第七章-常用半導(dǎo)體器件

第七章常用半導(dǎo)體器件7.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識7.2PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管7.3半導(dǎo)體三極管7.4MOS場效應(yīng)管一、本征半導(dǎo)體

常用的半導(dǎo)體材料是硅（Si）和鍺（Ge）。這種提純后無雜質(zhì)的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。

第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

圖7-1本征硅材料半導(dǎo)體的共價健結(jié)構(gòu)相鄰原子之間以“共價鍵”的形式結(jié)合在一起在獲得一定的能量（溫度升高或受到光線照射）后，共價健中的價電子獲得一定能量即可掙脫共價健的束縛而成為自由電子，同時在共價健中出現(xiàn)了相應(yīng)的空位置，稱為“空穴”。自由電子和空穴成對產(chǎn)生，數(shù)量相等，這一現(xiàn)象稱為熱激發(fā)。熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子--空穴對。共價鍵由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴在外電場的作用下，自由電子逆電場方向運動形成電子電流。價電子填補空穴的現(xiàn)象會在相鄰原子間進行，相當(dāng)于空穴順電場方向運動形成空穴電流。自由電子和空穴在半導(dǎo)體中稱為載流子，因為它們都具有運載電流的能力。當(dāng)能量減低后，自由電子有可能又返回共價鍵中填補空穴而成為束縛電子，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。在一定的溫度下，載流子的產(chǎn)生與復(fù)合總在進行，并能達到一種動態(tài)平衡。兩種載流子

外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子。溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強。熱力學(xué)溫度0K時不導(dǎo)電。（一）P型半導(dǎo)體硼（B）多數(shù)載流子P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強，二、雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入微量的有用雜質(zhì)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力會得到極大的提高。摻入雜質(zhì)以后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

在本征半導(dǎo)體（Si或Ge)中摻入微量的三價雜質(zhì)元素（二）N型半導(dǎo)體磷（P）

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強，實現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子在本征半導(dǎo)體（Si或Ge)中摻入微量五價雜質(zhì)元素

在本征半導(dǎo)體硅（Si）或鍺（Ge）中摻入微量的有用雜質(zhì)元素摻入3價元素硼（B）摻入5價元素磷（P）每摻入一個B原子就形成一個空穴，熱激發(fā)還產(chǎn)生一定數(shù)目的自由電子-空穴對每摻入一個P原子就形成一個自由電子，熱激發(fā)還產(chǎn)生一定數(shù)目的自由電子-空穴對在這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子，多子由摻雜和熱激發(fā)共同產(chǎn)生，少子僅由熱激發(fā)產(chǎn)生在這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中，自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，多子由摻雜和熱激發(fā)共同產(chǎn)生，少子僅由熱激發(fā)產(chǎn)生一、PN結(jié)的形成

在同一塊半導(dǎo)體上采用特殊的摻雜工藝分別形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，P區(qū)和N區(qū)的交界面處形成的一個特殊結(jié)構(gòu)就是PN結(jié)。

第二節(jié)PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管

P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++內(nèi)電場E擴散運動漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕ㄒ唬㏄N結(jié)正向偏置－－－－++++內(nèi)電場減弱，使擴散加強，擴散飄移，正向電流大空間電荷區(qū)變薄PN+_正向電流（二）PN結(jié)反向偏置－－－－++++空間電荷區(qū)變厚NP+_++++－－－－內(nèi)電場加強，使擴散停止，有少量飄移，反向電流很小反向飽和電流很小，A級三、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)與伏安特性（一）半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

PNPN陽極陰極半導(dǎo)體二極管是由一個PN結(jié)加上相應(yīng)的引出線，外面用管殼封裝而成的。P區(qū)引出線稱為陽極，N區(qū)引出線稱為陰極。將PN結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管點接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。（二）二極管的伏安特性

UI反向擊穿電壓U(BR)死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.2V。反向漏電流（很小，A級）四、二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IoM這是二極管長時間使用時所允許通過的最大正向平均電流。當(dāng)電流超過該值使用時，有可能造成PN結(jié)過熱而使管子損壞。（2）最高反向工作電壓URM這是二極管長期工作時允許加在兩端的最大反向電壓。為保證管子的安全工作，最高反向工作電壓URM通常取其反向擊穿電壓的一半或三分之一。（3）反向電流IR指二極管反向工作而未被擊穿時流過二極管的電流值。反向電流越大，表明二極管的單向?qū)щ娦栽讲?。反向電流受溫度影響較大。五、穩(wěn)壓二極管

