第一章 常用半导体器件

1.1 内容概要

1.1.1 半导体基础知识

需了解的名词术语：

1. 本征半导体：纯净的晶体结构的半导体。
2. 共价键：晶体中的原子排列成整齐的点阵，相邻原子的最外层电子成为共用电子,称之为 共价键。
3. 自由电子与空穴：在热激发下，价电子挣脱共价键的束缚变为具有较高能量的电子，称为 自由电子；在共价键中留下的空位置称为空穴。
4. 载流子：能够运载电荷的粒子称为载流子。自由电子和空穴均为载流子，自由电子带负 电，空穴带正电；在外加电压时，它们产生方向相反的定向移动，形成电流。当环境温度升高时， 热运动加剧，本征半导体中载流子的浓度升高，因而导电性能增强。
5. 复合：自由电子在运动过程中与空穴相遇而填补空穴，使二者同时消失，称为复合。
6. N型半导体和P型半导体:通过扩散工艺，在本征半导体中掺入五价元素就形成N型半 导体，自由电子为其多数载流子；掺入三价元素就形成P型半导体，空穴为其多数载流子。杂质 半导体主要靠多数载流子导电，因而控制掺入杂质的多少就可有效地改变其导电性，即实现了导 电性能的可控性。
7. 扩散运动、漂移运动和PN结:将两种杂质半导体制作在同一个硅片（或错片）时，在它们 的交界面处，载流子有两种有序的运动，因浓度差而产生的运动称为扩散运动，因电位差而产生 的运动称为漂移运动。当两种运动达到动态平衡时，就形成了 PN结。PN结具有单向导电性， 加正向电压（或称正向偏置、正向接法）导通，加反向电压（或称反向偏置，反向接法）截止。
8. PN结的电容效应：空间电荷区宽窄变化所等效的电容称为势垒电容，扩散运动区域内载 流子浓度变化所等效的电容称为扩散电容,PN结的等效电容等于它们之和。

   1.1.2半导体二极管

   将PN结封装并引出两个电极，就构成半导体二极管。

   一、普通二极管

   二极管的伏安特性力如图所示。当二极管所加正向电压大于开启电压时，导通；当所加反向电压较小时，随u数值的增大反向电流逐 渐增大，而当u的数值足够大时反向电流基本不变，称为 反向饱和电流人，由于人很小，可认为二极管截止。 为击穿电压，不同型号二极管的击穿电压差别很大，从几十伏到几千伏。在温度升高时，二极管正向特性左移，即在电流不变的情况下端电压减小；反向特性下移，增大， 击穿电压变小。
   
   不同材料二极管的开启电压、导通电压和反向饱和电 流如表

二极管的伏安特性可近似用PN结的电流方程来描述，为
式中为反向饱和电流，为温度的电压当量，在温度为300 K时，约为26 mV。式可写成

表明二极管的正向特性为指数曲线，反向特性在反向电压足够大时为横轴的平行线。
最大整流电流、最高反向工作电流、反向电流和最高工作频率是二极管的主要参数。为流过二极管的最大平均电流，是二极管工作时能够承受的最大反向电压的瞬时值, 与结电容密切相关。

二、稳压二极管

稳压二极管(简称稳压管)的伏安特性如图所示。图中为稳定电压，为稳定电流，是稳压管进入稳压区的最小电流； 为最大稳定电流，超过此值稳压管将因功耗过大而损坏，最大功耗；稳压管的反向电流变化时稳定电压稍有变化，动态电阻描述这种变化关系，等于端电压变化量与电流变化量之比， 即 。

稳压管电路中必须有一个限流电阻使稳压管中电流大于以确保其工作在稳压状态，小于,以确保其不损坏。
此外，利用发光材料可制成发光二极管，利用PN结的光敏性可制成光电二极管。

1.1.3双极型晶体管

双极型晶体管，也称晶体管或半导体三极管，后面简称晶体管。晶体管有NPN和PNP两种 类型，下面以NPN型管为例进行分析。

一、晶体管具有电流放大作用

当晶体管的发射结处于正向偏置（）且集电结处于反向偏置时()，发射区中 的多数载流子由于扩散运动而大量注入基区，其中仅有很少部分与基区的多数载流子复合，形成 基极电流，而大部分在集电结外电场作用下形成漂移电流,体现出对口的控制作用，可将看成为由电流控制的电流源。

二、晶体管的共射特性曲线及其三个工作区域

晶体管的输入特性曲线如图所示，对于小功率管，大于1 V的任何一条曲线均可近似为大于1V的所有曲线。晶体管的输出特性曲线如图所示，为一组曲线，电流放大系数

晶体管有截止区、放大区、饱和区等三个工作区域,对于图所示电路,晶体管在三个工作区的。如表所示。表中是b-e间的开启电压;是为零时的,称为穿透电流。
温度升高时,晶体管的输入特性左移,说明当不变情况下减小;输出特性上移,且当等差变化时曲线间隔增大,说明均增大。

三、晶体管的主要参数

晶体管的性能指标有和，应适中，越小越好。极限参数有最大集电极电流,最大管压降,最大集电极功耗,晶体管的安全工作区如图1.1.5所示。此外,还有共基电流放大倍数。

特征频率是使下降为1的信号频率,与晶体管两个PN结的结电容紧密相关

特殊三极管与晶体管一样,也能够实现输入信号对的控制。如光电三极管是用光的入射量来控制i的大小的。

1.1.4 单极型晶体管

场效应管是单极型晶体管,分为结型和绝缘栅型(又称MOS管)两种类型,每种类型均分为N沟道和Р沟道两种,而MOS管又分为增强型和耗尽型两种形式。与双极型管相比，它具有输人入回路等效电阻大(可达 以上)、抗辐射能力强、噪声小等优点,并能构成低功耗电路。

