1第三章半導體器件3.1半導體及PN結3.2

二極管及其應用3.3

三極管3.4場效應管2圖

本征半導體的共價鍵結構3.1.1本征半導體及其導電性3.1.半導體及PN結圖

電子和空穴的移動1.本征半導體2.本征激發自由電子空穴復合自由電子空穴載流子:運載電荷的粒子3本征半導體及其導電性

本征半導體——化學成分純凈的半導體晶體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結構上呈單晶體形態。(1）本征半導體的共價鍵結構

硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。4

（2）電子空穴對

當導體處于熱力學溫度0K時，導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫共價鍵的束縛，而參與導電，成為自由電子。

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現正電性的這個空位為空穴。

這一現象稱為本征激發，也稱熱激發。5圖1N型半導體的共價鍵結構3.1.2雜質半導體3.1半導體及PN結圖2P型半導體的共價鍵結構1.N型半導體摻入少量的五價元素磷P2.P型半導體摻入少量的三價元素硼B自由電子是多數載流子（簡稱多子）空穴是少數載流子（簡稱少子）空穴是多數載流子自由電子為少數載流子。6圖PN結的形成(a)載流子的擴散(b)空間電荷區(c)結區電位分布曲線3.1.3PN的形成3.1半導體及PN結1.PN結的形成7PN結的形成

在一塊本征半導體兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:

因濃度差

多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區

空間電荷區形成內電場

內電場促使少子漂移

內電場阻止多子擴散8

最后多子擴散和少子的漂移達到動態平衡。對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區稱為

PN結,在空間電荷區，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

9

圖

外加正向電壓時的PN結圖

外加反向電壓時的PN結3.1.4PN結的單向導電性3.1半導體及PN結10

如果外加電壓使PN結中：P區的電位高于N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；

PN結具有單向導電性，若外加電壓使電流從P

區流到N

區，PN結呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。P區的電位低于N區的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。11圖PN結伏安特性3.1.5PN結的伏安特性正向特性反向特性反向擊穿特性倍增效應雪崩擊穿齊納擊穿3.1半導體及PN結12圖1勢壘電容與外加電壓關系圖2擴散電容效應(1)勢壘電容CB(2)擴散電容CD3.1.6.PN結電容效應3.1半導體及PN結13知識小結（半導體及PN結）1.本征半導體：特性、兩種載流子、本征激發與復合2.雜質半導體N型摻雜5價元素，自由電子>空穴P型摻雜3價元素，空穴>自由電子3.PN結的形成：空間電荷區形成并達到穩定寬度。4.單向導電性正偏（P接正N接負）正向導通反偏（P接負N接正）反向截止5.伏安特性143.2二極管及其應用3.2.1二極管的結構與伏安特性3.2.2

二極管的主要參數與等效電路3.2.3

二極管的應用電路3.2.4

其他二極管將PN結封裝，引出兩個電極，就構成了二極管。小功率二極管大功率二極管穩壓二極管發光二極管1.

二極管的結構3.2.1

二極管的結構與伏安特性圖3.2.1半導體二極管的結構及符號3.2.1

二極管的結構與伏安特性圖3.2.2幾種常見二極管的結構及符號(a)

點接觸型(b)

面接觸型(c)

平面型點接觸型：結面積小，結電容小故結允許的電流小最高工作頻率高面接觸型：結面積大，結電容大故結允許的電流大最高工作頻率低平面型：結面積可小、可大小的工作頻率高大的結允許電流大材料開啟電壓導通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓溫度的電壓當量二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。3.2.1

二極管的結構與伏安特性2.

