 晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心， 而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子 与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价 电子。 (1-6) 硅和锗的晶体结构 (1-7) 本征半导体的导电机理 本征半导体中存在数量相等
3、的两种载流 子，即自由电子和空穴。 温度越高，载流子的浓度越高。因此本 征半导体的导电能力越强，温度是影响半导 体性能的一个重要的外部因素，这是半导体 的一大特点。 本征半导体的导电能力取决于载流子的 浓度。 本征半导体的导电机理 (1-8) 在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果 相当于空穴的迁 移，而空穴的迁 移相当于正电荷 的移动，因此可 以认为空穴是载 流子。 (1-9) 硅和锗的共价键结构 共价键共 用电子对 +4+4 +4+4 +4表示除去价 电子后的原子 (1-10) 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键 中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱 离共价键成为自由电
4、子，因此本征半导体中 的自由电子很少，所以本征半导体的导电能 力很弱。 形成共价键后，每个原子的最外层电 子是八个，构成稳定结构。 共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。 +4+4 +4+4 (1-11) 本征半导体的导电机理 在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时, 价电子完全被共价键束缚着，本征半导体 中没有可以运动的带电粒子（即载流子） ，它的导电能力为0，相当于绝缘体。 在常温下，由于热激发，使一些价电子 获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成 为自由电子，同时共价键上留下一个空位 ，称为空穴。 (1-12) +4+4 +4+4 本征半导体的导电机理 自由电子 空穴 束缚电子
5、 (1-13) 1.1.3 杂质半导体 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。 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度 大大增加。 使自由电子浓度大大增加的杂质半导体 称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓 度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（ 空穴半导体）。 (1-14) N型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（ 或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂 质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其 中四个与相临的半导体原子形成共价键，必 定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚， 很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子 就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原 子
6、给出一个电子，称为施主原子。 (1-15) +4+4 +5+4 N型半导体 多余电子 磷原子 (1-16) N型半导体 N型半导体中的载流子是什么？ 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子 相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。 3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度， 所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电 子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载 流子（少子）。 (1-17) P型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如 硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与 相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空 穴。这个空穴可能吸引束缚电
7、子来填补，使得 硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼 原子接受电子，所以称为受主原子。 (1-18) +4+4 +3+4 空穴 P型半导体 硼原子 (1-19) 总 结 1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提 供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少 数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能 形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要 是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。 2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。 (1-20) 杂质半导体的示意表示法 P型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N型半导体 (1-
8、21) 一. PN 结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造P型 半导体和N型半导体，经过载流子的扩散 ，在它们的交界面处就形成了PN结。 1.1.3 PN结 (1-22) P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E 漂移运动 空间电荷区 PN结处载流子的运动 (1-23) 扩散的结果是使空间电荷区逐 渐加宽，空间电荷区越宽。 漂移运动 P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E PN结处载流子的运动 内
9、电场越强，就使漂移运动 越强，而漂移使空间电荷区 变薄。 (1-24) 漂移运动 P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E PN结处载流子的运动 所以扩散和漂移这 一对相反的运动最 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。 (1-25) 空间 电荷 区 N型区P型区 电位V V0 (1-26) 1、空间电荷区中没有载流子。 2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、 N中的电子（都是多子）向对方运动 （扩散运动）。 3、P中的电子和N中的空穴（都是少子） ，数量有限
10、，因此由它们形成的电流 很小。 请注意 (1-27) 二. PN结的单向导电性 PN结加上正向电压、正向偏置的意 思都是： P区加正、N区加负电压。 PN结加上反向电压、反向偏置的意 思都是： P区加负、N区加正电压。 (1-28) PN结正向偏置 + + + + 内电场 外电场 变薄 PN + _ 内电场被削弱， 多子的扩散加强 能够形成较大的 扩散电流。 (1-29) PN结反向偏置 + + + + 内电场 外电场 变厚 NP + _ 内电场被被加强，多子 的扩散受抑制。少子漂 移加强，但少子数量有 限，只能形成较小的反 向电流。 (1-30) (1-31) 三. PN结的电流方程 )1(
11、= kT qu eIsI ( 1.1.2 ) )1(= T u u eIsI ( 1.1.3 ) (1-32) 四. PN结的伏安特性 U I 死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V 。 导通压降: 硅 管0.60.7V,锗 管0.20.3V。 反向击穿电 压U(BR) (1-33) 五. PN结的电容效应 二极管的两极之间有电容，此电容由两 部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。 势垒区是积累空间电荷的区域，当电压 变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷 的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。 (1-34) (a) 势垒电容CB 势垒电容示意图 (1-35) (b) 扩散电容CD 扩散电容示
12、意图 (1-36) 为了形成正向电流（扩散电流），注入 P区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近 PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同 理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积 累的电荷多。 P+-N 这样所产生的电容就是扩散电容CD。 (1-37) CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而 反向偏置时，载流子很少，扩散电容可忽略 。 PN结高频小信号时的等效电路： 势垒电容和扩散电 容的综合效应 rd (1-38) 1.2.1 半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管 。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面 型三大类。 (1) 点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，
13、用 于检波和变频等高频电路。 (a)点接触型二极管的结构示意图 (1-39) 点接触结构 PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 引线 外壳线 触丝线 基片 点接触型 (1-40) (3) 平面型二极管 往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关 电路中。 (2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大 电流整流电路。 (b)面接触型 (c)平面型 阴极阴极 引线引线 阳极阳极 引线引线 P N P型支持衬底型支持衬底 (4) 二极管的代表符号 (d) 代表符号代表符号 k 阴极阴极阳极阳极 a (1-41) PN结 面接触型 P N 1.2 1.2 半导体二极管
14、 (1-42) 半导体二极管图片 (1-43) (1-44) end (1-45) 1.2.2 二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线可用下式表示 )1( / SD D = = T Vv eIi 0 D/V 0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 40 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/ A iD/mA 死区死区 Vth VBR 硅二极管2CP10的V-I 特性 0 D/V 0.2 0.4 0.6 20 40 60 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/ A iD/mA Vth VBR 锗二极管2AP15的V-I 特性 + iD vD - R 正向特性
15、 反向特性 反向击穿特性 (1-46) 温度对伏安特性的影响 U I 死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V 。 导通压降: 硅 管0.60.7V,锗 管0.20.3V。 反向击穿电 压U(BR) )1(= kT qu eIsI ( 1.1.2 ) (1-47) 1.2.3 二极管的主要参数 (1) 最大整流电流IF (2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM (3) 反向电流IR (4) 最高工作频率 fM (1-48) 补充参数: (电信专业) （5）最大整流电流 IOM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正 向平均电流。注意与IF的关系 (6) 正向压降VF (7) 极间电容CB、CD (1-49) 1.2.4 二极管的等效电路 能够用简单、理想的模型来模拟电子 器件的复杂特性或行为的电路称为等效电路， 也称为等效模型。 能够模拟二极管特性的电路称为二极管的 等效电路，也称为二极管的等效模型。 (1-50) 1. 理想模型3. 折线模型2. 恒压降模型 一、由伏安特性折线化得到的等效电路 (1-51) 小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时， 其正向特性可以等效成一个微变电阻。 D D d i v r = = 即)1( / SD D = = T Vv eIi根据 得Q点处的微变电导 Q d dv di g r D D d 1 = Q Vv T T e
