第11章常用半導體器件

1、(11-1) 第十一章第十一章 常用半導體器件常用半導體器件自動化與電子信息學院自動化與電子信息學院 電工學教研組電工學教研組(11-2)(11-3)第十一章第十一章 常用半導體器件常用半導體器件 11.1 11.1 半導體的基礎知識與半導體的基礎知識與PNPN結結 11.2 11.2 半導體二極管半導體二極管 11.3 11.3 特殊二極管特殊二極管 11.4 11.4 晶體三極管晶體三極管 11.5 11.5 場效應晶體管場效應晶體管(11-4)11.1 半導體的基礎知識半導體的基礎知識(11-5)1.本征半導體（純凈半導體）本征半導體（純凈半導體）一、本征半導體的結構特點一、本征半導體的

2、結構特點GeSi現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。的最外層電子（價電子）都是四個。(11-6)共價健共價健 Si Si Si Si價電子價電子(11-7)共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自自由電子由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是形成共價

3、鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。八個，構成穩(wěn)定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。則排列，形成晶體。+4+4+4+4(11-8)二、本征半導體的導電機理二、本征半導體的導電機理在絕對在絕對0度度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時和沒有外界激發(fā)時, ,價價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即可以運動的帶電粒子（即載流子載流子），它的導電），它的導電能力為能力為 0，相當于絕緣體。，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的

4、能量而脫離共價鍵的束縛，成為得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由自由電子電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴空穴。1.1.載流子、自由電子和空穴載流子、自由電子和空穴(11-9)+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子二、本征半導體的導電機理二、本征半導體的導電機理帶電粒子（即帶電粒子（即載流子載流子）(11-10)2.本征半導體的導電機理本征半導體的導電機理+4+4+4+4思考思考:空穴和自由電空穴和自由電子的移動方向相反，子的移動方向相反，所形成的電流方向是所形成的電流方向是否也相反？否也相反？本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即

5、本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。(11-11)溫度越高，載流子的濃度越高。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半因此本征半導體的導電能力越強，導體的導電能力越強，溫度溫度是影響半導體性是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。大特點。本征半導體中電流由兩部分組成：本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產生的電流。自由電子移動產生的電流。 2. 空穴移動產生的電流?？昭ㄒ苿赢a生的電流。(11-12)2. 2. 雜質半導體雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會在本征半導體中摻入某些微

6、量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P 型半導體：型半導體：空穴濃度大大增加的雜質半導體，也空穴濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（空穴半導體）。稱為（空穴半導體）。N 型半導體：型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質半導體，自由電子濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（電子半導體）。也稱為（電子半導體）。negativepositive(1-13) Si Si Si Sip+多多余余電電子子磷原子磷原子在常溫下即可在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮幼優(yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€失去一個電子變

7、為電子變?yōu)檎x子正離子(1-14) Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴動畫動畫(11-15)(11-16)金屬和半導體的導電機理有何不同？金屬和半導體的導電機理有何不同？金屬是自由電子的移動產生電流；金屬是自由電子的移動產生電流；半導體的空穴和電子移動產生電流，半導體的空穴和電子移動產生電流，但由于多子和少子的數(shù)量相差很大，但由于多子和少子的數(shù)量相差很大，起導電作用的主要是多子。起導電作用的主要是多子。(1-17)多子的擴散運動多子的擴散運動內電場內電場少子的漂移運動少子的漂移運動濃度差濃度差空間電荷區(qū)也稱空間電荷區(qū)也稱 PN 結結 +形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)(11-18)1 1

8、、空間電荷區(qū)中沒有載流子。、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2 2、空間電荷區(qū)中內電場阻礙、空間電荷區(qū)中內電場阻礙P P中的空穴、中的空穴、N區(qū)區(qū) 中的電子（中的電子（都是多子都是多子）向對方運動（）向對方運動（擴散擴散運動運動）。）。3 3、P 區(qū)中的電子和區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（區(qū)中的空穴（都是少都是少），），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意注意: :(11-19) PN結的單向導電性結的單向導電性 PN 結結加上正向電壓加上正向電壓、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是： P 區(qū)區(qū)加正、加正、N 區(qū)加負電壓。區(qū)加負電壓。 PN 結結加上反向電壓加上

