第4章 常用半導體器件原理2013

4.1半導體物理基礎

4.2PN結(jié)

4.3晶體二極管

4.4雙極性晶體管

4.5場效應管第4章常用半導體器件原理

4.1

半導體物理基礎

用于制造半導體器件的材料主要是硅、鍺和砷化鎵等。半導體的導電能力介于導體和絕緣之間，并且會隨溫度、光照或摻入某些雜質(zhì)而發(fā)生顯著變化。要理解這些特性，必須從半導體及其原子結(jié)構談起。

4.1.1本征半導體無摻雜的純凈的單晶半導體，稱為本征半導體。硅和鍺都是4價元素，其簡化原子結(jié)構模型如圖所示。在本征硅和鍺的單晶中，原子按一定規(guī)律整齊排列，并通過共價鍵把相鄰原子牢固地連系在一起。如圖所示。價電子共價鍵中的電子(價電子)，不能參與導電。

1.本征激發(fā)與復合自由電子｛本征激發(fā)空穴統(tǒng)稱載流子〉吸收能量由于電子和空穴相互吸引，還會發(fā)生激發(fā)的逆過程—復合。復合〉空穴自由電子釋放能量消失一對電子空穴在一定溫度下，最終激發(fā)和復合達到動態(tài)平衡。使本征半導體內(nèi)的載流子數(shù)一定。動畫相鄰電子過來填補空位自由電子空位+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4空位的自由移動復合〉空穴自由電子釋放能量消失一對電子空穴空穴2.本征載流子濃度本征激發(fā)和復合處于平衡時，本征載流子的濃度為式中:ni和pi分別為自由電子和空穴的本征濃度(cm-3)；T為熱力學溫度(K)；EG0為T=0K時的禁帶寬度(硅為1.21eV，鍺為0.78eV)；k為玻爾茲曼常數(shù)(8.63×10-6V/K)；A0是與半導體材料有關的常數(shù)。在室溫下(T=300K)，本征半導體中載流子數(shù)極少，因而導電能力極弱。4.1.2N型與P型半導體1.

N型半導體：在本征半導體中摻入少量五價元素(如磷、砷、銻等)。

N型半導體中

nn>>pn電子為多數(shù)載流子(簡稱多子)空穴為少數(shù)載流子(簡稱少子)+4+4+4+4+5+4+4+4+4鍵外電子由于

pn+正離子數(shù)=nn所以N型半導體仍是電中性的。+1空穴自由電子+42.

P型半導體：在本征半導體中摻入三價元素(如硼、鋁、銦等)。P型半導體中

pp>>np

空穴為多數(shù)載流子(多子)

電子為少數(shù)載流子(少子)+4+4+4+4+3+4+4+4+4

由于np+負離子數(shù)=pp所以P型半導體也是電性中的。-1空穴自由電子空位+43.雜質(zhì)半導體的載流子濃度雜質(zhì)半導體中，多子濃度主要由摻雜濃度決定,而少子濃度，因摻雜不同會隨多子濃度的變化而改變。在熱平衡下，兩者之間有如下關系：多子濃度值與少子濃度值的乘積恒等于本征載流子濃度值ni的平方。N型半導體

P型半導體由以上分析可知通過控制摻雜濃度可以嚴格控制多子濃度,而溫度變化對其影響很小；少子濃度主要由本征激發(fā)決定，因而溫度變化時，

少子濃度將會發(fā)生明顯變化。

本征半導體通過摻雜，可以大大改變體內(nèi)載流子濃度，并使一種載流子多，而另一種載流子少；

4.1.3漂移電流和擴散電流半導體中的電流包括漂移電流和擴散電流。

1.漂移電流：在電場作用下，半導體中的載流子作定向漂移運動形成的電流，如圖所示?？昭ㄗ杂呻娮覰

型半導體電場方向總漂移電流是電子漂移電流和空穴漂移電流之和，即

I=Ip－(－

In)=Ip+

Inx自由電子濃度分布n(x)x或

正比于

擴散電流正比于載流子的濃度梯度即濃度差:

