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文檔簡介

第一章常用半導體器件在二十世紀的近代科學,特別是量子力學發(fā)展知道金屬材料擁有良好的導電與導熱特性,而陶瓷材料則沒有。

1883年,英國法拉第發(fā)現(xiàn):硫化銀的電阻隨著溫度上升而降低。1874年,德國的布勞恩注意到:硫化物的電導率與所加電壓的方向有關(guān),這就是半導體的整流作用。1906年,美國電機發(fā)明家匹卡發(fā)明了第一個固態(tài)電子元件:無線電波偵測器。它使用金屬與硅或硫化物相接觸所產(chǎn)生的整流功能來偵測無線電波。1939年,德國的肖特基在《德國物理學報》發(fā)表了一篇有關(guān)整流理論的重要論文,做了許多推論,他認為金屬與半導體間有勢壘的存在,其主要貢獻就在于精確計算出這個勢壘的形狀與寬度。1.1半導體基礎(chǔ)知識

根據(jù)物體導電能力(電阻率)的不同,來劃分導體、絕緣體和半導體。半導體的電阻率為10-3~109cm。常用的半導體材料有:(1)元素半導體:硅(Si)和鍺(Ge)等四價元素。(2)化合物半導體:砷化鎵(GaAs)等。1.1.1本征半導體及其導電性本征半導體——

純凈的半導體。

制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%,常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。

圖1.1硅原子空間排列硅、鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4

硅和鍺是四價元素,在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有,并為它們所束縛,在空間形成排列有序的晶體。

圖1.2硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)電子空穴對

當導體處于熱力學溫度0K時,導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時,價電子能量增高,有的價電子可以掙脫原子核的束縛,而參與導電,成為自由電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā),也稱熱激發(fā)。

自由電子產(chǎn)生的同時,在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位,原子的電中性被破壞,呈現(xiàn)出正電性,其正電量與電子的負電量相等,人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。本征激發(fā)和復合過程因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的,稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去,稱為復合,如圖1.3所示。本征激發(fā)和復合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。圖1.3本征激發(fā)和復合的過程

常溫下,因自由電子的濃度很低,所以本征半導體的導電能力很低。摻雜半導體(1)N型半導體:摻入5價元素的半導體。

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì),可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導體稱為雜質(zhì)半導體。(2)P型半導體:摻入3價元素的半導體。N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素,例如磷,可形成N型半導體,也稱電子型半導體。因五價雜質(zhì)原子中多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子,因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。

圖1.4N型半導體結(jié)構(gòu)示意圖P型半導體

在本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素,如硼、鎵、銦等形成了P型半導體,也稱為空穴型半導體。因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時,缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。P型半導體中空穴是多數(shù)載流子,主要由摻雜形成;電子是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成??昭ê苋菀追@電子,使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。圖1.5P型半導體的結(jié)構(gòu)示意圖雜質(zhì)對半導體導電性的影響

摻入雜質(zhì)對本征半導體的導電性有很大的影響,一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:

4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3PN結(jié)的形成內(nèi)電場P區(qū)N區(qū)P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)濃度差異多子擴散內(nèi)電場增強少子漂移內(nèi)電場減弱動態(tài)平衡PN結(jié)的單向?qū)щ娦?、PN結(jié)加正向電壓時的導電情況

外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū),方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反,削弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱,擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流,可忽略漂移電流的影響,PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。

圖1.7PN結(jié)加正向電壓時的導電情況+f外f內(nèi)PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

外加的反向電壓有一部分降落在N結(jié)區(qū),方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同,加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強,擴散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流,可忽略擴散電流,PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。圖1.8PN結(jié)加反向電壓時的導電情況2、PN結(jié)加反向電壓時的導電情況PN結(jié)的電容效應PN結(jié)具有一定的電容效應,分為:一、勢壘電容CB

,二、擴散電容CD

。

一、勢壘電容CB

勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子層形成的。當外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時,離子薄層的厚度也相應地隨之改變,這相當PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化,猶如電容的充放電。(2)擴散電容CD

擴散電容是由多子擴散后在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時,由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子與外電源提供的空穴相復合,形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近,形成一定的多子濃度梯度分布曲線。當外加正向電壓不同時,擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同,這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。PN結(jié)的擊穿特性

當反向電壓超過反向擊穿電壓UBR時,反向電流將急劇增大,而PN結(jié)的反向電壓值卻變化不大,此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。有兩種解釋:雪崩擊穿:當反向電壓足夠高時(U>6V)PN結(jié)中內(nèi)電場較強,使參加漂移的載流子加速,與中性原子相碰,使之價電子受激發(fā)產(chǎn)生新的電子空穴對,又被加速,而形成連鎖反應,使載流子劇增,反向電流驟增。齊納擊穿:對摻雜濃度高的半導體,PN結(jié)的耗盡層很薄,只要加入不大的反向電壓(U<4V),耗盡層可獲得很大的場強,足以將價電子從共價鍵中拉出來,而獲得更多的電子空穴對,使反向電流驟增。半導體二極管的結(jié)構(gòu)類型