一、场效应管的转移特性和输出特性

场效应管工作在恒流区时,可将看成由电压控制的电流源,转移特性曲线描述了这种控制关系。输出特性曲线描述三者之间的关系。各种场效应管的符号和特性曲线如表1.1.3所示。

二、场效应管的三个工作区域

与晶体型管的截止区、放大区、饱和区相对应,场效应管有截止区(耗尽型管也称夹断区)、恒流区和可变电阻区三个工作区域。以N沟道增强型MOS管为例,场效应管的三个工作区域如图1.1.6所标注。的虚线称为预夹断轨迹,以它为界,左面的区域为可变电阻区,右面的区域为恒流区。在恒流区,场效应管的输出特性与晶体管的相类似,但当等差变化时的变化不相等,越大变化越大。在管压降为常量的情况下,和变化量之比称为场效应管的低频跨导即
在可变电阻区 ,对应于不同的,曲线斜率不同 ;
即对应于不同的,d-s间的等效电阻不同,实现了对的控制作用。在恒流区,对应于不同的,不同,实现对的控制作用。当时,管子截止。

三、场效应管的电流方程和主要参数

对于结型场效应管,在恒流区的漏极电流和g-s 电压的关系为
式中为时的漏极电流,称为漏极饱和电流。
对于增强型MOS 管,在恒流区的漏极电流和g-s电压的关系为
式中为,时的漏极电流。
场效应管的主要参数除了有外,还有与晶体管相类似的几个极限参数,最大漏极电流 ,d-s间承受的最大电压 ,漏极最大耗散功率,以及三个极之间的等效电容等,它们决定场效应管的工作频率。

1.2 疑难解释

1.2.1 为什么半导体器件的性能受温度影响

在半导体器件内部,当环境温度升高时,热运动加剧,致使共价键中电子具有的能量加大,以至于有更多的电子挣脱共价键的束缚,两种载流子将以同样数目增长。因为多数载流子数目很多,因而相对增长量较小;而少数载流子数目很少,故相对增长量很大。因此,尽管少数载流子的浓度远低于多数载流子,但它对温度的敏感性对半导体器件性能的影响是显著的。
对于半导体二极管,在热力学温度300K附近,温度每升高1℃,正向压降减小2~2.5 mV ;温度每升高10℃,反向电流约增大一倍。
由此可见,温度对半导体器件的影响是客观存在的,对于多数模拟电子电路,不解决温度稳定性问题,就不能称其为实用电路,只能是“纸上谈兵”。

1.2.2 二极管的直流电阻和动态电阻

半导体器件是非线性器件,它们对直流量和交流量(或说动态量)呈现出不同的等效电阻。二极管的直流电阻是其工作在伏安特性上某一点时的端电压与其电流之比,而动态电阻是在一定的直流电压和电流下(即静态工作点Q下)、在低频小信号作用时的等效电阻。
在图1.2.1( a)所示电路中,当交流信号为零时二极管的电流和电压称为静态工作点Q,如图(b)中所标注,则该点的直流电阻为

若在Q点的基础上外加微小的低频信号,二极管产生的电压变化量和电流变化量如图(c)中所标注,则二极管可等效成一个动态电阻,根据电流方程可得
是以Q点为切点的切线斜率的倒数,利用分析动态信号的实质是以Q点的切线(即直线)来近似其附近的曲线,因而Q点在伏安特性上的位置不同,的数值将不同。根据二极管的电流方程可得因此
为静态电流,常温下。从式( 1.2.3)可知,静态电流越大,将越小。
设,则,二者相差甚远,两个概念不可混绢。

1.2.3二极管电路的折线化伏安特性

在近似分析中,可将二极管的伏安特性折线化,并由此得到不同的等效电路,如图1.2.2所示,它们的共同特点是截止时反向电流为零。图( a)所示为理想二极管的伏安特性,可等效为开关,导通时正向电压为零;图(b)所示伏安特性表明二极管的导通电压为常量;图(c)所示伏安特性表明二极管的导通电压与电流呈线性关系, 为直流等效电阻,且动态电阻等于。在近似分析中应根据具体情况选择不同的等效电路。

在图( d)所示电路中,设二极管为硅管,则其导通电压约为。若,远大于,则可认为;若,可取,则;与实际电流的误差不会超过5%。若,则取中不同的值时计算出的相差很多,因而需实测所用二极管的伏安特性,利用第二章所述图解法求出点,得到。可见,应根据的数值和所能容许的误差来决定采用哪个等效电路。

1.2.4双极型晶体管和单极型晶体管的工作区域

在放大电路中,只有晶体管工作在放大区,场效应管工作在恒流区,电路才能正常放大。在数字电路中,晶体管和场效应管多工作在开关状态,即晶体管不是工作在饱和区就是工作在截止区,场效应管不是工作在可变电阻区就是工作在截止区。
晶体管三个工作区域的极间电压如表1.2.1所示,场效应管三个工作区域的极间电压如表1.2.2所示。据此,既可判断已知放大电路的静态工作点是否合适,又可在设计放大电路时设置合活的静态工作点。