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1、1.1 半导体的基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 双极型三极管,1.4 单极型场效应管,1. 5 半导体器件的测试,本章内容,第1章 半导体器件,1.1 半导体的基础知识,物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料有锗、硅、硒、砷化镓及大多数金属氧化物和硫化物。,图1-1 本征半导体共价键结构示意图,图1-2 本征半导体中的自由电子和空穴,1.1.1 本征半导体,纯净晶体结构的半导体称为本征半导体,共价键,空穴,自由电子,1.1.2 杂质半导体,本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征半导体载流子的浓度很低，所以它们的导电能力很差。当
2、我们人为地、有控制地掺入少量的特定杂质时，其导电性将产生质的变化。,掺入杂质的半导体称为杂质半导体。,图1-3 N型半导体,图1-4 P型半导体,由于杂质原子的最外层有5个价电子，因此它与周围4个硅(锗)原子组成共价键时由于存在多余的价电子而产生大量的自由电子,杂质原子的三个价电子与周围的硅原子形成共价键时由缺少价电子而形成大量空穴,图1-5 PN结的形成 a)多数载流子的扩散运动 b)平衡时阻挡层形成,在P区和N区的交界面处形成了电场（称为内电场）,耗尽区 空间电荷,1.1.3 PN结的形成及特性,由于自由电子和空穴的浓度相差悬殊，因而将产生扩散运动,若将电源的正极接N区，负极接P区，则称此
3、为反向接法或反向偏置,将电源的正极接P区，负极接N区，则称此为正向接法或正向偏置,2.PN结的单向导电特性 在PN结外加不同方向的电压呈现出单向导电特性。,限制电阻R,反向饱和电流,1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的结构和类型,1二极管的种类 二极管的类型很多，按制造材料分，有硅二极管和锗二极管。从二极管的结构来分，有以下几种类型： 点接触二极管 面接触二极管 硅平面型二极管,图1-7 半导体二极管的结构和符号 a)点接触型 b)面接触型 c)平面型 d)符号,二极管的符号,点接触二极管,面接触二极管,硅平面型二极管,1.2.2 半导体二极管的特性,二极管的性能可用其伏安特性来描
4、述。一个典型的二极管的伏安特性如图1-8所示。,图1-8 二极管的伏安特性曲线,正向特性,反向特性,当加在二极管两端的正向电压低于某一数值时，正向电流很小，只有当正向电压高于某一值后，才有明显的正向电流。该电压称为导通电压，又称为门限电压或死区电压，用Uon表示。在室温下，硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。,反向击穿电压,描述器件的物理量，称为器件的参数。它是器件特性的定量描述，也是选择器件的依据。各种器件的参数可由手册查得。二极管的主要参数有下面几个。,（1）最大整流电流IF。它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于IF ，如超过IF ，二极管将过热而烧毁。此值取决
5、于PN结的面积、材料和散热情况。,1.2.3 半导体二极管的主要参数,（2）最大反向工作电压UR。这是二极管允许的最大工作电压，当反向电压超过此值时，二极管可能被击穿。为了留有余地，通常取击穿电压的一半作为UR。,(3）反向电流IR。指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小，二极管的单向导电性越好，由于反向电流是由少数载流子形成，所以IR值受温度的影响很大。,除上述主要参数之外，尚有最高工作频率结电容，工作温度等参数。,1.2.4 半导体二极管的应用,二极管的运用基础，就是二极管的单向导电特性。因此，在应用电路中，关键是判断二极管的导通或截止。二极管导通时一般用电压源UD=0.7V(锗管用0.3