2.擴散電流：在載流子濃度梯度作用下，半導體中的載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散形成的電流。

擴散電流是半導體中特有的電流。4.2

PN結(jié)

密度差產(chǎn)生擴散力多子擴散并復合空間電荷區(qū)｛阻止多子擴散引起少子漂移擴散和漂移對立的統(tǒng)一4.2.1

PN結(jié)的形成形成內(nèi)電場PNU---------------+++++++++++++++PN---------------+++++++++++++++內(nèi)電場B空間電荷區(qū)多子擴散少子漂移

開始時，擴散運動占優(yōu)勢，隨著擴散運動的不斷進行，界面兩側(cè)顯露出的正、負離子逐漸增多，空間電荷區(qū)展寬，使內(nèi)電場不斷增強，于是漂移運動隨之增強，而擴散運動相對減弱。最后，因濃度差而產(chǎn)生的擴散力被電場力所抵消，使擴散和漂移運動達到動態(tài)平衡。空間電荷區(qū)的寬度一定，UB也保持一定。(b)UPN---------------+++++++++++++++內(nèi)電場B空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)(層)、阻擋區(qū)或勢壘區(qū)，統(tǒng)稱為PN結(jié)。內(nèi)電場REPN---------------+++++++++++++++耗盡區(qū)UP>UNUPUN4.2.2

PN結(jié)單向?qū)щ娞匦?/p>

使P區(qū)電位高于N區(qū)電位的接法，稱PN結(jié)加正向電壓或正向偏置(簡稱正偏)，如圖所示。正偏使耗盡區(qū)變窄內(nèi)電場減弱(UB-U)擴散力>電場力多子源源不斷地擴散到對方，形成正向電流。

此外，正向偏壓有微小變化時，會引起正向電流較大的變化。UB－U1.PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場RE

UN>UPPN-------

-----

-

-

-++++++

+

++++++++耗盡區(qū)UNUP反偏使耗盡區(qū)變寬內(nèi)電場增強(UB+U)電場力>擴散力少子漂移到對方形成極小的反向電流。

此外，反向偏壓有很大變化時，反向電流基本不變。PN結(jié)正偏導通，反偏截止，即具有單向?qū)щ娞匦?。UB＋U

使N區(qū)電位高于P區(qū)電位的接法，稱PN結(jié)加反向電壓或反向偏置(簡稱反偏)，如圖所示。2.PN結(jié)反向偏置3.PN結(jié)電流方程

理論分析證明，按圖示的參考方向流過PN結(jié)的電流i與外加電壓u之間的關系為

式中:IS為反向飽和電流，其大小與PN結(jié)的材料、制造工藝、溫度等有關；

UT=kT/q，稱為溫度的電壓當量或熱電壓。T=300K(室溫)時，UT=26mV。這是一個常用參數(shù)。

對于極性不同的正、反向電壓，|u|只要大于UT幾倍以上，則PN結(jié)電流方程可分別近似為正向偏置反向偏置該式與上述PN結(jié)具有單向?qū)щ娞匦缘慕Y(jié)論完全一致。由此畫出的PN結(jié)伏安特性如下PN結(jié)擊穿iu0u04.2.3PN結(jié)的擊穿特性

當反向電壓超過一定值UBR后，反向電流會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿，并定義UBR為PN結(jié)的擊穿電壓。PN結(jié)發(fā)生反向擊穿的機理可以分為兩種。1.雪崩擊穿在輕摻雜的PN結(jié)中，當外加反向電壓時，耗盡區(qū)較寬，少子漂移通過耗盡區(qū)時被加速，動能增大。外電場使耗層展寬發(fā)生碰撞的連鎖反應，使載流子劇增。雪崩擊穿機理IR2.齊納擊穿(場致?lián)舸?