二極管的伏安特性18(a)硅二極管的2CP10的伏安特性（b）鍺二極管2AP15的伏安特性圖3.2.3二極管的伏安特性曲線3.2.1

二極管的結構與伏安特性正向特性為指數曲線反向特性為橫軸的平行線3.2.1

二極管的結構與伏安特性單向導電性伏安特性受溫度影響T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移增大1倍/10℃3.2.1

二極管的結構與伏安特性21IF

、UR

和fM均為極限參數，實際使用中不能超過。3.2.2

二極管的主要參數與等效電路1.二極管的主要參數最大整流電流IF：最大平均值最大反向工作電壓UR：最大瞬時值反向電流IR：即IS最高工作頻率fM：因PN結有電容效應理想二極管近似分析中最常用理想開關導通時UD＝0截止時IS＝0導通時UD＝Uon截止時IS＝0導通時△i與△u成線性關系應根據不同情況選擇不同的等效電路！將伏安特性折線化？100V？5V？1V？3.2.2

二極管的主要參數與等效電路2.二極管的等效電路微變等效電路Q越高，rd越小。

當二極管在靜態基礎上有一動態信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態電阻，也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用小信號作用靜態電流3.2.2

二極管的主要參數與等效電路24如何判斷二極管的工作狀態，求解輸出電壓。定性分析：判斷二極管的工作狀態—導通還是截止？開路電壓法：確定參考零電位點；二極管視為開路，求和；分析兩端電位差，判導通或截止；求輸出。3.2.2

二極管的主要參數與等效電路3.

開路電壓法25知識總結2.二極管及其應用二極管基本特性：單向導電性、溫度特性主要參數：IF、UBR、IR、fM

等效電路：理想模型（理想開關）

恒壓降模型（開啟電壓近似為導通壓降）開路電壓法：視開路，求UD+-UD-，判斷工作狀態26

圖3.2.3單相半波整流電路3.2.3

二極管的應用電路1.

整流電路將交流電變換成大小波動、方向不變的脈動電的過程稱為整流。27

（a）電路圖

（b）v2和vo的波形圖3.2.4單向全整流電路【思考題】二極管電路如圖3.2.4(a)所示，已知u1為正弦信號，D為理想二極管，試分析電路輸出電壓uo的波形。3.2.3

二極管的應用電路283.2.3

二極管的應用電路2.

限幅電路限幅電路的作用是把輸出信號幅值限定在一定范圍。圖3.2.5二極管限幅電路29穩壓二極管又稱齊納二極管，是一種特殊的硅材料二極管，由于其在一定條件下能起到穩定電壓的作用，故稱為穩壓管。其符號如圖3.2.6所示。圖3.2.6穩壓二極管的外形圖及符號(a)外形圖(b)符號3.2.4

其他二極管1.

穩壓二極管伏安特性進入穩壓區的最小電流不至于損壞的最大電流

由一個PN結組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內端電壓基本不變，為穩定電壓。主要參數穩定電壓UZ、穩定電流IZ最大功耗PZM＝IZMUZ動態電阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ

若穩壓管電流太小則不穩壓，太大則會因功耗過大而損壞，因而穩壓管電路中必需有限制穩壓管電流的限流電阻！限流電阻斜率？3.2.4

其他二極管31輸入電壓變化，輸入電流隨之變化，穩壓管中電流同步變化，但輸出電壓基本不變；

負載電阻變化，輸出電流隨之變化，穩壓管中電流反向變化，電壓仍不變。圖3.2.7穩壓管穩壓電路限流電阻，保證穩壓安全地工作在穩壓狀態。工作區：反向擊穿區接法：反接RL：負載穩壓電路工作原理3.2.4

其他二極管32光電二極管是一種將光信號轉化成電信號的器件。該器件PN結在反偏下運行，反向電流隨光照強度增加而上升。外形圖及符號如圖3.2.8所示。圖3.2.8光電二極管的符號（a）外形圖（b）符號3.2.4

其他二極管2.

光電二極管33圖3.2.9光電二極管電路圖（a）等效電路（b）基本電路工作區：反向偏置接法：反接作用：把光信號轉換成電信號3.2.4

其他二極管電路原理34光電二極管工作在反偏狀態下，無光照時，具有單向導電性；有光照時，特性曲線下移，三象限特性曲線平行橫軸，四象限時呈現光電池特性。圖3.2.10光電二極管的特性曲線暗電流光電流3.2.4

其他二極管特性曲線35發光二極管簡稱LED，是一種能將電能轉換成光能的半導體材料，外形圖及符號如圖3.2.11所示。圖3.2.11發光二極管的外形圖及符號（a）外形圖（b）符號3.2.4

其他二極管3.

