半导体器件基础知识.docx

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1、半导体基础知识一、半导体本础知识（一）半导体自然界的物质按其导电能力区别，可分为导体、半导体、绝缘体三类。半导体是导电能 力介于导体和绝缘体之前的物质，其电阻率在10-3109Q范围内。用于制作半导体元件的材 料通常用硅或错材料。（二）半导体的种类在纯净的半导体中掺入特定的微量杂质元素，能使半导体的导电能力大提高。掺入杂质 后的半导体称为杂质半导体。根据掺杂元素的性质不同，杂质半导体可分为N型和P型半导 体。（三）PN结及其特性1、PN 结:PN结是构成半导体二极管、三极管、场效应管和集成电路的基础。它是由P型半导体 和N型半导体相“接触”后在它们交界处附近形成的特殊带电薄层。2、PN结的单向

2、导电性：当PN结外加正向电压（又叫正向偏置）时，PN结会表现为一个很小的电阻，正向电流 会随外加的电压的升高而急速上升。称这时的PN结处于导通状态。当PN结外加反向电压（以叫反向偏置）时，PN结会表现为一个很大的电阻，只有极小 的漏电流通过且不会随反向电压的增大而增大，这时的电流称为反向饱和电流。称这时的 PN结处于截止状态。当反向电压增加到某一数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。这时的反 向电压称为反向击穿电压，不同结构、工艺和材料制成的管子，其反向击穿电压值差异很大， 可由1伏到几百伏，甚至高达数千伏。3、频率特性由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使PN结短路。导

3、致二极管失去单向 导电性，不能工作，PN结面积越大，结电容也越大，越不能在高频情况下工作。二、半导体二极管（一）半导体二极管及其基本特性1、半导体二极管：半导体二极管（简称为二极管）是由一个PN结加上电极引线并封装在玻璃或塑料管壳 中而成的。其中正极（或称为阳极）从P区引出，负极（或称为阴极）从N区引出。以下是 常见的一些二极管的电路符号：普通二极管稳压二极管发光二极管整流桥堆2、二极管的伏安特性二极管的伏安特征如下图所示:二极管的伏安特性曲线（二）二极管的分类二极管有多种分类方法1、按使用的半导体材料分类二极管按其使用的半导体材料可分为错二极管、硅二极管、砷化镓二极管、磷化镓二极 管等。2、

4、按结构分类二极管按其结构可分为点接触型二极管和面接触型二极管。3、按用途分类二极管按其用途和功能不同可分为普通二极管、精密二极管、整流二极管、快恢复二极 管、开关二极管、阻尼二极管、稳压二极管、检波二极管、发光二极管、变容二极管、肖特 基二极管、TVS二极管、光敏二极管等。4、按封装形式分类二极管按封装形式可分为塑料封装（简称塑封）二极管、玻璃封装二极管、金属封装二极 管、片状二极管等。5、按电流容量分类二极管按其电流可分为大功率二极管、中功率二极管、小功率二极管。6、按工作频率分类二极管按工作频率可分为高频二极管、低频二极管。（三）、二极管的主要参数1、额定正向工作电流IF额定正向工作电流以

5、也称最大整流电流，是批二极管长期连续工作时允许通过的最大电流 值。2、最高反向工作电压VR最高反向工作电压是指二极管在式作中能承受的最大反向电压值，略低于二极管的反向击穿 电压VB3、反向电流IR反向电流是指在规定的反向电压和环境温度下测得的二极管的反向漏电流。此电流值越小， 表明二极管的单向导电性能越好。4、正向电压降VF正向电压降是指二极管导通时其两端产生的电压降，在一定的正向电流下，二极管的正向压 降越小越好。5、最高工作频率fM最高工作频率是指二极管工作频率的最大值。最高工作频率主要由结电容的大小来决定。6、稳定电压VZ稳定电压是指稳压二极管的稳压值，即稳压二极管的反向击穿电压。7、稳

6、定电流IZ稳定电流也称稳压工作电流，是指稳压二极管正常稳压工作时的反向电流。一般为其最大稳定电流IZM（即最大反向电流）的1/2左右。8、额定功耗PZ额定功耗是指稳压三极管在正常工作时产生的耗散功率。9、动态电阻RZ动态电阻是指稳压二极管两端电压变化随电流变化的比值。10、结电容Cj（或用Cd表示）结电容是指二极管的PN结电容，其容量随着反向偏压的变化而变化。11、发光强度IV发光强度是指发光二极管的光学指标，用来表示发光亮度的大小，单位通常为mcd。12、发光波长入p发光波长也称为峰值波长，是指发光二极管在一定工作条件下，其发射光的峰值所对应的波长。（四）、常用晶体二极管1、整流二极管将交流

