电子元器件原理与参数

1.1 半导体器件的基本知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 场效应管
1.1 半导体器件的基本知识
1.1.1 本征半导体及其导电性 1.1.2 杂质半导体 1.1.3 半导体中载流子运动和温度特性
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导 体、绝缘体和半导体。
半导体的电阻率为10-3～109 cm。典型的半导 体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
(1）N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形 成 N型半导体,也称电子型半导体。
因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半 导体原子中的价电子形成共价图键01，.04而N多型半余导的体结一构个示价意图电子 因无共价键束缚而很容易形成自由电子。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
1.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线
半导体二极管的伏安特性曲线如图01.12所示。
处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象
限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管
的伏安特性曲线可用下式表示
V
I IS (e VT 1)
(1.1)
式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的 电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳 兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对
当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电 流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的 浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。 势垒电容和扩散电容均是非线性电容。
四、PN结的击穿特性
当反向电压超过反向击穿电压UB时，反向电流 将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此 现象称为PN结的反向击穿。有两种解释：
于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。
图 01.12 二极管的伏安特性曲线
(1) 正向特性
当V＞0即处于正向特性区域。 正向区又分为两段：
当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称为死区 电压或开启电压。
当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规 律增长。
硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右， 锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
自由电子产生的同时，在其原来的共价 键中就出现了一个空位，原子的电中性被破 坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电 量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为 空穴。
图01.02 本征激发和复合的过程
可见因热激发而出现的自由电子和空穴是 同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部 分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合， 如图01.02所示。本征激发和复合在一定温度下 会达到动态平衡。
用于检波和变频等高频电路。
(1) 点接触型二极管—
图 01.11 二极管的结构示意图 (a)点接触型
(2) 面接触型二极管—
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
(b)面接触型
往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。
(3) 平面型二极管—
(c)平面型 图 01.11 二极管的结构示意图
图 01.08 PN结加反向电压时 的导电情况
图 01.08 PN结加反向电压 时的导电情况
PN结加正向电压 时，呈现低电阻，具 有较大的正向扩散电 流；PN结加反向电压 时，呈现高电阻，具 有很小的反向漂移电 流。由此可以得出结 论：PN结具有单向导 电性。
三、PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应，它由两方面的 因素决定。
(5) 动态电阻rd 反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。
显然， rd与工作电流的大小有关，即 rd =VF /IF
1.2.4 半导体二极管的等效模型
线性化：用线性电路的方法来处理，将非线性 器件用恰当的元件进行等效，建立相应的模型。
（1）理想二极管模型：相当于一个理想开关，正 偏时二极管导通管压降为0V，反偏时电阻无穷大， 电流为零。
n = p =1.4×1010/cm3 2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:
n=5×1016/cm3
3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
1.1.4 PN结
一、PN结的形成 二、PN结的单向导电性 三、PN结的电容效应 四、PN结的击穿特性
这种结构的立体和平面示意图见图01.01。
(c)
(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图
图01.01 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图
（2）电子空穴对
当导体处于热力学温度0K时，导体中没 有自由电子。当温度升高或受到光的照射 时，价电子能量增高，有的价电子可以挣 脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由 电子。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导 体的结构示意图如图01.04所示。
(2) P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等 形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。
因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个 价电子而在共价键中留下一个空穴。
ห้องสมุดไป่ตู้
容Cj等。几个主要的参数二介二极绍极管如管长下反期向：连电续流工
(1)
最大整流电流IF——
急剧作增时加，时允对许应通的过反二向 电压极值管称的为最反大向整击流穿
(2) 反向击穿电压VBR——— 电流电的压平VB均R。值。
和最大反向工作电压工VR作M时为，安最全大计反，向在工实作际电压
VRM一般只按反向击穿电压 VBR的一半计算。
(3) 反向电流IR
在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大 反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向 电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。
(4) 正向压降VF 在规定的正向电流下，二极管的正向电压
降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水 平下，约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。
一、 PN结的形成
在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,
分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半
导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:
