第1章常用半導(dǎo)體器件

第

一

章常用半導(dǎo)體器件本章重點(diǎn)：本章難點(diǎn)：晶體三極管的導(dǎo)電機(jī)理PN結(jié)的組成原理與特性半導(dǎo)體二極管的特性與應(yīng)用雙極性晶體管的工作原理與特性曲線場(chǎng)效應(yīng)管的類型與工作原理1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.2半導(dǎo)體二極管1.3雙極型晶體管1.4場(chǎng)效應(yīng)管本章內(nèi)容常用半導(dǎo)體材料均為四價(jià)元素。1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體低價(jià)元素高價(jià)元素如Cu為+2價(jià)、Al為+3價(jià)如惰性氣體導(dǎo)電能力強(qiáng)不導(dǎo)電導(dǎo)電能力弱一種物質(zhì)的導(dǎo)電性能取決于它的載流子密度（濃度）。1.1.1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。1.1.1本征半導(dǎo)體一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)GeSi完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。1.1.1本征半導(dǎo)體一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：

共價(jià)鍵1.1.1本征半導(dǎo)體一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理1、本征激發(fā)半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)的現(xiàn)象條件：加熱、光照及射線照射+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子載流子二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理2、復(fù)合自由電子運(yùn)動(dòng)填補(bǔ)空穴兩者同時(shí)消失的現(xiàn)象+4+4+4+4電子的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于空穴的反向遷移P1=P2二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理3、總結(jié)本征激發(fā)復(fù)合動(dòng)態(tài)平衡注意：半導(dǎo)體有自由電子和空穴兩種載流子導(dǎo)電三、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度載流子濃度受環(huán)境溫度影響，計(jì)算公式為：自由電子的濃度空穴的濃度N型半導(dǎo)體中，自由電子為多子，空穴為少子。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中人為摻入某種“雜質(zhì)”元素形成的半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體雜質(zhì)元素V族元素P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中人為摻入某種“雜質(zhì)”元素形成的半導(dǎo)體二、P型半導(dǎo)體雜質(zhì)元素Ⅲ族元素1.1.3PN結(jié)一、半導(dǎo)體內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)1、漂移運(yùn)動(dòng)（DriftMovement）條件：有電場(chǎng)力作用表現(xiàn)：電子和空穴定向運(yùn)動(dòng)結(jié)論：產(chǎn)生漂移電流。2、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)條件：濃度差表現(xiàn)：電子和空穴定向運(yùn)動(dòng)結(jié)論：產(chǎn)生擴(kuò)散電流。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界處形成的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)也稱作“耗盡區(qū)”

“勢(shì)壘區(qū)”

二、PN結(jié)的形成濃度差引起載流子擴(kuò)散擴(kuò)散形成自建電場(chǎng)在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界處形成的空間電荷區(qū)二、PN結(jié)的形成自建電場(chǎng)阻止擴(kuò)散，加強(qiáng)漂移。擴(kuò)散=漂移動(dòng)態(tài)平衡PN結(jié)形成擴(kuò)散漂移1、PN結(jié)正向偏置三、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮區(qū)接高電位，N區(qū)接低電位正偏內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。結(jié)論：正向?qū)ㄒ噪娮拥倪\(yùn)動(dòng)進(jìn)行說明2、PN結(jié)反向偏置三、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮區(qū)接低電位，N區(qū)接高電位反偏結(jié)論：反向截止內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。四、PN結(jié)的電流方程玻耳茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K電子電荷量q=1.6×10-19C外加電壓取時(shí)反向飽和電流PN結(jié)的伏安特性曲線對(duì)應(yīng)表:五、PN結(jié)的伏安特性正向特性反向特性

注意：擊穿需要避免但并不意味著PN結(jié)燒壞。特殊情況PN結(jié)的反向擊穿反向電壓超過某一數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增加齊納擊穿雪崩擊穿高摻雜情況低摻雜情況五、PN結(jié)的伏安特性勢(shì)壘電容Cb勢(shì)壘電容：耗盡層寬窄變化所等效的電容。具有非線性，與結(jié)面積、耗盡層寬度、半導(dǎo)體的介電常數(shù)及外加電壓有關(guān)。擴(kuò)散電容：載流子濃度差所等效的電容。為了形成正向電流，注入P區(qū)的少子在P