9、反向電壓、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是： P區(qū)區(qū)加負、加負、N 區(qū)加正電壓。區(qū)加正電壓。思考：正向偏置和反向偏置對內電場思考：正向偏置和反向偏置對內電場的作用有何不同？的作用有何不同？(11-20)+RE一、一、PN 結正向偏置結正向偏置內電場內電場外電場外電場變薄變薄PN+_內電場被削弱，多子內電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。較大的擴散電流。(11-21)二、二、PN 結反向偏置結反向偏置+內電場內電場外電場外電場變厚變厚NP+_內電場被被加強，多子內電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有移加強，但少子數(shù)量

10、有限，只能形成較小的反限，只能形成較小的反向電流。向電流。RE(11-22)PNPN結的形成結的形成擴散運動和漂移運動的動態(tài)平衡擴散運動和漂移運動的動態(tài)平衡擴散強擴散強漂移運動增強漂移運動增強內電場增強內電場增強兩者平衡兩者平衡PNPN結寬度基本穩(wěn)定結寬度基本穩(wěn)定外加外加電壓電壓平衡平衡破壞破壞擴散強擴散強漂移強漂移強PNPN結導通結導通PNPN結截止結截止(11-23)PN結的單向導電性正向偏置和反向偏置時，流過正向偏置和反向偏置時，流過PN結的電流有何不同？結的電流有何不同？理想情況下，正向偏置和反向偏置時，理想情況下，正向偏置和反向偏置時，PN結在電路中結在電路中的作用有何不同？的作用有

11、何不同？正向偏置：正向偏置：PNPN結呈現(xiàn)低阻導通狀態(tài)，通過結呈現(xiàn)低阻導通狀態(tài)，通過PNPN結的結的電流基本是多子的擴散電流電流基本是多子的擴散電流正向電流正向電流反向偏置：反向偏置：PNPN結呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過結呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過PNPN結的電流結的電流是少子的漂移電流是少子的漂移電流-反向電流反向電流(11-24)(11-25)點接觸型點接觸型正極正極引線引線觸絲觸絲N 型鍺片型鍺片外殼外殼負極負極引線引線負極引線負極引線 面接觸型面接觸型N型鍺型鍺PN 結結 正極引線正極引線鋁合金鋁合金小球小球底座底座金銻金銻合金合金正極正極引線引線負極負極引線引線集成電路中平面型集成電路中平面型PNP

12、 型支持襯底型支持襯底符號：符號：PND D(11-26) 二、伏安特性二、伏安特性UI死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.6V,鍺管鍺管0.2V。導通壓降導通壓降: : 硅硅管管0.60.7V,鍺鍺管管0.20.3V。反向擊穿反向擊穿電壓電壓UBR不同區(qū)域二極管在電路中不同區(qū)域二極管在電路中的作用有何不同？的作用有何不同？(1-27)(11-28)定性分析：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導通導通截止截止 若二極管是理想的，若二極管是理想的，(11-29)例例1：D6V12V3k BAUAB+(11-30)例例2:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+(11-3

13、1)V sin18itu t (11-32)二極管應用舉例二極管應用舉例 主要利用二極管的單向導電性。可用于整流、檢波、限主要利用二極管的單向導電性。可用于整流、檢波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關元件。幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關元件。 例例: 圖中電路，輸入端圖中電路，輸入端A的電位的電位VA=+3V，B的電位的電位VB=0V，求輸出端，求輸出端Y的電位的電位VY。電阻。電阻R接負電源接負電源-12V。（兩個二極管均為鍺二級管，正向壓降（兩個二極管均為鍺二級管，正向壓降0.3V）VY=+2.7V解：解：DA優(yōu)先導通，優(yōu)先導通， DA導通后，導通后， DB上加的是反向電壓，上

14、加的是反向電壓，因而截止。因而截止。DA起鉗位作用，起鉗位作用， DB起隔離作用。起隔離作用。-12VAB+3V0VDBDAY(11-33)二極管的應用舉例二極管的應用舉例tttuiuRuoRRLuiuRuo(11-34)11.3 特殊二極管特殊二極管11.3.1 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管UIIZIZmax UZ IZ穩(wěn)壓穩(wěn)壓誤差誤差曲線越陡，曲線越陡，電壓越穩(wěn)電壓越穩(wěn)定。定。+-UZ動態(tài)電阻：動態(tài)電阻：ZZIUZrrz越小，穩(wěn)壓越小，穩(wěn)壓性能越好。性能越好。(11-35)（4）穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗）最大允許功耗max