發光二極管特點：體積小、工作電壓低、發光均勻穩定、壽命長等。36工作區：正向偏置接法：正接作用：把電信號轉換成光信號主要應用：作為顯示器圖3.2.12發光二極管電路圖（a）光—電轉換電路（b）基本電路3.2.4

其他二極管電路原理37知識總結2.二極管及其應用二極管基本特性：單向導電性、溫度特性主要參數：IF、UBR、IR、fM

等效電路：理想模型（理想開關）

恒壓降模型（開啟電壓近似為導通壓降）開路電壓法：視開路，求UD+-UD-，判斷工作狀態基本電路：整流電路、限幅電路特殊二極管：穩壓、光電、發光383.3

三極管3.3.1三極管的結構及類型3.3.2

三極管電流關系及輸入/輸出特性3.3.3

三極管主要參數及溫度影響中功率管大功率管為什么有孔？1.

三極管的結構3.3.1

三極管的結構及類型小功率管

半導體三極管又稱晶體三極管（簡稱晶體管），是按照一定的工藝將兩個PN結結合在一起的半導體器件，是電子線路的核心器件，具有電流放大作用。多子濃度高多子濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個極、三個區、兩個PN結。2.

三極管的類型-NPN管3.3.1

三極管的結構及類型圖3.3.1

NPN結構示意圖及符號(a)NPN管結構示意圖(b)NPN管電路符號發射結正偏時射極電流方向多子濃度高多子濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個極、三個區、兩個PN結。2.

三極管的類型-PNP管3.3.1

三極管的結構及類型圖3.3.2

PNP結構示意圖及符號(a)PNP管結構示意圖(b)PNP管電路符號發射結正偏時射極電流方向42圖3.3.3

三極管內部載流子的傳輸過程

三極管內部載流子的傳輸過程發射結加正偏電壓集電結加反偏電壓(1)發射區向基區注入載流子(2)載流子在基區擴散與復合(3)集電區收集

載流子ICN注意：

少數載流子的漂移運動ICBO

1.

工作原理3.3.2

電流關系及輸入/輸出特性電流分配：IE＝IB＋IC

IE－擴散運動形成的電流

IB－復合運動形成的電流

IC－漂移運動形成的電流穿透電流集電結反向電流直流電流放大系數交流電流放大系數為什么基極開路集電極回路會有穿透電流？2.

電流分配關系3.3.2

電流關系及輸入/輸出特性44共基極

共發射極

共集電極圖3.3.4BJT的三種連接方式（或稱為三種組態）注意：

無論是哪種連接方式，要使三極管有放大作用，都必須保證發射結正偏、集電結反偏，則三極管內部載流子的運動和分配過程，以及各電極的電流將不隨連接方式的變化而變化。電流傳輸關系:輸出端電流與輸入端電流之間的關系。3.3.2

電流關系及輸入/輸出特性為什么UCE增大曲線右移？

對于小功率晶體管，UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以取代UCE大于1V的所有輸入特性曲線。為什么像PN結的伏安特性？為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了？

輸入特性3.

輸入/輸出特性3.3.2

電流關系及輸入/輸出特性

輸出特性β是常數嗎？什么是理想晶體管？什么情況下?對應于一個IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。

為什么uCE較小時iC隨uCE變化很大？為什么進入放大狀態曲線幾乎是橫軸的平行線？飽和區放大區截止區3.3.2

電流關系及輸入/輸出特性

直流參數：、、ICBO、ICEOc-e間擊穿電壓最大集電極電流最大集電極耗散功率，PCM＝iCuCE安全工作區

交流參數：β、α、fT（使β＝1的信號頻率）

極限參數：ICM、PCM、U（BR）CEO3.3.3

主要參數及溫度影響1.

主要參數3.3.3

主要參數及溫度影響2.