7、电源整流成为直流电流的二极管叫作整流二极管，它是面结合型的功率器件，因 结电容大，故工作频率低。通常，IF在1安以上的二极管采用金属壳封装，以利于散热；IF在1安以下的采用全 塑料封装由于近代工艺技术不断提高，国外出现了不少较大功率的管子，也采用塑封形 式。2、检波二极管检波二极管是用于把迭加在高频载波上的低频信号检出来的器件，它具有较高的检波效 率和良好的频率特性。3、开关二极管在脉冲数字电路中，用于接通和关断电路的二极管叫开关二极管，它的特点是反向恢复 时间短，能满足高频和超高频应用的需要。开关二极管有接触型，平面型和扩散台面型几种，一般IFV500毫安的硅开关二极管， 多采用全密封环氧树

8、脂，陶瓷片状封装。4、稳压二极管稳压二极管是由硅材料制成的面结合型晶体二极管，它是利用PN结反向击穿时的电压 基本上不随电流的变化而变化的特点，来达到稳压的目的，因为它能在电路中起稳压作 用，故称为、稳压二极管（简称稳压管）.稳压管的伏安特性曲线如下图所示，当反向 电压达到Vz时，即使电压有一微小的增加，反向电流亦会猛增（反向击穿曲线很徒直） 这时，二极管处于击穿状态，如果把击穿电流限制在一定的范围内，管子就可以长时间 在反向击穿状态下稳定工作。硅稳压管伏安特性曲线5、发光二极管发光二极管（LED）是由磷化镓等半导体材料制成的，能直接将电能转化为光能的发光显 示器件。发光二极管按颜色的纯净度划

9、分为单色光发光二极管（纯色灯）和复合光发光二极管。如 红、绿、蓝、黄等，其二极管发出的光线为单一波长的光。常见的复合光发光二极管如 白色发光二极管，其光线不是单一的波长的光线。光线波长与颜色的关系及人眼对光线 的相对灵敏度如下图所示：a橙s紫o o o1C8 6 4相M敏度200 -400450500550 600650700wavelength (nano meter)6、变容二极管变容二极管是利用PN结的电容随外加偏压而变化这一特性制成的非线性电容元件，被 广泛地用于参量放大器，电子调谐及倍频器等微波电路中，变容二极管主要是通过结构 设计及工艺等一系列途径来突出电容与电压的非线性关系，并提

10、高Q值以适合应用。变容二极管的结构与普通二极管相似，其符号如下图所示。变容二极管图形符号三、晶体三极管（一）晶体三极管的基本知识1、晶体管的结构特性晶体三极管是半导体三极管中应用最广泛的器件之一，它内部含有两个PN结，外部通 常为三个引出电极的半导体器件。其三个电极分别为集电极（用字母“c”表示）、发射极（用 字母”表示）、基极（用字母“b”表示）。晶体管的两这PN结称为发射结和集电结。根据结构不同，晶体管可分为PNP型和NPN型两类。其电路符号如下图所示。晶体三极管对电信号有放大和开关等作用G晶体三极管属于双极型器件，即参与导电的有两种载流子。f AeeNPN型PNP型2、晶体管的工作状态晶

11、体管属于电流控制型半导体器件，其放大特性是指电流放大能力。所谓放大能力，是 指基极电流控制集电极电流的能力，即当晶体管的基极电流发生变化时，其集电极电流将发 生比基极更大的变化。晶体管有三种工作状态：截止状态：当晶体管不具备工作条件时，它处于截止状态，CE之间呈很大的内阻，各 极电流几乎为零。放大状态：当晶体管发射结（BE之间）加上合适的正向偏置电压、集电结BC之间加上反 向偏置电压时，晶体管导通，其CE极间电阻很小，适当增大基极电流Ib，则集电极电流IC 和发射极电流Ie也会随之增大。饱和状态：当晶体管发射结的正向偏置电压增大至一定值时，晶体管将从放大状态进入 到饱和状态，此时集电极电流Ic

12、将处于较大的恒定状态，且不受基极电流的控制，CE之间 呈现的内阻很小，集电结BE也由反向偏置状态变为正向偏置状态。NPN型晶体管的BE极输入特性曲线及CE输出特性曲线如下图所示，PNP型晶体管的输入特性曲线及输出特性曲线与NPN类似，仅极性相反。（三）晶体管的分类晶体管有多种分类方法：1、按半导体材料和极性分类按晶体管使用的半导体材料可分为硅材料晶体管和锗材料晶体管。按晶体管的极性可分为锗NPN型晶体管、锗PNP型晶体管、硅NPN型晶体管和硅PNP型晶体管。2、按结构及制造工艺分类晶体管按其结构及制造工艺可分为扩散型晶体管合金型晶体管、平面型晶体管。3、按电流容量分类晶体管按电流容量可分为小功

