半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識(shí)

1.1

半導(dǎo)體二極管1.2

半導(dǎo)體三極管

1.3

場(chǎng)效晶體管

本章小結(jié)第一章半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1

什么是半導(dǎo)體

2．載流子：半導(dǎo)體中，攜帶電荷參與導(dǎo)電的粒子。自由電子：帶負(fù)電荷空穴：帶與自由電子等量的正電荷均可運(yùn)載電荷——載流子特性：在外電場(chǎng)作用下，載流子都可以做定向移動(dòng)，形成電流。

1．半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間,且隨著摻入雜質(zhì)、輸入電壓（電流）、溫度和光照條件的不同而發(fā)生很大變化，人們把這一類物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。1.1半導(dǎo)體二極管

3．N型半導(dǎo)體：主要靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體。即：電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。

4．P型半導(dǎo)體：主要靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。

1.1.2

PN結(jié)即：電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。

PN結(jié)：經(jīng)過(guò)特殊的工藝加工，將P

型半導(dǎo)體和N

型半導(dǎo)體緊密地結(jié)合在一起，則在兩種半導(dǎo)體的交界面就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)特殊的接觸面，稱為PN結(jié)。

PN

結(jié)具有單向?qū)щ娞匦浴?.1半導(dǎo)體二極管

（1）正向?qū)ǎ弘娫凑龢O接P型半導(dǎo)體，負(fù)極接N型半導(dǎo)體，電流大。

（2）反向截止：電源正極接N型半導(dǎo)體，負(fù)極接P型半導(dǎo)體，電流小。結(jié)論：PN

結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，加反向電壓時(shí)截止，這種特性稱為PN

結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>

1.1半導(dǎo)體二極管如果反向電流未超過(guò)允許值，反向電壓撤除后，PN

結(jié)仍能恢復(fù)單向?qū)щ娦浴?/p>

反向擊穿：PN結(jié)兩端外加的反向電壓增加到一定值時(shí)，反向電流急劇增大，稱為PN結(jié)的反向擊穿。

熱擊穿：若反向電流增大并超過(guò)允許值，會(huì)使PN

結(jié)燒壞，稱為熱擊穿。結(jié)電容：PN結(jié)存在著電容，該電容為PN

結(jié)的結(jié)電容。1.1半導(dǎo)體二極管1.1.3

半導(dǎo)體二極管

1．半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕梢杂脕?lái)制造一種半導(dǎo)體器件——半導(dǎo)體二極管。

箭頭表示正向?qū)娏鞯姆较颉?/p>

電路符號(hào)如圖所示。1.1半導(dǎo)體二極管由于管芯結(jié)構(gòu)不同，二極管又分為點(diǎn)接觸型（如圖a）、面接觸型（如圖b）和平面型（如圖c）。

點(diǎn)接觸型：PN結(jié)接觸面小，適宜在小電流狀態(tài)下使用。面接觸型、平面型：PN結(jié)接觸面大，截流量大，適合于大電流場(chǎng)合中使用。1.1半導(dǎo)體二極管

2．二極管的特性

伏安特性：二極管的導(dǎo)電性能由加在二極管兩端的電壓和流過(guò)二極管的電流來(lái)決定，這兩者之間的關(guān)系稱為二極管的伏安特性。硅二極管的伏安特性曲線如圖所示。特性曲線1.1半導(dǎo)體二極管

②正向?qū)ǎ寒?dāng)外加電壓大于死區(qū)電壓后，電流隨電壓增大而急劇增大，二極管導(dǎo)通。

①死區(qū)：當(dāng)正向電壓較小時(shí)，正向電流極小，二極管呈現(xiàn)很大的電阻，如OA段，通常把這個(gè)范圍稱為死區(qū)。

死區(qū)電壓：

導(dǎo)通電壓：?íì=onV0.2V~0.3V（Ge）0.6V~0.7V（Si）

結(jié)論：正偏時(shí)電阻小，具有非線性。

（1）正向特性（二極管正極電壓大于負(fù)極電壓）1.1半導(dǎo)體二極管?íì=(Si）V0.2V5.0TV(Ge）

②反向擊穿：若反向電壓不斷增大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流就會(huì)突然增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。

①反向飽和電流：當(dāng)加反向電壓時(shí)，二極管反向電流很小，而且在很大范圍內(nèi)不隨反向電壓的變化而變化，故稱為反向飽和電流。

（2）反向特性（二極管負(fù)極電壓大于正極電壓）

普通二極管不允許出現(xiàn)此種狀態(tài)。

結(jié)論：反偏電阻大，存在電擊穿現(xiàn)象。二極管屬于非線性器件

1.1半導(dǎo)體二極管

3．半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)