區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。P+-N六、PN結(jié)的電容效應(yīng)擴(kuò)散電容Cd請(qǐng)問：以下知識(shí)點(diǎn)你掌握了嗎？1.本征半導(dǎo)體的載流子有幾種？分別為？2.摻雜半導(dǎo)體的種類？3.載流子在外力作用下有幾種運(yùn)動(dòng)？4.PN結(jié)是如何形成的？5.PN結(jié)有什么重要特性？返回本章首頁P(yáng)N結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線外殼線觸絲線基片點(diǎn)接觸型PN結(jié)面接觸型1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1基本結(jié)構(gòu)PN二極管的電路符號(hào)：UI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR1.2.2伏安特性1、正向特性死區(qū)電壓：硅管0.5V鍺管0.1V線性區(qū)：硅管0.6V～1V鍺管0.2V～0.5V對(duì)溫度變化敏感：溫度升高→正向特性曲線左移溫度每升高1℃→正向壓降減小約2mV。UI導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。2、反向特性反向電流：很小。硅管0.1微安鍺管幾十個(gè)微安受溫度影響大：溫度每升高10℃→反向電流增加約1倍。3、反向擊穿特性反向擊穿UBR:幾十伏以上。UI反向擊穿電壓UBR1.最大整流電流

IF2.反向擊穿電壓UBR1.2.3主要參數(shù)3.反向電流

IR4.最高工作頻率5.微變電阻5.微變電阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對(duì)Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例1：二極管半波整流1.2.4應(yīng)用舉例

ui

π2π3π4πtwo

uo（io）

π2π3π4πtwo

iD

π2π3π4πtwo

iD1iD3

iD2iD4

uo+_u+_RLD4D2

D1D3ioAB二極管的應(yīng)用舉例2：二極管全波整流二極管的應(yīng)用舉例3：限幅電路：如下圖，設(shè)vi(t)=3sinωt+-1.2.5穩(wěn)壓二極管專門工作于反向擊穿狀態(tài)的二極管→穩(wěn)壓管UIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。UZUIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+-UZ動(dòng)態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。1.2.5穩(wěn)壓二極管（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗1、穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓

UZ（2）電壓溫度系數(shù)U（%/℃）(3)動(dòng)態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。2、穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例uoiZDZRiLiuiRL已知:負(fù)載電阻。要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)20%波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓基本不變。求：電阻R和輸入電壓ui的正常值。解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax?！匠?uoiZDZRiLiuiRL令輸入電壓降到下限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin?！匠?uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程1、2，可解得：1、光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU照度增加1.2.6其他類型的二極管2、發(fā)光二極管有正向電流流過時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。請(qǐng)問：以下知識(shí)點(diǎn)你掌握了嗎？1.二極管的死區(qū)電壓是多少？導(dǎo)通電壓呢？2.理想二極管可以如何等效？3.二極管應(yīng)用在那些方面？4.穩(wěn)壓二極管利用了PN結(jié)的什么特性？5.穩(wěn)壓二極管使用時(shí)應(yīng)注意哪些問題？6.發(fā)光二極管有什么特性？光電二極管呢？返回本章首頁集電結(jié)發(fā)射結(jié)NPN型CPNNEB發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)基極發(fā)射極集電極BETCNPN1.3雙極型晶體管1.3.1結(jié)構(gòu)及類型PNP型NPPEB基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電區(qū)發(fā)射區(qū)集電極C發(fā)射極基極BETCPNP三極管在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)：(1)摻雜濃度：發(fā)射區(qū)>>集電區(qū)>>基區(qū)；(2)基區(qū)必須很薄。(3)集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)面積公共端晶體管具有電流放大作用的外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置集電結(jié)反向偏置共發(fā)射極放大電路IEIBRBUBBICUCC輸入電路輸出電路RCBCE1.3.2晶體管的電流放大作用1、晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)IBICIEVBBRBVCCRCNPN發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子形成發(fā)射極電流IE電子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合集電區(qū)收集電子電子流向電源正極形成ICEB正極拉走電子，補(bǔ)充被復(fù)合的空穴，形成IB由上所述可知:1由于基區(qū)很薄且摻雜濃度小,電子在基區(qū)擴(kuò)散的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于復(fù)合的數(shù)量。即：IC>>IB或△IC>>△IB