溫度對特性曲線的影響49知識總結1.半導體及PN結半導體材料的特性：光敏、溫敏本征半導體：本征激發

復合

兩種載流子雜質半導體：N型（5價元素、自由電子>空穴）

P型（3價元素、空穴>自由電子）PN結：多子擴散形成空間電荷區正向導通（P正、N負，促擴散阻漂移）

反向截止（P負、N正，促漂移阻擴散）50知識總結PN結伏安特性：PN結電容效應：Cj=Cb+Cd51知識總結2.二極管及其應用二極管基本特性：單向導電性、溫度特性主要參數：IF、UBR、IR、fM

等效電路：理想模型（理想開關）

恒壓降模型（開啟電壓近似為導通壓降）開路電壓法：視開路，求UD+-UD-，判斷工作狀態基本電路：整流電路、限幅電路特殊二極管：穩壓、光電、發光52知識總結3.三極管結構與類型：NPN管、PNP管（3區3電極，2PN結）輸入/輸出特性：工作原理：放大條件（發射結正偏，集電結反偏）

電流關系溫度對特性曲線的影響：533.4場效應管3.4.1結型場效應管3.4.2絕緣刪型效應管54

一、結型場效應管的結構和工作原理3.4.1結型場效應管1.結構圖1N溝道結型場效應管(a)結構剖面圖(b)結構示意圖(b)符號導電溝道55一、結型場效應管的結構和工作原理2.工作原理(a)vGS＝0 (b)VP＜vGS＜0時 (c)vGS≤VP時圖2vDS＝0時，柵源電壓vGS改變對導電溝道的影響(1)vGS對導電溝道及iD的控制作用

當vGS0時，在反偏電壓vGS作用下，兩個PN結的耗盡層將加寬。由于P＋區，所以耗盡層主要向溝道擴展，使導電溝道變窄，溝道電阻增大。

當|vGS|進一步

到|VP|時，兩側耗盡層在中間合擾，溝道全部被夾斷，此時漏-源極間的電阻將趨于無窮大。相應的柵源電壓稱為夾斷電壓VP。3.4.1結型場效應管56

(2)vDS對iD的影響(a)vDS＜vGS

VP時的情況 (b)vDS=vGS

VP時的情況 (c)vDS＞vGS

VP時的情況圖3vGS為固定值時，vDS對iD的影響一、結型場效應管的結構和工作原理2.工作原理

當vDS0時，則iD0，在溝道內產生電位梯度。使柵極與溝道之間的電位差不相等，導電溝道呈楔形。故vDS

，靠近漏極的導電溝道變窄，溝道電阻增加。

在vDS較小時，阻礙的因素是次要的，iD將隨vDS

幾乎成正比地增加(可變電阻)

當vDS

=vGS

VP(vGD＝vGS－vDS＝VP)時，靠近漏極的耗盡層在A點相遇(預夾斷)

若vDS繼續

，夾斷區加長。vDS增加部分主要降落在夾斷區，形成較強的電場，將電子拉過夾斷區形成iD。溝道內電場基本上不隨vDS而變化，所以iD趨于飽和。3.4.1結型場效應管57二、結型場效應管的特性曲線及參數圖4N溝道結型場效應管的輸出特性圖5

N溝道結型場效應管的轉移特性3.4.1結型場效應管58

一、N溝道增強型MOS場效應管3.4.2絕緣刪型場效應管BJT三極管場效應管電流控制電流型器件電壓控制電流型器件雙極型器件單極型器件場效應管按基本結構分類:金屬一氧化物-半導體場效應管（MOSFET）結型場效應管（JFET）N溝道（電子型）P溝道（空穴型）增強型耗盡型重點討論N溝道增強型MOS管1.結構2.工作原理3.特性曲線與特性方程591.結構一、N溝道增強型MOS場效應管(a)結構圖(b)結構剖面圖(c)電路符號圖1N溝道增強型MOSFET結構及符號602.工作原理一、N溝道增強型MOS場效應管（1）vGS對iD的控制作用①

vGS＝0，沒有導電溝道②

vGS≥VT時，出現N型溝道（2）vDS對iD的影響①

vDS較小時，iD迅速增大②

vDS較大出現夾斷時，iD趨于飽和612.工作原理（1）vGS對iD的控制作用（a）（b）一、N溝道增強型MOS場效應管①

vGS＝0，沒有導電溝道②

vGS≥VT時，出現N型溝道

在vGS作用下，產生了一個電場，排斥空穴而吸引電子。P型襯底中的電子被吸引到柵極下的襯底表面。

源區、襯底和漏區之間就形成兩個背靠背的PN結，無論vDS的極性如何，總有一個PN結反偏，因此，iD＝0。

當正vGS到達一定數值(開啟電壓)時，這些電子在柵極附近的P型硅表面便形成了一個N型薄層，稱之為反型層(導電溝道)。(增強型)vGS愈大，導電溝道愈厚，溝道電阻的阻值將愈小(場效應－電壓控制)。622.工作原理8.1.1N溝道增強型MOS場效應管（d）（c）①