6、V)代替，或近似用短路线代替。截止时，一般将二极管断开，即认为二极管反向电阻为无穷大。,（1）限幅电路。当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压随输入电压相应变化；当输入电压超出该范围时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。,如图1-9所示由半导体二极管组成的限幅电路。其波形图如图1-10所示。,图1-9 二极管组成的限幅电路,V=0V，限幅电平为0V，Ui0V时二极管导通，Uo=0V；Ui0V，二极管截止， Uo= Ui。,0V，二极管导通，Uo=V；UiV，二极管截止，Uo=Ui。,UmV，二极管导通，uo=V；uiV，二极管截止，uo=ui。,a) b) c) 图1-10 波形图 a)V
7、=0V b)0VUm c）UmV0,(2）二极管组成的门电路。二极管组成门电路，可实现一定的逻辑运算。如图1-11所示，该电路中只要有一路输入信号为低电平，输出即为低电平；仅当全部输入为高电平时，输出才为高电平，这在逻辑运算中称为“与”运算。,图1-11 二极管与门电路,1.2.5 半导体二极管的使用常识,1二极管的型号 国家标准（GB249-74）规定，国产半导体器件的型号有五部分组成：,如，硅整流二极管252,2.二极管的选管规则 首先要保证所选管子安全可靠工作，也就是被选用的管子在使用时流过的正向电流不能超过最大整流电流，管子承受的反向电压不能超过最高反向工作电压，并留有一定余量，而且所
8、选用的管子应具有良好的性能。此外，根据不同的技术要求，应结合不同材料和结构的管子所具有的特点，选用经济实用的管子。若要求导通压降小，工作电流小，而频率较高时应选用点接触型锗管；若要求工作电流大，反向电流小，反向电压高且热稳定性较好时，选用面接触型硅管为宜。,1.2.6 特殊二极管,1稳压二极管 稳压二极管的工作原理是利用PN结的击穿特性。由二极管的特性曲线可知，如果二极管工作在反向击穿区，则当反向电流在较大范围内变化 时，管子两端电压相应的变化 却很小，这说明它具有很好的稳压特性。其电路符号和伏安特性,如图1-12所示:,图1-12 稳压管的符号和伏安特性 a)符号 b)伏安特性,稳压二极管的
9、主要参数,稳定电压是稳压管工作在反向击穿时的稳定工作电压,稳定电流是指使稳压管正常工作时的最小电流，低于此值时稳压效果较差,（3）电压温度系数a 。a 指稳压管温度变化1时，所引起的稳定电压变化的百分比。,(4）动态电阻Rz。,Rz是稳压管工作在稳压区时，两端电压变化量与电流变化量之比，,即：,Rz=,（5）额定功耗Pz。由于稳压管两端的电压值为Uz ,流过管子的电流为Iz ,因此管子消耗的功率为 Pz=UzIz。这部分功耗转化为热能，会使稳压管发热。Pz取决于稳压管允许的温升。,使用稳压管组成稳压电路时，需要注意几个问题。,，应保证稳压管正常工作在反向击穿区。,，稳压管应与负载并联。,，必须
10、限制流过稳压管的电流 Iz,使其不超过规定值，通常接限流电阻，以免因过热而烧毁管子。,2.发光二极管,发光二极管简称LED(light-emitting diode)，它是一种将电能转换为光能的半导体器件。符号如图1-13所示。,图1-13 发光二极管符号,关于发光二极管作以下说明：,（1）发光二极管常用显示器件，如指示灯等。,（2）工作时加正向电压。,（4）发光二极管导通时管压降为1.8V2.2V。,（3）要加限流电阻，工作电流一般为几毫安至十毫安，电流大，发光强。,1.3 晶体管,晶体管又称为双极型三极管(BJT，Bipolar Junction Transistor）、晶体三极管、半导体