（1）最大整流電流IF：

二極管長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)允許通過(guò)的最大直流電流。

二極管正常使用時(shí)允許加的最高反向電壓。使用時(shí)應(yīng)注意流過(guò)二極管的正向最大電流不能大于這個(gè)數(shù)值，否則可能損壞二極管。

（2）最高反向工作電壓VRM使用中如果超過(guò)此值，二極管將有被擊穿的危險(xiǎn)。1.1半導(dǎo)體二極管1.2.1半導(dǎo)體三極管的基本結(jié)構(gòu)與分類

1．結(jié)構(gòu)及符號(hào)三極：發(fā)射極E、基極B、集電極

C。三區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)。1.2半導(dǎo)體三極管

PNP型及NPN型三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖所示。

實(shí)際上發(fā)射極箭頭方向就是發(fā)射結(jié)正向電流方向。

兩結(jié)：發(fā)射結(jié)、集電結(jié)。

（1）按半導(dǎo)體基片材料不同：NPN型和PNP型。

（2）按功率分：小功率管和大功率管。

（3）按工作頻率分：低頻管和高頻管。

（4）按管芯所用半導(dǎo)體材料分：鍺管和硅管。

（5）按結(jié)構(gòu)工藝分：合金管和平面管。

（6）按用途分：放大管和開(kāi)關(guān)管。

2．分類1.2半導(dǎo)體三極管三極管常采用金屬、玻璃或塑料封裝。常用的外形及封裝形式如圖所示。

3．外形及封裝形式1.2半導(dǎo)體三極管

1．三極管各電極上的電流分配

三極管電流分配實(shí)驗(yàn)電路如圖所示。1.2.2

三極管的電流放大作用1.2半導(dǎo)體三極管

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1-1三極管三個(gè)電極上的電流分配IB/mA00.010.020.030.040.05IC/mA0.010.561.141.742.332.91IE/mA0.010.571.161.772.372.96結(jié)論：IE=IB+IC

三極管的電流分配規(guī)律：發(fā)射極電流等于基極電流和極電極電流之和。1.2半導(dǎo)體三極管

2．三極管的電流放大作用由表1-1的數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)基極電流

IB由0.03mA

變到0.04mA

時(shí)，集電極電流IC

由1.74mA

變到2.23mA

。上面兩個(gè)變化量之比為1.2半導(dǎo)體三極管

（1）三極管的電流放大作用，實(shí)質(zhì)上是用較小的基極電流信號(hào)控制集電極的大電流信號(hào)，是“以小控大”的作用。

由此可見(jiàn)，基極電流的微小變化控制了集電極電流較大的變化，這就是三極管的電流放大原理。結(jié)論：要使三極管起放大作用，必須保證發(fā)射結(jié)加正向偏置電壓，集電結(jié)加反向偏置電壓。

（2）三極管的放大作用，需要一定的外部條件。

注意：1.2半導(dǎo)體三極管

利用三極管的電流放大作用，可以用來(lái)構(gòu)成放大器，其方框圖如圖所示。

（1）共發(fā)射極電路（CE）：把三極管的發(fā)射極作為公共端子。

三極管在構(gòu)成放大器時(shí)，有三種基本連接方式：1.2.3

三極管的基本連接方式1.2半導(dǎo)體三極管（2）共基極電路（CB）：把三極管的基極作為公共端子。（3）共集電極電路（CC）：把三極管的集電極作為公共端子。1.2半導(dǎo)體三極管

輸入特性：在VCE一定的條件下，加在三極管基極與發(fā)射極之間的電壓VBE和它產(chǎn)生的基極電流IB

之間的關(guān)系。

1．輸入特性曲線1.2.4

三極管的特性曲線1.2半導(dǎo)體三極管

改變RP2可改變VCE，VCE一定后，改變RP1可得到不同的VBE和IB

。由圖可見(jiàn)：（1）當(dāng)V

CE

≥1V時(shí)，特性曲線基本重合。（2）當(dāng)VBE

很小時(shí)，IB等于零，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。1.2半導(dǎo)體三極管（4）三極管導(dǎo)通后，VBE基本不變。硅管約為0.7V，鍺管約為0.3V，稱為三極管的導(dǎo)通電壓。（5）VBE與IB

成非線性關(guān)系。（3）當(dāng)VBE大于門(mén)檻電壓（硅管約0.5V，鍺管約0.2V）時(shí)，IB逐漸增大，三極管開(kāi)始導(dǎo)通。1.2半導(dǎo)體三極管

輸出特性：在

IB

一定條件下時(shí)，集電極極與發(fā)射極之間的電壓VCE和集電極電流IC

之間的關(guān)系。

2．輸出特性曲線1.2半導(dǎo)體三極管先調(diào)節(jié)RP1，使IB為一定值，再調(diào)節(jié)RP2得到不同的VCE、IC。測(cè)試電路如圖所示。輸出特性曲線1.2半導(dǎo)體三極管條件：發(fā)射結(jié)反偏或兩端電壓為零。（2）放大區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。特點(diǎn)：