13、率晶体管、中功率晶体管、大功率晶体管。4、按工作频率分类晶体管按工作频率可分为低频晶体管、高频晶体管、超高频晶体管。5、按封装结构分类晶体管按结构可分为金属封装型晶体管、塑料封装晶体管、玻璃壳封装晶体管、表面封 装晶体管、陶瓷封装晶体管等。6、按功能分类低频放大晶体管、带阻尼晶体管、光晶体管按功能和用途可分为低噪声放大晶体管、中高频放大晶体管、 开关晶体管、达林顿晶体管、高反压晶体管、带阻晶体管、微波晶体管、敏晶体管、磁敏晶体管等多种类型。NPN型晶体管共射输入特性曲线截止区NPN型晶体管共射输出特性曲线（四）晶体管的主要参数晶体管的主要参数有电流放大系数、耗散、频率特性、集电极最大电流、最大

14、反向电压、 反向电流等。1、电流放大系数:电流放大系数也称为电流放大倍数，用来表示晶体管的放大能力。根据晶体管的工作状态的不同，电流放大系数又分为直流电流放大系数和交流电流放大系数。a、直流电流放大系数：直流电流放大系数也称静态电流放大系数或直流放大倍魏，是指在静态无变化信号输入时，晶体管集电极电流IC与基极电流IB的比值，一般用hFEb、交流电流放大系数：交流电流放大系数也称为动态电流放大系数或交流放大倍 数，是指在交流状态下，晶体管集电极电流变化量与其极电流变化量的比值，一般用 hFE或B表示。2、耗散功率：耗散功率也称集电极最大允许耗散功率PCM ,是指晶体管参数变化不超过规定允 许值时

15、的最大集电极耗散功率。耗散功率与晶体管的最高允许结温和集电极最大电流有密切关系。通常将耗散功率PCM小于1W的晶体管称为小功率晶体管PCM等于或大于1W , 小于5W的晶体管称为中功率晶体管将PCM等于可大于5W的晶体管称为大功率管。3、频率特性：晶体管的电流放大系数与工作频率有关。若晶体管超过了其工作频率范围，则会出 现放大能力减弱甚至失去放大作用。晶体管的频率特性参数包括特征频率fT和最高振荡频率fM。a、特征频率是指B值降为1时晶体管的工作频率。通常将特征频率小于或等于 3MHz的晶体管称为低频管，将特征频率大于或等于30MHz的晶体管称为高频管，将 特征频率在3MHz到30MHz之间的

16、晶体管称为中频管。b、最高振荡频率fM是指晶体管的功率增益降为1时所对应的频率。4、集电极最大电流ICM集电极最大电流是指晶体管集电极所允许通过的最大电流。5、最大反向电压最大反向电压是指晶体管在工作时所允许施加的最高工作电压。它包括集电极-发射极反向击穿电压、集电极-基极反向击穿电压和发射极-基极反向击穿电压。a、集电极-发射极反向击穿电压VCEO或BVceovceo是指当晶体管基极开路时，其集电极与发射极之间的最大允许反向电压。b、集电极-基极反向击穿电压vcBo或bvcBovcBo是指当晶体管发射极开路时，其集电极与基极之间的最大允许反向电压。c、发射极-基极反向击穿电压VEBO或BVe

17、BoveBo是指当晶体管集电极开路是，其发射极与基极之间的最大允许反向电压。6、反向穿透电流晶体管的反向电流包括其集电极-基极的反向电流、集电极-发射极之间的反向穿透 电流。a、集电极-基极反向漏电流ICRncboicbo是指当晶体管的发射极开路时，集电极与基极之间的反向漏电流，该值越小，说 明晶体管的性能越好。b、集电极-发射极反向穿透电流ICEOICEO是指当晶体管基极开路时，基集电极与发射极之间的反向漏电流。该值越小，说明 晶体管的性能越好。四、场效应晶体管（一）场效应管的基本知识场效应晶体管是一种高输入阻抗的电压控制型半导体器件是以输入电压控制输出电流 的半导体器件，英文简称为FET，

