第1章 半导体器件

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1、笫1章半导体器件1.1半导体的特性1.2半导体二极管1.3场效应管（FET）※1.4双极型三极管（BJT）※1.5半导体光电器件※1.6常用新型半导体器件※1.7半导体器件应用举例本章小结1.1半导体的特性1.1.1本征半导体1)纯净的不含杂质的半导体材料的晶体称为本征半导体。2)硅和锗的最外层4个电子受原子核束缚力最小，即称为价电子。硅和锗的原子简化结构如图1.1（c）所示。3)硅和锗晶体价电子受自身的原子核束缚，既有自身的轨道又受相邻原子核吸引，因此形成两个相邻原子共有一对价电子的共价键结构，硅和锗晶体共价键结构，如图1.2所示。4)硅或锗晶体在外

2、界激发的情况下，如常温下（300K），少数价电子获得能量，可以打破共价键的束缚成为自由电子。同时在价电子原来位置上留下一个空位，称为“空穴”，如图1.3所示为本征半导体中的自由电子和空穴。下一页1.1半导体的特性1.1.2杂质半导体1.N型半导体在硅（或锗）的晶体内掺入少量的磷、砷、锑等五价元素，因其有五个价电子，其中四个与周围的硅（或锗）原子组成共价键，多余一个价电子不受共价键的束缚，只要获得较小的能量就能挣脱磷原子核吸引而成为自由电子，如图1.4所示。2.P型半导体在硅（或锗）的晶体中掺入少量的硼、铟、铝等三价元素，则硼、铟、铝等原子有三个价电子，

3、它与周围的硅（或锗）原子组成共价键，因缺少一个价电子便产生一个空穴。在室温下，硅（或锗）共价键上价电子填补硼原子的空位，则形成空穴移动，如图1.5所示。上一页返回1.2半导体二极管1.2.1PN结及其单向导电性1.PN结的形成当把P型半导体和N型半导体结合在一起时，由于浓度差别，N区电子载流子向P区扩散，P区空穴载流子向N区扩散，如图1.7(a)所示。2.PN结的单向导电性PN结两端外加电压，平衡状态被打破，PN结的单向导电性呈现出来。当P区接电源正极，N区接电源负极，称为外加正向电压，也叫“正向偏置”，如图1.8所示，外电场方向与内电场方向相反，削弱

4、了内电场。当N区接电源正极，P区接电源负极，称为外加反向电压，也叫“反向偏置”，如图1.9所示。下一页1.2半导体二极管1.2.2二极管的伏安特性在图1.10所示结构中，将PN结用外壳封装，P区引线为阳极，N区引线为阴极，就构成半导体二极管。在图1.12所示图形符号中，二极管的文字符号为VD，箭头指向为导通电流的方向。二极管按材料分为硅二极管和锗二极管两大类，其伏安特性有所不同，如图1.11所示二极管伏安特性曲线。该曲线对应的函数式为1.正向特性：OA(OA′)段称为死区，二极管不导通，正向电流几乎为零。2.反向特性：OC(OC′)段称为反向截止区。3

5、.反向击穿特性：CD(C′B′)段称为反向击穿区。下一页上一页1.2半导体二极管1.2.3二极管的主要参数1.最大整流电流IF二极管长期正常工作时，允许通过的最大正向平均电流值。2.反向击穿电压U(BR)二极管反向击穿时的反向电压值。3.反向电流IR二极管在常温下未被击穿时的反向电流值。下一页上一页1.2半导体二极管1.2.4特殊用途二极管1.稳压二极管利用二极管反向击穿特性实现稳压功能的半导体器件称为稳压二极管。(1)稳压特性。稳压二极管的伏安特性曲线、符号及稳压管电路，如图1.13所示，它的正向特性和普通二极管一样。(2)基本参数。①稳定电压UZ②

6、稳定电流IZ③最小稳定电流Izmin④最大稳定电流IZmax⑤最大耗散功率PM⑥动态电阻RZ下一页上一页1.2半导体二极管1.2.4特殊用途二极管2.双向二极管双向二极管的结构及图形符号如图1.14所示，由图可见，双向二极管属于三层二端交流半导体器件※3.变容二极管PN结电容随反向电压的增加而减小，这种结电容可变的二极管称为变容二极管。其图形符号及容压特性曲线如图1.15所示。下一页上一页1.2半导体二极管1.2.5半导体二极管的应用1.整流利用二极管正偏导通、反偏截止的特性，可将交流电变为单方向脉动的直流电，称之为整流，如图1.16所示。2.钳位利用

7、二极管正向导通后，其两端电压很小的特性，可构成各种钳位电路，如图1.17所示。下一页上一页1.2半导体二极管1.2.5半导体二极管的应用3.限幅利用二极管正向导通和反向截止限制信号的幅度，二极管限幅电路及波形如图1.18所示。4.开关利用二极管的单向导电性来接通或断开电路，可实现各种数字开关电路，如图1.19所示。返回上一页1.3场效应管（FET）1.3.1绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管由金属、氧化物和半导体制作，故称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOSFET。1.N沟道增强型MOS场效应管（NMOS）（1）结构与符号。N沟道增强型MOS场效

8、应管的结构图、结构剖面图及电路符号分别如图1.20（a）、（b）、（c）所示。（2）工作原理。