IC受IB控制，即IC=IB

。在放大狀態(tài)，當(dāng)IB一定時(shí)，IC不隨VCE變化，即放大狀態(tài)的三極管具有恒流特性。

（3）飽和區(qū)條件：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏。

VCES

稱為飽和管壓降，小功率硅管約0.3V，鍺管約為0.1V。輸出特性曲線族可分三個(gè)區(qū)：特點(diǎn)：VCE=VCES。（1）截止區(qū)

特點(diǎn)：IB=0，IC=ICEO。1.2半導(dǎo)體三極管

3．三極管的主要參數(shù)：

②集電極—發(fā)射極反向飽和電流ICEO。

①集電極—基極反向飽和電流ICBO。（2）極間反向飽和電流

選用管子時(shí)，值應(yīng)恰當(dāng)，一般說(shuō)來(lái)，值太大的管子工作穩(wěn)定性差。（1）共射極電流放大倍數(shù)

兩者關(guān)系：

ICEO=（1+）ICBO1.2半導(dǎo)體三極管（3）極限參數(shù)

②反向擊穿電壓。

當(dāng)基極開(kāi)路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間所能承受的最高反向電壓—V（BR）CEO。

當(dāng)發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極與基極之間所能承受的最高反向電壓—V（BR）CBO。

當(dāng)集電極開(kāi)路時(shí)，發(fā)射極與基極之間所能承受的最高反向電壓—V（BR）EBO。1.2半導(dǎo)體三極管

當(dāng)IC過(guò)大時(shí)，電流放大系數(shù)將下降。在技術(shù)上規(guī)定，

下降到正常值的2/3時(shí)的集電極電流稱集電極最大允許電流。

①集電極最大允許電流ICM。

在三極管因溫度升高而引起的參數(shù)變化不超過(guò)允許值時(shí)，集電極所消耗的最大功率稱集電極最大允許耗散功率。

三極管應(yīng)工作在三極管最大損耗曲線圖中的安全工作區(qū)。三極管最大損耗曲線如圖所示。

③集電極最大允許耗散功率PCM1.2半導(dǎo)體三極管

1．用萬(wàn)用表判別三極管的管型和管腳方法：

①黑表筆和三極管任一管腳相連，紅表筆分別和另外兩個(gè)管腳相連測(cè)其阻值，若阻值一大一小，則將黑表筆所接的管腳調(diào)換重新測(cè)量，直至兩個(gè)阻值接近。如果阻值都很小，則黑表筆所接的為NPN型三極管的基極。若測(cè)得的阻值都很大，則黑表筆所接的是PNP型三極管的基極。1.2.5

三極管的簡(jiǎn)易測(cè)試1.2半導(dǎo)體三極管

②若為NPN型三極管，將黑紅表筆分別接另兩個(gè)引腳，用手指捏住基極和假設(shè)的集電極，觀察表針擺動(dòng)。再將假設(shè)的集電極和發(fā)射極互換，按上述方法重測(cè)。比較兩次表針擺幅，擺幅較大的一次黑表筆所接的管腳為集電極，紅表筆所接的管腳為發(fā)射極。

③若為PNP型三極管，只要將紅表筆和黑表筆對(duì)換再按上述方法測(cè)試即可。1.2半導(dǎo)體三極管

2．判斷三極管的好壞

（1）萬(wàn)用表置于“R

1k”擋或“R

100”擋位。

（2）方法：分別測(cè)量三極管集電結(jié)與發(fā)射結(jié)的正向電阻和反向電阻，只要有一個(gè)PN結(jié)的正、反向電阻異常，就可判斷三極管已壞。1.2半導(dǎo)體三極管