vDS較小時，iD迅速增大②

vDS較大出現夾斷時，iD趨于飽和（2）vDS對iD的影響

導電溝道形成后加上vDS，將產生iD。在vGS和vDS共同作用下的綜合電位梯度，使得溝道厚度不均勻，靠近漏極一端的溝道最薄。

當vDS較小時，溝道厚度不均勻現象對溝道影響較小。

當vDS

到使vGD=vGS

vDS=VT時，漏極一端的溝道厚度為零，這種情況稱為預夾斷。

當vDS繼續，使vGS

vDS<VT時，形成一夾斷區。vDS

部分主要降落在夾斷區，形成較強的電場，電子仍能克服夾斷區阻力到達漏極。但導電溝道的電場基本上不隨vDS

而

，iD趨于飽和，僅取決于vGS。632.工作原理一、N溝道增強型MOS場效應管圖2N溝道增強型MOSFET的基本工作原理示意圖①當vGS＜VT

時，沒有導電溝道，iD＝0。②當vGS≥VT，導電溝道形成，iD

0。

vDS較小，導電溝道預夾斷前，iD與vDS成線性關系。

當vDS

到預夾斷出現后，iD趨于飽和。③漏極電流iD受柵源電壓vGS控制，因此場效應管是電壓控制電流器件。由上述分析可知：643.特性曲線與特性方程一、N溝道增強型MOS場效應管(1)輸出特性及特性方程(2)轉移特性(1)輸入特性曲線(2)輸出特性曲線65(1)

輸出特性及特性方程3.特性曲線與特性方程

一、N溝道增強型MOS場效應管圖3N溝道增強型MOS管輸出特性①

截止區②

可變電阻區③

飽和區（恒流區、放大區）vGS<VT，沒有導電溝道，iD＝0。vGS＞VT，有溝道；但vDS≤(vGS

VT)，導電溝道未預夾斷。漏源之間可以看成受vGS控制的可變電阻vDS≥(vGS

VT)，導電溝道預夾斷后。66(2)

轉移特性3.特性曲線與特性方程

一、

N溝道增強型MOS場效應管圖4N溝道增強型MOS管轉移特性圖3N溝道增強型MOS管輸出特性

轉移特性可以直接從輸出特性上用作圖法求出。在飽和區內，不同vDS下的轉移特性基本重合。67

二、

N溝道耗盡型MOS場效應管(a)結構剖面圖圖5N溝道耗盡型MOSFET(b)電路符號1.結構和工作原理簡述耗盡型與增強型的區別:生產耗盡型MOS管時，在SiO2絕緣層中摻入大量正離子。在正離子的作用下，即使vGS=0，也會在P型襯底上感應出電子，形成N型溝道，此時只要加上正的vDS，就會產生電流iD。當vGS

＜0時，則溝道變窄，從而使iD減小。當vGS

＞0時，柵極與溝道間的電場將在溝道中感應出更多的電子，使溝道變寬，溝道電阻減小，iD增加。當vGS＜0并達到某值時，使感應的電子消失，溝道完全被夾斷。這時即使加正向vDS，也不會有電流iD。此時的柵源電壓稱為夾斷電壓Vp。3.4.2絕緣刪型場效應管68

二、N溝道耗盡型MOS場效應管2.特性曲線與特性方程圖6N溝道耗盡型MOS管特性曲線(a)輸出特性曲線(b)轉移特性①

截止區②

可變電阻區③飽和區（恒流區、放大區）vGS＜VP，iD=0vGS＞VP，0＜vDS＜vGS

VP

vGS＞VP，vDS≥vGS

VP

3.4.2絕緣刪型場效應管69

三、

P溝道MOS場效應管P溝道MOS管是在N型襯底表面生成P型反型層作為溝道。P溝道MOS管與N溝道MOS管的結構和工作原理類