18、属单极型器件。根据电场对导电沟道的控制方法不同，场效应管可分为结型场效应管（英文简称为JFET）和绝缘栅型场效应管地（英文简称 为地IGFET）两大类。其中，目前常用的绝缘栅型场效应管是以二氧化硅为栅极与半导 体之间的绝缘的金属氧化物半导体场应效管，简称为MOSFETo场效应管依靠电场效 应来改变导电沟道的大小，从而改变通过沟道电流的大小。根据载流子类型的不同，可 以分为N沟道器件和P沟道器件。场效应管的通常也有三个电极，分别为漏极D（相当于双极型三极管的C极）、源极S（相 当于双极型三极管的E极）、栅极G（相当于双极型三极管的B极）。（二）结型场效应管1、结型场效应管结构结型场效应管（JFE

19、T）属于小功率场晶体管的泛围，一般为耗尽型，在零栅压下有 电流输出。结型场效应管的栅极与沟道之间没有绝缘层，因此栅源必需工作在反偏压条 件下，否则会有栅源电流。结型场应管可分为N沟道结型场效应管和P沟道结型场效 应管两种。2、结型场效应管的电路图形符号L-N沟道P沟道2、结型场效应管的转移特性曲线和输出特性曲线a、N沟道结型场效应管的转移特性曲线和输出特性曲线理)/lA(a)淋极输出特性ill【线b、P沟道结型场效应管的转移特性曲线和输出特性曲线P沟道结型场效应管的转移特性曲线和输出特性曲线与N沟道结型场效应管相似， 公极性相反。(三) MOS场效应管1、MOS场效应管的结构特点MOS场效应管

20、的栅极与导电沟道之间有一层绝缘层，是相互绝缘的。它是利用感 应电荷的多少来改变沟道导电特性，从而达到控制漏极电流的目的。MOS场效应管可分为增强型(EMOS)和耗尽型(DMOS)两种，按其导电沟道不同又 可以分为N沟道和P沟道两种，因此，场效应管可以分为4种，即：N沟道增强型场 效应管、N沟道耗尽型场效应晶体管、P沟道增强型场应管、P沟道耗尽型场效应管。耗尽型场效应管在栅极零偏压时，具有较强的导电特性，当漏源有正常工作电压时 即有较大的电流通过。增强型场效应管在栅极零偏压时，漏源之间无导电沟道，不具有导电性，只有栅极 偏压大于可等于开启电压时漏源之间才有导电性。2、MOS场效应管的电路图形符号

21、N沟道DMOSP沟道EMOSP沟道DMOSN沟道EMOSGgVT(?iit otY)输出特性曲线转移特性曲线4、N沟道耗尽型场效应管伏安特性曲线3、N沟道增强型场效应管伏安特性曲线输出特性曲线转移特性曲线5、P沟道场效应管的伏安特性曲线P沟道场效应管的做为转移特性曲线如下图所示，其输出特性曲线与相应类型的N沟道场效应管的输出特性曲线相似，仅偏置电压极性相反。6、场效应管的主要参数场效应管的主要参数有夹断电压、开启电压、饱和漏电流、击穿电压、栅源漏电流、 耗散功率、直流输入电阻、低频跨导、漏源动态电阻、极间电容等。(1) 、夹断电压Vp夹断电压也称为截止栅压VGS(off)，是指在耗尽型结型场效

22、应晶体管或耗尽型绝缘 栅型场效应晶体管源极接地的情况下，能使其漏、源输出电流没有减小到零时需的栅源 电压Vgs。(2) 、开启电压VT开启电压也称阈电压 是指增强型绝缘栅型场效应晶体管在漏源电压vds为一定值 时，能使其漏、源极开始导通的最小栅源电压。(3) 、饱和漏电流IdnDSS饱和漏电流是指耗尽型场效应管在栅源零偏压、漏源电压VDS大于夹断电压vp时的漏极电流。(4) 、击穿电压击穿电压包括漏源击穿电压bvds和栅源击穿电压bvgs。a、漏源击穿电压：漏源击穿电压也称漏源耐压值，是指当场效应管的漏、源电压增大到一定数值时，使漏极电流ID突然增大、且不受栅极电压控制时的最大漏源电压。b、栅源击穿电压：栅源击穿电压是指场效应管的栅源之间能承受的最大工作电压。(5) 耗散功率PD耗散功率也禧漏极耗散功率，该值约等于漏源电压与漏极电流的乘积。(6) 泄漏电流IGSS泄漏电流是指场效应管的栅与沟道之间在施加反向偏压时产生的反向电流。(7) 低频跨导gm低频跨导也称放大特性，是指栅极电压VG对漏极电流ID的控制能力。它是衡量场 效应管是否具有放大能力的重要指标。(8) 漏源动态电阻V柄DS漏源动态电阻也称为输出电阻，是漏源电压的变化量与漏极电流的变化量之比。