當反向電壓大到一定值時，強電場足以將耗盡區(qū)內(nèi)中性原子的價電子直接拉出共價鍵，產(chǎn)生大量電子-空穴對，使反向電流急劇增大。電場強度極大IR1.勢壘電容從PN結(jié)的結(jié)構看，在導電性能較好的P區(qū)和N區(qū)之間，夾著一層高阻的耗盡區(qū)，這與平板電容器相似，如圖所示。4.2.4

PN結(jié)的電容特性PN結(jié)具有電容效應，它由勢壘電容和擴散電容兩部分組成。

耗盡區(qū)中存貯的電荷量將隨外加電壓的變化而改變。這一特性正是電容效應，并稱為勢壘電容，用CT表示。理論分析證明：

式中：CT0為外加電壓u=0時的CT值，它由PN結(jié)的結(jié)構、摻雜濃度等決定；UB為內(nèi)建電位差，硅管約為0.7V；n為變?nèi)葜笖?shù)，與PN結(jié)的制作工藝有關，一般在1/3~6之間。

2.擴散電容正向偏置的PN結(jié)，由于多子擴散，會形成一種特殊形式的電容效應。下面利用P區(qū)一側(cè)載流子的濃度分布曲線來說明。

P區(qū)少子濃度分布曲線

N區(qū)電子向P區(qū)擴散，非平衡電子形成曲線①的濃度分布。其存貯的電荷量對應①下的面積。當偏壓增大時，曲線變?yōu)棰谒?，電荷的增加量為△Qn。反之，偏壓減小時，曲線變?yōu)棰鬯?，其電荷的減少量為△Qn。對PN+結(jié)，可以忽略ΔQp/Δu項。經(jīng)理論分析可得

同理，在N區(qū)一側(cè)，非平衡空穴的濃度也有類似的分布和同樣的變化，引起存貯電荷的變化量ΔQp。式中:τn為P區(qū)非平衡電子的平均壽命；I為某一正向偏壓下的直流電流。這種外加電壓改變引起擴散區(qū)內(nèi)存貯電荷量變化的特性，就是電容效應，稱為擴散電容，用CD表示。如果引起ΔQn、ΔQp的電壓變化量為Δu，則CT、CD都隨外加電壓的變化而變化，所以勢壘電容和擴散電容都是非線性電容。

由于CT和CD均等效地并接在PN結(jié)上，因而PN結(jié)上的總電容Cj為兩者之和，即Cj=CT+CD。CTCD因為CT和CD很小，低頻工作時可忽略其影響。但在高頻工作時，必須考慮它們引起的不利影響。正偏時以CD為主，Cj≈CD，其值通常為幾十至幾百pF；反偏時以CT為主，Cj≈CT，其值通常為幾至幾十pF；4.2.5PN結(jié)的溫度特性PN結(jié)特性對溫度變化很敏感，反映在伏安特性上即為：溫度升高，正向特性左移，反向特性下移，如圖中虛線所示。

ui0TT－UBR具體變化規(guī)律是：保持正向電流不變時，溫度每升高1℃，結(jié)電壓減小約(2~2.5)mV，即

溫度每升高10℃，反向飽和電流IS增大一倍小結(jié)1.本征半導體：無摻雜的純凈的單晶半導體。ni=pi2.N型半導體：在本征半導體中摻入五價元素。pp>>np空穴為多子，電子為少子nn>>pn電子為多子，空穴為少子3.

P型半導體：在本征半導體中摻入三價元素。4.PN結(jié)的形成內(nèi)電場UPN---------------+++++++++++++++B空間電荷區(qū)PN結(jié)正偏時導通，反偏時截止。

5.PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?/p>

正向偏置反向偏置iiu0u06.PN結(jié)電流方程7.PN結(jié)伏安特性PN結(jié)擊穿8.PN結(jié)電容，擊穿和溫度特性

4.3晶體二極管

晶體二極管是由PN結(jié)加上電極引線和管殼構成的，其結(jié)構示意圖和電路符號分別如下圖所示。

普通二極管應用最廣。本節(jié)主要討論普通二極管及其應用電路。另外，簡要介紹穩(wěn)壓二極管及其穩(wěn)壓電路。PN正極負極負極正極4.3.1二極管的伏安特性