15、ZZZMIUP穩(wěn)壓二極管的參數(shù)穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ（2）電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) U（%/） 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動態(tài)電阻）動態(tài)電阻ZZIUZr正向電壓還是反正向電壓還是反向電壓？向電壓？(11-36)穩(wěn)壓二極管的應用舉例穩(wěn)壓二極管的應用舉例uoiZDZRiLiuiRL5mA 20mA, V,10minmaxzzzWIIU穩(wěn)壓管的技術參數(shù)穩(wěn)壓管的技術參數(shù):k10LR負載電阻負載電阻 。要求要求當輸入電壓由正常值發(fā)當輸入電壓由正常值發(fā)生生 20%波動時，負載電壓基本不變。波動時，負載電壓基本不變。解：令輸入電壓達到上限時，流

16、過穩(wěn)壓管的電解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為流為Izmax 。求：求：電阻電阻R和輸入電壓和輸入電壓 ui 的正常值。的正常值。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi方程方程1(11-37)令輸入電壓降到下限令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電時，流過穩(wěn)壓管的電流為流為Izmin 。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi方程方程2uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程聯(lián)立方程1、2，可解得：，可解得：k50V7518.R,.ui(11-38)(11-39)(11-40)11.4 晶體三極管晶體三極管(11-41)(11-42)11.4 晶體

17、三極管晶體三極管11.4.1 基本結構基本結構BECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極NPN型型PNP集電極集電極基極基極發(fā)射極發(fā)射極BCEPNP型型(11-43)BECIBIEICNPN型三極管型三極管BECIBIEICPNP型三極管型三極管(11-44)BECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極基區(qū)：較薄，基區(qū)：較薄，摻雜濃度低摻雜濃度低集電區(qū)：集電區(qū)：面積較大面積較大發(fā)射區(qū)：摻發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高雜濃度較高集電結集電結發(fā)射結發(fā)射結(1-45)EEBRBRC(1-46)(11-47)BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO(11-48)4ICE與與IBE之比稱為之比稱為靜態(tài)靜

18、態(tài)電流電流（直流）（直流）放大倍數(shù)放大倍數(shù)要使三極管能放大電流，必須使要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結正發(fā)射結正偏，集電結反偏。偏，集電結反偏。BCCBOBCBOCBECEIIIIIIII(11-49)11.4.3 特性曲線特性曲線ICmA AVVUCEUBERBIBECEB 實驗線路實驗線路(11-50)一、一、輸入特性輸入特性UCE 1VIB( A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：工作壓降： 硅管硅管UBE 0.60.7V,鍺管鍺管UBE 0.20.3V。UCE=0VUCE =0.5V 死區(qū)電死區(qū)電壓，硅管壓，硅管0.5V，鍺，鍺管管0.2V。(11-51)二、二、輸出

19、特性輸出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此區(qū)域滿此區(qū)域滿足足IC= IB稱為線性稱為線性區(qū)（放大區(qū)（放大區(qū)）。區(qū)）。當當UCE大于一大于一定的數(shù)值時，定的數(shù)值時，IC只與只與IB有關，有關，IC= IB。(11-52)IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此區(qū)域中此區(qū)域中UCE UBE,集電結正偏，集電結正偏， IBIC，UCE 0.3V稱為飽和區(qū)。稱為飽和區(qū)。(11-53)IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此區(qū)域

20、中此區(qū)域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死區(qū)電死區(qū)電壓，稱為截壓，稱為截止區(qū)。止區(qū)。(11-54)三、主要參數(shù)三、主要參數(shù)前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接法，相應地還有共基、共公共點，稱為共射接法，相應地還有共基、共集接法。集接法。共射共射直流電流放大倍數(shù)直流電流放大倍數(shù)：BCII_工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號?；鶚O電流的變化量為直流上的交流信號?；鶚O電流的變化量為 IB，相應的集電極電流變化為相應的集電極電流變化為 IC，則則交流電流放交流電流放大倍數(shù)大