因浓度差
多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场


内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于 P型半导体和N型 半导体结合面，
(1) PN结加正向电压时的导电情况
PN结加正向电压时的导电情况如图01.07所示。
外加的正向电压有
一部分降落在PN结区，
方向与PN结内电场方向
相反，削弱了内电场。
于是,内电场对多子扩散
运动的阻碍减弱，扩散
电流加大。扩散电流远
大于漂移电流，可忽略 漂移电流的影响，PN结 呈现低阻性。
图01.07 PN结加正向电压 时的导电情况
一、载流子的运动
➢ 漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在 电场的作用下产生的运动。其运动产生的 电流方向一致。
➢ 扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形 成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产 生扩散运动。
二、杂质对半导体导电性的影响
掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下: 1 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:
一是势垒电容CB ， 二是扩散电容CD 。
(1) 势垒电容CB
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。 当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的 厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷 量也随之变化，犹如电容的充放电。
(2) 扩散电容CD
扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面 积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区 的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电 流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的 附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。
(2) 反向特性
当V＜0时，即处于反向特性区域。 反向区也分两个区域：
当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本 不随反向电压的变化而变化，此时的反向电
流也称反向饱和电流IS 。
当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称 为反向击穿电压 。
在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所 不同。
硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡， 反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性 比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。
➢ 雪崩击穿：当反向电压足够高时（U>6V） PN结中内电场较强，使参加漂移的载流子 加速，与中性原子相碰，使之价电子受激 发产生新的电子空穴对，又被加速，而形 成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤 增。
➢ 齐纳击穿：对掺杂浓度高的半导体，PN结 的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压 （U<4V），耗尽层可获得很大的场强，足 以将价电子从共价键中拉出来，而获得更 多的电子空穴对，使反向电流骤增。
离子薄层形成的
空间电荷区称为 PN结。在空间电 荷区，由于缺少
多子，所以也称
耗尽层。
PN 结形成 的过程可参阅
图01.06 PN结的形成过程
图01.06。
二、 PN结的单向导电性
PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P 区流到N区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之 是高阻性，电流小。
如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压， 简称正偏； P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。
(3) 空穴的移动
自由电子的定向运动形成了电子电流，空 穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方 向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键 中的价电子依次充填空穴来实现的。
1.1.2 杂质半导体
(1) N型半导体
(2) P型半导体
在本征半导体中掺入某些微量元素作 为杂质，可使半导体的导电性发生显著变 化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
(2) PN结加反向电压时的导电情况
PN结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。 外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与 PN结在内一电定场的方温向度相条同件，下加，强了内电场。内电场对多子 扩由散本运征动激的发阻决碍定增的强少，子浓 扩度散是电一流定大的大，减故小少。子此形时成 P的N漂结移区电的流少是子恒在定内的电，场基的 作本用上下与形所成加的反漂向移电电压流的大大 于小扩无散关电，流这，个可电忽流略也扩称散为 电反流向，饱P和N电结流呈。现高阻性。
图01.05 P型半导体的结构示意图
P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三 价杂质 因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图 如图01.05所示。
图01.05 P型半导体的结构示意图
1.1.3 半导体的载流子运动和温度特性
（2）理想二极管串联恒压降模型：二极管导通后， 其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值 为0.7V。该模型提供了合理的近似，用途广泛。注 意：二极管电流近似等于或大于1mA正确。
从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|≥7V时, 主要是雪崩击穿；若|VBR|≤4V时, 则主要是齐纳击 穿。当在4V～7V之间两种击穿都有，有可能获得 零温度系数点。
1.2.3 半导体二极管的参数
半导体二极管的参数包括最大整流电流
IF、反向击穿电压VBR、最大反向工作电压
VRM、反向电流IR、最高工作频率fmax和结电
1.2 半导体二极管
1.2.1 半导体二极管的结构类型 1.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线 1.2.3 半导体二极管的参数 1.2.4 半导体二极管的等效模型 1.2.5 半导体二极管的型号 1.2.6 特殊二极管
1.2.1 半导体二极管的结构类型
在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极 管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面 型三大类。它们的结构示意图如P图N结01面.1积1所小示，。结电容小，
1.1.1 本征半导体及其导电性
(1)本征半导体的共价键结构
(2)电子空穴对
(3)空穴的移动
本征半导体——化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。
(1）本征半导体的共价键结构
硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的 四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原 子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这 些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排 列有序的晶体。