在PN結(jié)上加上引線和封裝,就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.11所示。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型圖1.11二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(c)平面型(3)平面型二極管

往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小,用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管(b)面接觸型PN結(jié)面積大,用于工頻大電流整流電路。半導體二極管的伏安特性曲線

半導體二極管的伏安特性曲線如圖1.12所示。處于第一象限的是正向伏安特性曲線,第三象限的是反向伏安特性曲線。根據(jù)理論推導,二極管的伏安特性曲線可用下式表示:圖1.12二極管的伏安特性曲線

式中IS為反向飽和電流,uD為二極管兩端的電壓降,UT=kT/q

稱為溫度的電壓當量,k為玻耳茲曼常數(shù),q

為電子電荷量,T為熱力學溫度。對于室溫(相當T=300K),則有VT=26mV。(1)正向特性

硅二極管的死區(qū)電壓Uth=0.5V左右,

鍺二極管的死區(qū)電壓Uh=0.1V左右。

當0<uD<Uth時,正向電流為零,Vth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。當V>Vth時,開始出現(xiàn)正向電流,并按指數(shù)規(guī)律增長。(2)反向特性當VBR<uD<0時,反向電流很小,且基本不隨反向電壓的變化而變化,此時的反向電流也稱反向飽和電流IS

。當uD

≥VBR時,反向電流急劇增加,VBR稱為反向擊穿電壓。半導體二極管的參數(shù)(1)最大整流電流IF:二極管長期連續(xù)工作時,允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓VBR(3)最大反向工作電壓VRM:在實際工作時,最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。

(4)反向電流IR:室溫下在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級;鍺二極管在微安(A)級。半導體二極管的參數(shù)(續(xù))

(5)正向壓降VF

:在規(guī)定的正向電流下,二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下,約0.6~0.8V;鍺二極管約0.2~0.3V。(6)動態(tài)電阻rd:二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然,rd與工作電流的大小有關(guān),即rd=VF/IF半導體二極管的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下:P半導體二極管實物圖特殊二極管

穩(wěn)壓二極管是應用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。其伏安特性曲線的反向區(qū)、符號和典型應用電路如圖1.14所示。

特殊二極管包括穩(wěn)壓管、光電二極管、發(fā)光二極管等,下面著重介紹穩(wěn)壓二極管。(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動態(tài)電阻rZrZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率PZM=

VZ/IZ(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——VZ溫度的變化將使VZ改變,在穩(wěn)壓管中:當VZ

>7V時,VZ具有正溫度系數(shù),反向擊穿是雪崩擊穿。當VZ<4V時,VZ具有負溫度系數(shù),反向擊穿是齊納擊穿。當4V<VZ<7V時,穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標準穩(wěn)壓管使用。半導體二極管的應用1.整流2.鉗位VD1U=+5VFA圖1.15二極管鉗位電路R=3kVD2B半導體二極管的應用(續(xù)一)3.限幅(a)限幅電路(b)波形圖1.16二極管限幅電路及波形RVD1+uo-+ui--Us2++Us1-VD2ui/V10t-10uo/V+5-5t00半導體二極管的應用(續(xù)二)4.電路中的元件保護SVDeLLREi圖1.16二極管保護電路雙極型半導體三極管圖1.17雙極型三極管的結(jié)構(gòu)3區(qū)3極兩個結(jié);e濃b薄.集電區(qū)用C或c表示(Collector)

發(fā)射區(qū)用E或e表示(Emitter)

基區(qū)用B或b表示(Base)發(fā)射結(jié)(Je)集電結(jié)(Jc)雙極型半導體三極管的電流分配與控制圖1.18

三極管內(nèi)部載流子的運動情況-+-+RCcbeICIEIBVccVBBRBICBOICNIBNNPN發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。雙極型半導體三極管的電流分配與控制

發(fā)射結(jié)加正偏時,從發(fā)射區(qū)將有大量的電子向基區(qū)擴散,形成的電流為IE。

進入基區(qū)的電子流因基區(qū)的空穴濃度低,被復合的機會較少。又因基區(qū)很薄,在集電結(jié)反偏電壓的作用下,電子在基區(qū)停留的時間很短,很快就運動到了集電結(jié)的邊上,進入集電結(jié)的結(jié)電場區(qū)域,被集電極所收集,形成集電極電流ICN。在基區(qū)被復合的電子形成的電流是IBN。

另外,因集電結(jié)反偏,使集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。于是可得如下電流關(guān)系式:IC=ICN+ICBO

IB=IBN-ICBOIE=ICN+IBN

雙極型半導體三極管的電流關(guān)系

共集電極接法,集電極作為公共電極,用CC表示;