普通二極管的典型伏安特性曲線如圖所示，與PN結(jié)伏安特性相比，有如下特點：1.正向特性有一導通電壓UD(on)，室溫下，UD(on)=(0.5~0.6)V硅管

UD(on)=(0.1~0.2)V鍺管在正常工作電流范圍內(nèi)，管壓降的變化范圍很?。簎/V0i/mA102030－5－10－0.50.5鍺管(0.2~0.3)V硅管(0.6~0.8)V2.反向特性由于表面漏電流影響，二極管反向電流要比理想PN結(jié)的Is大。對硅管一般小于0.1μA，鍺管小于幾十微安。4.3.2二極管的電參數(shù)

顯然，正向RD隨工作電流增大而減小，反向的RD隨反向電壓增大而增大。如圖中Q1點處的RD小于Q2點處的RD

。一般正向電阻為幾十~幾百歐，反向電阻為幾十~幾百千歐。

顯然，正向電阻越小，反向電阻越大，單向?qū)щ娦阅茉胶谩?UDuIDiQ1Q21.直流電阻RD

2.交流電阻rD

rD定義為：二極管在其工作狀態(tài)(IDQ,UDQ)處的電壓微變量與電流微變量之比，即

rD的幾何意義如圖，即二極管伏安特性曲線上Q(IDQ，UDQ)點處切線斜率的倒數(shù)。rD可以通過對二極管電流方程求導得出，即0UDuIDiQ1Q2ID

可見，rD與工作電流IDQ成反比，并與溫度有關。室溫(T=300K)

條件下:

通過對二極管交、直流電阻的分析可知，由于二極管的非線性伏安特性，所以交、直流電阻均是非線性電阻，即特性曲線上不同點處的交、直流電阻不同，同一點處交流和直流電阻也不相同。

3.最大整流電流IF

IF指二極管允許通過的最大正向平均電流。實際應用時，流過二極管的平均電流不能超過此值。

4.最大反向工作電壓URM

URM指二極管工作時所允許加的最大反向電壓。通常取

UBR的一半作為URM。

5.反向電流IR

IR越小，單向?qū)щ娦阅茉胶?。IR與溫度密切相關，使用時應注意IR的溫度條件。

6.最高工作頻率fM

fM是與結(jié)電容有關的參數(shù)。工作頻率超過fM時，二極管的單向?qū)щ娦阅茏儔?。二極管是一種非線性電阻(導)元件，在大信號工作時，其非線性主要表現(xiàn)為單向?qū)щ娦?，即正偏時呈現(xiàn)低阻，反偏時呈現(xiàn)高阻。而正偏導通后所表現(xiàn)的非線性往往是次要的。4.3.3二極管的簡化電路模型u/V0i/mA102030－5－10－10.5

在工程分析中，器件的模型力求簡單、實用，能突出電路的主要功能及特性。

①.A1BC近似，其模型為圖(a)。其中管壓降UD取0.7V(硅管)或0.3V(鍺管)，導通電阻rD一般為幾十歐姆。(a)

②.A2BC近似，對應模型為圖(b)。保留管壓降UD。(b)

③.A3B0C近似，對應模型為圖(c)。稱為理想二極管。(c)

二極管伏安特性用折線近似后，即可用線性元件來等效各線性段，從而得出電路摸型。根據(jù)不同的應用場合，分別有：以上三種電路模型，是在不同近似條件下模擬了大信號運用時二極管的開關特性。其中(b)、(c)是低頻工作時最常用的近似模型。二極管截止

I=0UD=-5V或I=5/10=0.5mA

實際中，在分析二極管電路時，必須首先判斷管子是正偏導通還是反偏截止。然后用相應模型等效來分析電路。[例1]電路如圖所示，計算二極管中的電流ID。已知二極管的導通電壓UD(on)=0.6V，交流電阻rD近似為零。UA