11、三极管。它是组成各种电子电路的核心器件。,1.3.1 晶体管的结构及类型,晶体管是由两个PN结组成，按PN结的组成方式，晶体管有PNP型和NPN型两种类型。,图1-14 晶体管的结构示意图和符号 a) NPN型 b)PNP型,集电极(c),集电区,集电结,基极(b),发射结,发射区,发射极(e),基区,1.3.2 晶体管的电流分配关系和电流放大作用,晶体管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间的相互影响，使晶体管表现出不同于单个PN结的特性。晶体管最重要的特性是具有电流放大作用。,为了了解晶体管的电流分配关系和电流放大原理，我们先做一个简单的试验，实验电路如图1-15所示。,图1-1
12、5 晶体管电流放 大实验电路,首先，要使晶体管能正常工作，必须外加合适的电压。即发射结加正向电压（正向偏置）。集电结加反向电压（反向偏置）。如图1-15所示。这种以发射集为公共端的接法称为共发射集接法。,改变可变电阻Rb的阻值，使基极电流Ib为不同的值，测出相应的集电极电流IC和发射极电流 Ie 。测量结果列于表1-2中。,表1-2 晶体管各极电流测量值,将表中数据进行比较分析，可得出如下结论：,（1）观察实验数据中的每一列，可得,三个电流之间的关系符合基尔霍夫电流定律。,（2）Ic稍小于 Ie,而比Ib大的多。Ic与 Ib的比值远大于1，且在一定范围内基本不变。例如由表1-2中第三列和第四列
13、的数据，可得,特别是在基极电流产生微小变化 时，集电极电流则产生较大的变化 。例如由表1-2中第三列和第四列数据，可得:,这就是晶体管的电流放大作用。把集电极电流 Ic与基极电流 Ib之比称为共发射极直流电流放大系数，用 表示，即,集电极电流变化量 与基极电流变化量 之比值称为共发射极交流电流放大系数，用 表示，即,晶体管的电流放大系数，它反映了晶体管的电流的放大能力，或者说 对 的控制能力。体现了晶体管的电流放大作用。,1.3.3 晶体管的特性曲线,图1-17 晶体管的输入特性曲线 图1-18 晶体管的输出特性曲线,截止区,放大区,饱和区,当 不变时，输入回路中的电流 与电压 之间的关系曲线
14、称为输入特性，即,当 不变时，输出回路中的电流 与电压 之间的关系曲线称为输出特性。,1.3.4 晶体管的主要参数,1电流放大系数 晶体管的电流放大系数是表征管子放大作用的参数。有以下几种：,2极间反向电流,共发射极交流电流放大系数,共发射极直流电流放大系数,集电极-基极反向饱和电流 。它表示发射极开路，集电极、基极之间的反向电流。,3极限参数,(2)集-射极反向击穿电压 是在基极开路时加在集-射极间的最大允许电压 。,集电极-发射极穿透电流 。它表示基极开路，集电极、发射极之间的电流。,(1)集电极最大允许电流 。由于晶体管的电流放大系数 值与工作电流有关，工作电流太大， 就下降，使晶体管的
15、性能下降，也使放大的信号产生严重失真。,(3)集电极最大允许功率损耗 。当晶体管工作时，管子两端的电压为 集电极电流 为 ,因此集电极消耗的功率为：,1.4 场效应晶体管,场效应晶体管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。,1.4.1 场效应晶体管的特点和分类,场效应晶体管特点：,（1）体积小、重量轻、寿命长；,（3）耗电省。,（2）输入回路的内阻高达 ，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强；,场效应晶体管分类：,结型场效应晶体管和绝缘栅型场效应晶体管。,从导电沟道来区分，有N沟道和P沟道两种类型。,1.4.2
16、 绝缘栅型场效应晶体管,绝缘栅型场效应晶体管通常由金属、氧化物和半导体制成，所以又称为金属氧化物半导体场效应管，简称为MOS管。,下面以N沟道增强型MOS管为例，介绍其结构、工作原理和特性曲线。,图1-20 N沟道增强型MOS管的结构示意图,以一块低掺杂的P型硅片为衬底，利用扩散工艺制出两个高掺杂的N区，并引出两个电极，分别为源极s和漏极d，,半导体之上制作一层SiO2绝缘层，再在SiO2之上制作一层金属铝，引出电极，作为栅极g,图1-21 N沟道增强型MOS管的符号,（2）工作原理,当 时，漏一源之间是两只背阳的PN结，漏极电流,a) b) 图1-22 对导电沟道的控制作用 a) ， b),当 时，漏极电流为零。增大时，一方面耗尽层增宽，另一方面将衬底的自由