共基極接法,基極作為公共電極,用CB表示。共發(fā)射極接法,發(fā)射極作為公共電極,用CE表示;圖1.19三極管的三種組態(tài)共基極直流電流放大系數(shù)α:共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)β:IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=(IC+IB)+ICBO因≈1,所以>>1雙極型半導體三極管的特性曲線

輸入特性曲線——iB=f(vBE)

vCE=const

輸出特性曲線——

iC=f(vCE)

iB=const共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)ICEO使特性上翹可見:三極管是一個“流控流型的器件(CCCC)”共基極交流電流放大系數(shù)當ICBO和ICEO很小時,≈、≈特征頻率fT

三極管的值不僅與工作電流有關(guān),而且與工作頻率有關(guān)。由于結(jié)電容的影響,當信號頻率增加時,三極管的將會下降。當下降到1時所對應的頻率稱為特征頻率,用fT表示。集電極最大允許電流ICM

如圖1.22所示,當集電極電流增加時,就要下降,當值下降到線性放大區(qū)值的70~30%時,所對應的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。至于值下降多少,不同型號的三極管,不同的廠家的規(guī)定有所差別。可見,當IC>ICM時,并不表示三極管會損壞。圖1.22值與IC的關(guān)系集電極最大允許功率損耗PCM集電極電流通過集電結(jié)時所產(chǎn)生的功耗:

PCM=ICVCB≈ICVCE因發(fā)射結(jié)正偏,呈低阻,所以功耗主要集中在集電結(jié)上。在計算時往往用VCE取代VCB。

由PCM、ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定過損耗區(qū)、過電流區(qū)和擊穿區(qū),見圖1.23。圖1.23輸出特性曲線上的過損耗區(qū)和擊穿區(qū)例1.1:測量三極管三個電極對地電位如例圖

1.1所示,試判斷三極管的工作狀態(tài)。

例圖1.1三極管工作狀態(tài)判斷

放大截止飽和半導體三極管的型號國家標準對半導體三極管的命名如下:3

D

G

110B

第二位:A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位:X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關(guān)管

用字母表示材料

用字母表示器件的種類

用數(shù)字表示同種器件型號的序號

用字母表示同一型號中的不同規(guī)格

三極管例如:3AX31D、3DG123C、3DK100B場效應管

場效應半導體三極管是僅由一種載流子參與導電的半導體器件,是一種用輸入電壓控制輸出電流的的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分,它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。

場效應三極管從結(jié)構(gòu)上分為兩大類:

1.結(jié)型場效應三極管JFET

(JunctiontypeFieldEffectTransistor)2.絕緣柵型場效應三極管IGFET

(InsulatedGateFieldEffectTransistor)IGFET也稱金屬氧化物半導體三極管MOSFET

(MetalOxideSemiconductorFET)絕緣柵場效應三極管的工作原理

絕緣柵型場效應三極管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)又分為:

增強型

N溝道、P溝道

耗盡型

N溝道、P溝道N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號見圖1.24。其中:D(Drain)為漏極,相當c;

G(Gate)為柵極,相當b;

S(Source)為源極,相當e。圖1.24N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結(jié)構(gòu),它是在P型半導體上生成一層SiO2薄膜絕緣層,然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū),從N型區(qū)引出電極,一個是漏極D,一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導體稱為襯底,用符號B表示。圖1.25N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)N溝道增強型MOSFET的工作原理1.柵源電壓VGS的控制作用

當VGS=0V時,漏源之間相當兩個背靠背的二極管,在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。

當0<VGS<VGS(th)時(VGS(th)

稱為開啟電壓)

,通過柵極和襯底間的電容作用,將靠近柵極下方的P型半導體中的空穴向下方排斥,出現(xiàn)了一薄層負離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運動,但數(shù)量有限,不足以形成溝道,將漏極和源極溝通,所以不可能以形成漏極電流ID。圖1.26柵極下方出現(xiàn)耗盡層柵源電壓VGS的控制作用(續(xù)1)當VGS>VGS(th)時,由于此時的柵極電壓已經(jīng)比較強,在靠近柵極下方的P型半導體表層中聚集較多的電子,可以形成溝道,將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓,就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導電溝道中的電子,因與P型半導體的載流子空穴極性相反,故稱為反型層。圖1.27柵極下方出現(xiàn)反型層柵源電壓VGS的控制作用(續(xù)2)

隨著VGS的繼續(xù)增加,ID將不斷增加。在VGS=0V時ID=0,只有當VGS>VGS(th)后才會出現(xiàn)漏極電流,所以這種MOS管稱為增強型MOS管。VGS對漏極電流的控制關(guān)系ID=f(VGS)VDS=const稱為轉(zhuǎn)移特性曲線,見圖1.18。

iD=f(VGS)VDS=const=ID0(VGS/VGS(th)–1)2圖1.18增強型場效應管的轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極

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