=－E＋UD(on)＝－6＋0.6＝-5.4V

A解：可以判斷二極管處于導通狀態(tài)，則電路模型:作業(yè)

4-6，4-7,4-9。PN正極負極負極正極在分析實際二極管電路時，必須首先判斷管子是正偏導通還是反偏截止。然后用相應模型等效再來分析電路。

普通二極管的單向?qū)щ娞匦評/V0i/mA102030－5－10－10.74.3.4二極管基本應用電路tui0tuo0

1.二極管整流電路把交流電變?yōu)橹绷麟?，稱為整流。一個簡單的二極管半波整流電路如圖所示。若二極管為理想二極管，當輸入一正弦波時，求輸出u0。Vui＋－uo＋－RL該電路是半波整流電路。若二極管反接，uo=?ui>0時，V導通，uo=ui；ui<0時，V截止，uo=0

。ui>0時，V1、V3導通；V2、V4截止

uo=ui全波整流電路uo=|ui|

ui<0時，V2、V4導通；V1、V3

截止uo=－ui；2.精密整流電路由于二極管存在死區(qū)電壓UON(硅管為0.6~0.7V左右)，因而只有當輸入電壓幅值大于死區(qū)電壓時，電路才能正常工作。為此，插入運放以減小等效死區(qū)電壓。1）.精密半波整流電路

(1).當ui＞0時，uo′＜0，V2截止，V1導通，uo=0

(2).當ui＜0時，uo′＞0，V2導通，V1截止傳輸特性

①.當ui＞0時，uo′＜0，V2導通，V1截止，則

②.當ui＜0時，uo′<0，V2截止，V1導通，uo=0

傳輸特性2）.精密全波整流電路––絕對值電路用半波整流和反相加法器構成全波整流電路：①.當ui＞0時，uo1=-ui，uo=-ui-2uo1=-ui+2ui=ui②.當ui＜0時，uo1=0，uo=-ui

+原理傳輸特性假設二極管v為理想二極管，①.當ui＞0時，v管截止，②.當ui<0時，v管導通，若取R1=R2，則限幅電路的傳輸特性如圖所示,圖中UIH、UIL分別稱為上門限和下門限電壓：

2.二極管限幅電路限幅電路也稱為削波電路，它是一種能把輸入電壓的變化范圍加以限制的電路，常用于波形變換、整形和輸入保護電路。uiuoUILUomaxUOminUIH當ui<E+UD(on)=2.7V時，V管截止，uo=ui。Vui＋－uo＋－RE2Vtui/V05-5tuo/V0-52.7【例1】一個簡單的上限幅電路如圖所示。當輸入幅度為5v的正弦波時，其輸出波形如圖。當ui≥2.7V時，V管導通，uo=2.7V，即把ui最大電壓限制在2.7V。

2.7當ui>E+UD(on)=-2+0.7=-1.4V時，V管導通，uo=ui-0.7?！纠?】限幅電路如圖所示。當輸入幅度為5v的正弦波時，其輸出波形如圖。當ui<-1.4V時,V管截止,

uo=-2V，即把ui最小電壓限制在－2V。

Vui＋－uo＋－RE2Vtui/V05-5-1.4Vtuo/V0-24.3Vui＋－uo＋－RE1VRtui/V6-6【例3】電路如圖所示，已知輸入為幅度6V的正弦波時，試畫出輸出波形。①當時V管截止即

②當時V管導通即tuo/V0-1.730-3.4當|ui|<0.7V時，二極管D1和D2截止，u--u+=ui；

【例4】二極管限幅器作為輸入保護電路的應用當|ui|≥0.7V時，二極管D1和D2總有一個導通，此時|u--u+|=0.7V即|u--u+|≤0.7V當uI>5.7V時，D1導通，ui=5.7V當uI<-0.7V時，D2導通，ui=-0.7V當-0.7V<uI<5.7V時，D1和D2截止，此時ui=uI即-0.7V<ui<5.7V3.二極管電平選擇電路從多路輸入信號中選出最低電平或最高電平的電路，稱為電平選擇電路。二極管低電平選擇電路如圖所示。