IZmax穩(wěn)壓二極管符號UIUZIZ穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,當(dāng)工作電流IZ在Izmax和

Izmin之間時,其兩端電壓近似為常數(shù)正向同二極管穩(wěn)定電流穩(wěn)定電壓第三節(jié)半導(dǎo)體三極管

一、三極管的結(jié)構(gòu)

BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP型PNP集電極基極發(fā)射極CEB極電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)多子濃度高多子濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個PN結(jié)。小功率管中功率管大功率管BECNPN型三極管BECPNP型三極管圖7-8三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和圖形符號BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高二、三極管的電流放大作用圖7－9三極管的電流放大作用實驗電路三極管工作在放大狀態(tài)的必要條件：加在集電結(jié)上的電壓是反向電壓（反向偏置），而加在發(fā)射結(jié)上的電壓是正向電壓（正向偏置）。

擴散運動形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運動形成基極電流IB，漂移運動形成集電極電流IC。少數(shù)載流子的運動因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大部分擴散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴散三極管放大時內(nèi)部載流子運動情況電流分配：IE＝IB＋IC

IE－擴散運動形成的電流

IB－復(fù)合運動形成的電流IC－漂移運動形成的電流穿透電流集電結(jié)反向電流共射直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)類似：共基電流放大系數(shù)α等三極管能夠進行電流放大，其內(nèi)因是它的特殊結(jié)構(gòu)，其外因是給三極管的發(fā)射結(jié)加了正向偏置電壓，集電結(jié)加了反向偏置電壓。三極管內(nèi)部載流子的運動在這樣的外部條件下就能完成IB對IC的控制作用。由實驗數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：IE=IB+IC

IC和IE比IB大得多當(dāng)IB=0（基極開路）時，IC≈IE≈0，但不完全為0，此時的IC≈IE≈ICEO，稱為三極管的穿透電流。三、三極管的特性曲線

（一）輸入特性曲線輸入特性是指當(dāng)集電極與發(fā)射極之間的電壓UCE為常數(shù)時，由基極和發(fā)射極構(gòu)成的輸入回路中，基極電流IB與基極、發(fā)射極之間的電壓UBE之間的關(guān)系曲線，它反映了三極管輸入回路的伏安特性。圖7-11三極管的輸入特性曲線（一）輸出特性曲線三極管的輸出特性曲線是指基極電流IB為常數(shù)時，集電極電流IC與集電極、發(fā)射極之間的電壓UCE的關(guān)系曲線，它反映了三極管輸出回路的伏安特性。圖7-12三極管的輸出特性曲線晶體管的三個工作區(qū)域

晶體管工作在放大狀態(tài)時，輸出回路的電流iC幾乎僅僅決定于輸入回路的電流iB，即可將輸出回路等效為電流iB控制的電流源iC。狀態(tài)uBEiCuCE截止＜UonICEOVCC放大≥UonβiB≥uBE飽和≥Uon＜βiB≤uBE四、三極管的主要參數(shù)

（一）電流放大系數(shù)β（二）集電極反向飽和電流ICBO（三）穿透電流ICEO（四）極限參數(shù)1、集電極最大允許電流ICM2、集-射極擊穿電壓BUCEO3、集電極最大允許耗散功率PCM

第四節(jié)MOS場效應(yīng)管

一、基本結(jié)構(gòu)和電壓控制電流作用三極管（雙極型器件）是一種電流控制器件，而場效應(yīng)管（單極型器件）則是一種電壓控制器件。

結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵型場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)不同可分為兩大類：N溝道P溝道耗盡型增強型耗盡型增強型（一）N溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

圖7-13N溝道增強型MOS場效應(yīng)管（a）結(jié)構(gòu)示意圖(b)圖形符號（二）N溝道增強型MOS場效應(yīng)管的工作原理

僅在漏極D和源極S之間加電壓是不會導(dǎo)通的。如果將D、S短接，并且在柵極G和源極S之間加正向電壓UGS。如果在漏極D和源極S之間一定的漏源電壓，使得MOS場效應(yīng)管開始導(dǎo)通的柵源電壓稱為開啟電壓UT，柵源電壓UGS超過UT后，漏源之間導(dǎo)通，形成漏極電流ID。圖7－14N溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管的工作原理二、特性曲線及主要參數(shù)

圖7-15N溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管的特性曲線a）轉(zhuǎn)移特性b）輸出特性

轉(zhuǎn)移特性表示的