3．判斷三極管的大小

將兩個(gè)NPN管接入判斷三極管C腳和E腳的測(cè)試電路，如圖所示，萬(wàn)用表顯示阻值小的管子的

值大。

4．判斷三極管ICEO的大小

以NPN型為例，用萬(wàn)用表測(cè)試C、E間的阻值，阻值越大，表示ICEO越小。1.2半導(dǎo)體三極管

1．片狀三極管的封裝

小功率三極管：額定功率在100mW~200mW

的小功率三極管，一般采用SOT-23形式封裝。如圖所示。

1—基極，2—發(fā)射極，3—集電極。1.2.6

片狀三極管1.2半導(dǎo)體三極管

大功率三極管：額定功率在1W~1.5W的大功率三極管，一般采用SOT-89形式封裝。

1—基極，3—發(fā)射極，2、4（內(nèi)部連接在一起）—集電極。1.2半導(dǎo)體三極管

在三極管的管芯內(nèi)加入一只或兩只偏置電阻的片狀三極管稱帶阻片狀三極管。

2．帶阻片狀三極管1.2半導(dǎo)體三極管帶阻片狀三極管型號(hào)及極性。表1-2部分帶阻片狀三極管型號(hào)和極性型號(hào)極性R1/R2型號(hào)極性R1/R2DTA114YP10k/47kDTC114EN10k/10kDTA114EP100k/100kDTC124EN22k/22kDTA123YP2.2k/2.2kDTC114N47k/47kDTA143XP4.7k/22kDTC114WKN47k/22kDTC143XN4.7k/10kDTC114TNR1=10kDTC363EN6.8k/6.8kDTC124TNR1=22k1.2半導(dǎo)體三極管

3．復(fù)合雙三極管

在一個(gè)封裝內(nèi)包含兩只三極管的新型器件。1.2半導(dǎo)體三極管

常見(jiàn)外型封裝形式如圖所示。

UM—6

SOT—25

SOT—36

1.3場(chǎng)效晶體管

半導(dǎo)體三極管是利用輸入電流控制輸出電流的半導(dǎo)體器件，稱為電流控制型器件。

場(chǎng)效晶體管是利用輸入電壓產(chǎn)生電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出電流的器件，稱為電壓控制器件。

根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理不同，場(chǎng)效晶體管可分為{結(jié)型（JFET）絕緣柵型（MOSFET）1.3.1

結(jié)型場(chǎng)效晶體管

1．符號(hào)和分類結(jié)型場(chǎng)效晶體管的電路符號(hào)和外形如圖所示。三個(gè)電極：漏極（D），源極（S）和柵極（G），D和S可交換使用，電路符號(hào)和外形如圖所示。。

結(jié)型場(chǎng)效晶體管可分為P溝道和N溝道兩種，在電路符號(hào)中用箭頭加以區(qū)別。1.3場(chǎng)效晶體管

2．電壓放大作用場(chǎng)效晶體管的放大電路如圖所示。場(chǎng)效晶體管共源極電路中，漏極電流受柵源電壓控制。

場(chǎng)效晶體管是電壓控制器件，具有電壓放大作用。1.3場(chǎng)效晶體管1.3.2

絕緣柵場(chǎng)效晶體管柵極與漏、源極完全絕緣的場(chǎng)效晶體管，稱絕緣柵場(chǎng)效晶體管（MOSFET）。

輸入電阻很大，在

1012

以上。

它也有N溝道和P溝道兩大類，每一類中又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。1.3場(chǎng)效晶體管

1．電路符號(hào)和分類

①N溝道—箭頭指向內(nèi)。溝道用虛線為增強(qiáng)型，用實(shí)線為耗盡型，N溝道稱NMOS管。

②P溝道—箭頭指向外。溝道用虛線為增強(qiáng)型，用實(shí)線為耗盡型，P溝道稱PMOS管。1.3場(chǎng)效晶體管四種場(chǎng)效晶體管的電路符號(hào)如圖所示。

P溝道增強(qiáng)型

N溝道耗盡型

P溝道耗盡型

N溝道增強(qiáng)型

2．結(jié)構(gòu)和工作原理（1）結(jié)構(gòu)1.3場(chǎng)效晶體管

②在源區(qū)和漏區(qū)之間的襯底表面覆蓋一層很薄的絕緣層，再在絕緣層上覆蓋一層金屬薄層，形成柵極（G）。

①N型區(qū)引出兩個(gè)電極：漏極（D）、源極（S）。

③從襯底基片上引出一個(gè)電極，稱為襯底電極。以N溝道增強(qiáng)型MOSFET為例

。

（2）工作原理

①當(dāng)VGS=0

，在漏、源極間加一正向電壓VDS

時(shí)，漏源極之間的電流ID=0

。

②

當(dāng)VGS>VT

，在絕緣層和襯底之間感應(yīng)出一個(gè)反型層，使漏極和源極之間產(chǎn)生導(dǎo)電溝道。在漏、源極間加一正向電壓VDS

時(shí)，將產(chǎn)生電流ID

?？偨Y(jié)：

VGS越大，導(dǎo)電溝道越寬，溝道電阻越小，ID越大。則通過(guò)調(diào)節(jié)VGS可控制漏極電流ID

。（3）輸出特性和轉(zhuǎn)移特性（與晶體管類似）。1.3場(chǎng)效晶體管

3．電壓放大作用

MOS場(chǎng)效晶體管放大電路與結(jié)型場(chǎng)效晶體管放大電路的工作原理相似。

N溝道耗盡型場(chǎng)效晶體管的VGS可取