21、倍數(shù)為：為：BIIC1. 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)和和 _(11-55)2.集集- -基極反向截止電流基極反向截止電流ICBO AICBOICBO是集是集電結反偏電結反偏由少子的由少子的漂移形成漂移形成的反向電的反向電流，受溫流，受溫度的變化度的變化影響。影響。(11-56)BECNNPICBOICEO= IBE+ICBO IBE IBEICBO進入進入N區(qū)，形成區(qū)，形成IBE。根據(jù)放大關系，根據(jù)放大關系，由于由于IBE的存的存在，必有電流在，必有電流 IBE。集電結反集電結反偏有偏有ICBO3. 集集- -射極反向截止電流射極反向截止電流ICEOICEO受溫度影響受溫度影響很大，當溫度上很大

22、，當溫度上升時，升時，ICEO增加增加很快，所以很快，所以IC也也相應增加。相應增加。三極三極管的溫度特性較管的溫度特性較差差。(11-57)4.集電極最大電流集電極最大電流ICM集電極電流集電極電流IC上升會導致三極管的上升會導致三極管的 值的下降，值的下降，當當 值下降到正常值的三分之二時的集電極電值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為流即為ICM。5.集集-射極反向擊穿電壓射極反向擊穿電壓當集當集-射極之間的電壓射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值超過一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25 C、基極開路時的擊穿電壓基極開路時的擊穿

23、電壓U(BR)CEO。(11-58)6. 集電極最大允許功耗集電極最大允許功耗PCM 集電極電流集電極電流IC 流過三極管，流過三極管， 所發(fā)出的焦耳所發(fā)出的焦耳 熱為：熱為：PC =ICUCE 必定導致結溫必定導致結溫 上升，所以上升，所以PC 有限制。有限制。PC PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)安全工作區(qū)(11-59)例：例：UCE=6V時時：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。5 .3704. 05 . 1_BCII4004. 006. 05 . 13 . 2BCII在以后的計算中，一般作近似處理：

24、在以后的計算中，一般作近似處理： =(11-60)11.5 場效應晶體管場效應晶體管場效應管與雙極型晶體管不同，它是多子場效應管與雙極型晶體管不同，它是多子導電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。導電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。P溝道溝道增強型增強型耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道（耗盡型）（耗盡型）JFET結型結型MOSFET絕緣柵型絕緣柵型FET場效應管場效應管N溝道溝道(11-61)N基底基底 ：N型半導體型半導體PP兩邊是兩邊是P區(qū)區(qū)G(柵極柵極)S源極源極D漏極漏極一、結構一、結構11.5.1 結型場效應管結型場效應管:導電溝道導電溝道(11-62)NPPG(柵極柵極)S

25、源極源極D漏極漏極N溝道結型場效應管溝道結型場效應管DGSDGS(11-63)PNNG(柵極柵極)S源極源極D漏極漏極P溝道結型場效應管溝道結型場效應管DGSDGS(11-64)二、工作原理（以二、工作原理（以P溝道為例）溝道為例）UDS=0V時時PGSDUDSUGSNNNNIDPN結反偏，結反偏，UGS越大則耗盡區(qū)越越大則耗盡區(qū)越寬，導電溝道越寬，導電溝道越窄。窄。(11-65)PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V時時NNUGS越大耗盡區(qū)越寬，越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。溝道越窄，電阻越大。但當?shù)擴GS較小時，耗盡較小時，耗盡區(qū)寬度有限，存在導區(qū)寬度有限，存在導電溝道。電溝道。DS間相當于間相當于線性電阻。線性電阻。(11-66)PGSDUDSUGSNNUDS=0時時UGS達到一定值時達到一定值時（夾斷電壓夾斷電壓VP）,耗耗盡區(qū)碰到一起，盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，間被夾斷，這時，即這時，即使使UDS 0V，漏極電，漏極電流流ID=0A。ID(11-67)PGSDUDSUGSUGS0、UGDVP時時耗盡區(qū)的形狀耗盡區(qū)的形狀NN越靠近漏端，越靠近漏端，PN結反壓越大結反壓越大ID(11-6