V1u1＋－uoV2ERu2設兩路輸入信號u1,u2均小于E：

A)若u1<u2，V1導通，uo=u1+0.7v，使V2截止。

B)若u2<u1，V2導通，uo=u2+0.7v，使V1截止。

C)當u1=u2時，V1、V2都導通。可見，該電路能選出任意時刻兩路信號中的低電平信號。

V1u1＋－uoV2ERu2u/Vtt0130u2/V3uto/V3.700.7如果把高于3V的電平當作高電平，為邏輯1，而低于0.7V的當作低電平，為邏輯0。則該電路輸出與輸入之間是邏輯與的關系。因而也稱為與門電路。當u1、u2為方波時，輸出端選出的低電平波形如圖所示。5V4.峰值檢波電路在一些測量電路中，需要檢出信號峰值，如圖所示。實現(xiàn)這種功能的方法是使電容只充電而不放電，其中一種電路如下圖。由于uo=uC

，當ui>uo時，V管導通，uo=ui

。當ui<uo時，V管截止，uo

保持不變。1.穩(wěn)壓二極管的特性穩(wěn)壓二極管的電路符號及伏安特性曲線如圖所示。4.4穩(wěn)壓二極管電路

穩(wěn)壓二極管是利用PN結(jié)反向擊穿后具有穩(wěn)壓特性制作的二極管，其除了可以構成限幅電路之外，主要用于穩(wěn)壓電路。ui0IZminIZmaxUZ其正、反向特性與普通二極管基本相同。區(qū)別僅在于擊穿后，特性曲線更加陡峭，即電流在很大范圍內(nèi)變化時，其兩端電壓幾乎不變。2.穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)1).穩(wěn)定電壓UZ

UZ是指擊穿后在電流為規(guī)定值時，管子兩端的電壓值。ui0IZminIZmaxUZ2).額定功耗PZ

PZ是由管子結(jié)溫限制所限定的參數(shù)。PZ與PN結(jié)所用的材料、結(jié)構及工藝有關，使用時不允許超過此值。3).穩(wěn)壓電流IZ

IZ是穩(wěn)壓二極管正常工作時的參考電流。穩(wěn)定電流的最大值IZmax有一限制，即

IZmax=PZ/UZ超過此值會燒壞管子。另外，工作電流也有最小值IZmin的限制，小于此值時，穩(wěn)壓二極管將失去穩(wěn)壓作用。4).動態(tài)電阻rZ

rZ一般為幾歐姆到幾十歐。VZUi＋－Uo＋－RRLILIZIR3.穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓二極管實現(xiàn)穩(wěn)壓必須滿足兩個條件：1).穩(wěn)壓管反向擊穿；2).串接限流電阻。其電路如圖所示。。若Ui增大，RL不變時若RL增大，Ui不變時所謂穩(wěn)壓是指當Ui和RL變化時，輸出電壓U0要保持恒定。電路穩(wěn)壓原理如下：當Ui、RL變化時，IZ應始終滿足Izmin<IZ<IZmax。VZUi＋－Uo＋－RRLILIZIR即ui0IZminIZmaxUZ限流電阻R的選擇方法可見，當Ui=Uimin,RL=RLmin時，IZ最小。這時應滿足設Ui的最小值為Uimin，最大值為Uimax；RL最小時IL的最大值為UZ/RLmin；RL最大時IL的最小值為UZ/RLmax。而當Ui=Uimax，RL=RLmax時，IZ最大。這時應滿足即可得限流電阻的取值范圍是VZUi＋－Uo＋－RRLILIZIRRui0IZminIZmaxUZIZmax增大VZUi＋－Uo＋－R4.利用穩(wěn)壓二極管構成的限幅