當(dāng)基極電路由于外加電壓或電阻改變而引起IB的微小變化時(shí)，必定使IC發(fā)生較大的變化。即三極管的基極電流對(duì)集電極電流具有控制作用。復(fù)合與擴(kuò)散到集電區(qū)的電子數(shù)目滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律直流放大倍數(shù)交流放大倍數(shù)兩者之間的關(guān)系2、晶體管的共射電流放大系數(shù)1.輸入特性曲線IB

=f(UBE)UCE=常數(shù)UCE≥1VUBE/VIB/μAO材料不同，死區(qū)電壓不同1.3.3晶體管的共射特性曲線IEIBRBUBBICUCC輸入電路輸出電路RCBCEO2.輸出特性曲線IC

=g

(UCE)|IB=

常數(shù)IB

減小IB增加UCEICIB

=20μAIB

=60μAIB

=40μAIEIBRBUBBICUCC輸入電路輸出電路RCBCEOUCEICIB

=20μAIB

=60μAIB

=40μA截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)

3.主要參數(shù)集電極基極間反向飽和電流ICBO集電極發(fā)射極間穿透電流ICEOICEO=(1+β)ICBO交流電流放大系數(shù)β=△IC/△IB直流電流放大系數(shù)β=IC/IB

電流放大系數(shù)極間反向飽和電流μAICBOCEBICEOCBEμA集電極最大允許電流ICM集-射反向擊穿電壓U(BR)CEO集電極最大允許耗散功率PCM過壓區(qū)過流區(qū)安全工作區(qū)過損區(qū)PCM=ICUCEUCE/VU(BR)CEOIC/mAICMO使用時(shí)不允許超過這些極限參數(shù).

極限參數(shù)溫度每升高10oC，ICBO增加約一倍4.溫度對(duì)晶體管特性及參數(shù)的影響21TICBO增大T輸入特性曲線左移3T輸出特性曲線上移且β增大

請(qǐng)問：以下知識(shí)點(diǎn)你掌握了嗎？1.晶體三極管有幾個(gè)區(qū)？幾個(gè)極？幾種類型？2.三極管的內(nèi)部特性？放大的外部特性？3.如何判斷三極管工作在哪個(gè)區(qū)？4.晶體三極管的重要參數(shù)有幾個(gè)？分別為？返回本章首頁1.4場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)電壓控制元件體積小、重量輕、耗電少、壽命長(zhǎng)輸入電阻高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、制造工藝簡(jiǎn)單、便于集成213場(chǎng)效應(yīng)管的分類結(jié)型絕緣柵型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道1.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵極源極漏極1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管2.工作原理

UGS＜0使溝道變窄UDS>0使漏極電流增強(qiáng)兩者平衡使電流穩(wěn)定

3.特性曲線

(1)輸出特性曲線輸出特性曲線用來描述UGS取一定值時(shí)，電流iD和電壓UDS間的關(guān)系，即它反映了漏-源電壓UDS對(duì)iD的影響。（2）轉(zhuǎn)移特性曲線它反映了柵-源電壓UGS對(duì)iD的控制作用。

(3).低頻跨導(dǎo)gmMOS管一、N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)

1.4.2金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理1．uGS對(duì)iD及溝道的控制作用

uGS對(duì)iD及溝道的控制作用

2．uDS對(duì)iD的影響

二、N溝道增強(qiáng)型MOS管的特性曲線、