半导体器件原理简明教程

一、半导体基础知识

自然界的物质，按照导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三类。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。自由电子在运动中与空穴相遇就会填补空穴，使二者同时消失，这种现象称为复合。一定温度下，本征激发产生的自由电子和空穴对，与复合的自由电子和空穴对数目相等，达到动态平衡。

在本征半导体中掺入杂质，可以形成N型半导体和P型半导体。在N型半导体中，自由电子的浓度远大于空穴的浓度，因此自由电子称为多数载流子（简称多子），而其中空穴称为少数载流子（简称少子）。N型半导体主要靠自由电子导电，掺入的杂质越多，自由电子的浓度就越高，导电性能也就越强。在P型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，因此空穴称为多数载流子（简称多子），而其中自由电子称为少数载流子（简称少子）。P型半导体主要靠空穴导电，掺入的杂质越多，空穴的浓度就越高，导电性能也就越强。对于杂质半导体来说，无论是N型还是P型半导体，从总体上看，仍然保持着电中性。

在PN结中进行着两种载流子的运动：多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动。在无外电场和其他激发作用下，多子的扩散运动和少子的漂移运动达到动态平衡。

当外加电压使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；反之称为加反向电压，简称反偏。PN加正向电压是导通，加反向电压是截止。因此PN结具有单向导电性。

二、半导体二极管

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。由P区引出的电极称为阳极，由N区引出的电极称为阴极。从制造材料上分，二极管可分为硅二极管和锗二极管，按结构分，二极管可分为点接触型、面接触型和平面型三大类。硅管的导通电压一般为0.7V，硅管的导通电压一般为0.3V。在题目有没有说明管子的类型时，一般假设为硅管。

当加二极管上的正向电压较小时，正向电流小，几乎等于零。只有当二极管两端电压超过某一数值U_on时，正向电流才明显增大。将U_on称为死区电压。死区电压与二极管的材料有关。一般硅二极管的死区电压为0.5V左右，锗二极管的死区电压为0.1V左右。

当二极管加反向电压，反向电流很小，而且反向电流不再随着反向电压而增大，即达到了饱和，这个电流称为反向饱和电流，用符号I_S表示。

二极管具有单向导电性，加正向电压时处导通状态，加反向电压时处截止状态。利用其单向导性可构成和各种整流电路，把交流电压变成脉动的直流电压。

温度升高，正向特性左移，反向特性下移；室温附近，温度每升高1℃；正向压降减少2—2.5mV；室温附近，温度每升高10℃，反向电流增大一倍。

三、稳压二极管

稳压二极管工作在反向击穿区时具有稳压特性，当工作电流在稳定电流IZ与最大额定电流IZM之间时，它的端电压为稳定电压UZ。

由限流电阻和稳压管可构成稳压电路。当电网波动或负载变化时，利用稳压管的电流调节作用，通过限流电阻R上电压的补偿，达到稳定输出电压的目的。稳压电路的输出电压就是稳压管的稳定电压，因此不可调且输出电流小。

四、半导体三极管

双极型晶体管（BJT）又称半导体三极管、晶体三极管等，简称晶体管。晶体管的基本结构是由两个PN结构成，按PN结的组成方式分为NPN型和PNP型两种，无论NPN还是PNP都有三个区：集电区、基区、发射区。由三个区引现的电极分别称为集电极、基极、发射极。两个PN结分别称为发射结和集电结。

晶体管的结构特点：发射区的掺杂浓度最高；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。

输入特性曲线有一个开启电压。硅管的开启电压为0.5V，发射结的导通电压U_ON为0.6~0.7V；锗管的开启电压为0.2V，发射结的导通电压U_ON为0.2~0.3V；

晶体管有三个工作区域：截止区、放大区和饱和区。当发射结正向偏置，集电结处于反向偏置时，它工作在放大区。这时，I_C只受I_B控制，I_C=βIB几乎与U_CE的大小无关。说明晶体管相当于一个输出电流I_C受I_B控制的受控电流源。所以晶体管是电流控制器件。三极管工作在放大区时，三个电极之间的关系为：对于NPN型，V_C>V_B>V_E；对于PNP型，V_C<V_B<V_E；

发射结正向偏置、集电结正向偏置时，三极管工作在饱和区。此时IB再增大，I_C几乎就不再增大了，晶体管失去了电流放大作用。三极管工作在饱和区时，三个电极之间的关系为：对于NPN型，V_B>V_C>V_E；对于PNP型，V_B<V_C<V_E

发射结反向偏置、集电结反向偏置时，三极管工作在饱和区。三极管工作在截止区时，三个电极之间的关系为：对于NPN型，V_B<V_E；对于PNP型，V_B>V_E；

晶体管的β随温度的升高将增大，温度每上升1℃，β值增大0.5%~1%，其结果是在相同的I_B情况下，集电极电流I_C随温度上升而增大。

I_CEO是少数载流子漂移运动形成的，它与环境温度关系很大，I_CEO随温度上升会急剧增加。温度上升10℃，I_CEO将增加一倍。由于硅管的I_CEO很小，所以温度对硅管的I_CEO影响不大。

和二极管的正向特性一样，温度上升1℃，U_CE将下降2~2.5mV。

五、场效应管

场效应晶体管（Field-Effect Transistor ,FET）是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。场效应管按结构，可分为结型和绝缘栅型两大类。绝缘栅型场效应晶体管的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO₂绝缘层隔离，故有绝缘栅型之称。或者按其金属-氧化物-半导体的材料构成，可称其为MOS管。

场效应晶体管输出特性曲线分成四个区域：可变电阻区、恒流区、击穿区、截止区。

MOSFET与BJT都是半导体晶体管，MOSFET的源极、漏极、栅极分别相当于BJT的发射极、集电极、基极。BJT的集电极电流IC受基极电流I_B的控制，是一种电流控制器件；而MOSFET的漏极电流I_D受栅-源电压U_GS的控制，是一种电压控制元件。但与BJT相比，MOSFET具有输入电阻大、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电少等优点。这些优点使之从20世纪末60年代一诞生就广泛应用于各种电子电路中。另外，MOSFET的制造工艺比较简单，占用芯片面积小，特别适用于制造大规模集成电路。

与BJT类似，MOSFET不仅可以通过U_GS控制I_D实现对信号的放大作用，而且也可以作为开关元件，通过U_GS控制其导通或判断，广泛用于开关电路和脉冲数字电路中。