第1章常用半導(dǎo)體器件

第一章常用半導(dǎo)體器件

§1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

§1.2半導(dǎo)體二極管

§1.3晶體三極管(BJT) §1.4場效應(yīng)管(FET)§1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 一、本征半導(dǎo)體 二、雜質(zhì)半導(dǎo)體 三、PN結(jié)的形成過程 四、PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 五、PN結(jié)的電容效應(yīng)1、半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)3、特性：摻雜性、熱敏性、光敏性§

1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

2、材料單質(zhì):硅（Si）、鍺（Ge）化合物：砷化嫁（GeAs）4、半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體

一、本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體是純凈且具有完整晶格結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。

1、本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)2、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子兩種載流子在熱激發(fā)下，價電子掙脫共價鍵的束縛變?yōu)榫哂休^高能量的電子。自由電子的游離在共價鍵中留下的空位因熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。運載電荷的粒子自由電子與空穴相遇，二者同時消失的現(xiàn)象稱為復(fù)合。3、本征濃度

一定溫度下，本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子與空穴對，與復(fù)合的自由電子與空穴對數(shù)目相等，達(dá)到動態(tài)平衡。

常溫下只有極少數(shù)原子才會產(chǎn)生本征激發(fā)，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能很差。常溫下（T=300K）ni=pi=1.43×1010cm-3（Si）ni=pi=2.38×1013cm-3（Ge）自由電子濃度空穴濃度熱力學(xué)溫度二、雜質(zhì)半導(dǎo)體

1、

N型半導(dǎo)體

磷（P）多數(shù)載流子—多子本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴—少子提供自由電子的原子N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電主要靠自由電子2、P型半導(dǎo)體

多數(shù)載流子硼（B）本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子—少子接受電子的原子電中性P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電主要靠空穴

雜質(zhì)半導(dǎo)體的多子濃度近似等于摻雜濃度，與溫度無關(guān)。少子濃度僅由本征激發(fā)產(chǎn)生，但對溫度敏感，影響半導(dǎo)體器件的性能。三、PN結(jié)的形成過程P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)N區(qū)的自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)擴散運動—因濃度差多子產(chǎn)生的運動濃度不同→多子擴散→交界面多子濃度減低→產(chǎn)生內(nèi)電場漂移運動—因電場作用少子產(chǎn)生的運動少子內(nèi)電場→擴散減弱,漂移加強→動態(tài)平衡→穩(wěn)定電荷層四、PN結(jié)的單向?qū)щ娦詢?nèi)電場減弱→耗盡層變薄→擴散強于漂移→多子擴散形成很大的正向電流I。內(nèi)電場增強→耗盡層變厚→漂移強于擴散→少子漂移形成很小的反向飽和電流Is。五、PN結(jié)的電容效應(yīng)

1、勢壘電容

PN結(jié)外加電壓變化時，有電荷積累和釋放的過程，空間電荷區(qū)寬窄變化所等效的電容稱為勢壘電容Cb。2、擴散電容

PN結(jié)外加正向電壓變化時，空間電荷區(qū)兩側(cè)的擴散區(qū)域內(nèi)載流子濃度變化所等效的電容稱為擴散電容Cd。

結(jié)電容：Cj=Cb+Cd為什么半導(dǎo)體器件有最高工作頻率？超過最高工作頻率，PN結(jié)失去單向?qū)щ娦浴！?.2半導(dǎo)體二極管一、二極管的伏安特性二、二極管的主要參數(shù)三、二極管的等效電路模型 四、二極管的基本應(yīng)用電路 五、穩(wěn)壓二極管§1.2半導(dǎo)體二極管 將PN結(jié)封裝并引出兩個電極，就構(gòu)成半導(dǎo)體二極管。內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖電路符號小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管一、二極管的伏安特性開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流Si0.5V0.6~0.8V<0.1μAGe0.1V0.1~0.3V幾十μA熱電壓1、單向?qū)щ娦?、溫度特性

T（℃）↑→正向曲線左移→每升高1oC，u減?。?~2.5）mV。

T（℃）↑→反向曲線下移→每升高10oC，IS增大約一倍。二、二極管的主要參數(shù)

1、最大整流電流IF：最大平均值

2、最高反向工作電壓UR：最大瞬時值

3、反向電流IR：反向飽和電流IS

4、最高工作頻率fM:由結(jié)電容Cj決定國外型號硅整流二極管<5<5<10501002001000100030001N40011N40021N4002面接觸型硅整流二極管3kHz≤500≤1000100300100030002CZ55C2CZ56E面接觸型硅整流二極管3kHz≤100252001001002CZ52A2CZ52D點接觸型鍺二極管≤1150MHz100MHz≤250≤20020101682AP12AP9備注Cj(pF)fMIR(μA)UR(V)IF(mA)參數(shù)型號幾種二極管的典型參數(shù)三、二極管等效電路模型1、伏安特性分段折線近似模型

導(dǎo)通時UD=0截止時ID=0導(dǎo)通時UD=Uon截止時ID=0V>>UonV與Uon相差不很大V與Uon相差不大導(dǎo)通時rD為常量截止時ID=0近似分析中最常用近似分析中如何選擇合適的電路模型？100V？5V？1V？電路模型？V=1V，圖解法求Q點。uD=V－IRQ實測伏安特性UDID靜態(tài)工作點根據(jù)外加電壓的數(shù)值和所能容許的誤差來選擇電路模型如何判斷二極管的工作狀態(tài)？哪個二極管優(yōu)先導(dǎo)通？D2優(yōu)先導(dǎo)通D1截止D1導(dǎo)通范例分析UO=？IR=？D2、D3、D4優(yōu)先導(dǎo)通D1截止2、小信號模型交流小信號靜態(tài)工作點動態(tài)電阻含交、直流的二極管電路的分析直流通路小信號等效電路四、二極管基本應(yīng)用電路1、整流電路

交流電單向脈動的直流電2、限幅電路ui>0.7V時，uo=0.7Vui<-0.7V時，uo=-0.7V┃ui┃<0.7V時，uo=ui如何預(yù)置輸出電壓的范圍？電路結(jié)構(gòu)特點？ui>E1時，uo=E1ui<-E2時，uo=-E2E1>ui>-E2時，uo=ui五、穩(wěn)壓二極管反向擊穿后，在一定的電流范圍內(nèi)具有穩(wěn)壓特性。反向擊穿區(qū)穩(wěn)定電壓UZ最小穩(wěn)定電流IZmin最大穩(wěn)定電流IZmax額定功耗

PZM=UZIZM動態(tài)電阻rz=ΔUZ/ΔIZ幾種典型穩(wěn)壓管的主要參數(shù)型號UZ(V)rZ(Ω)IZ(mA)IZM(mA)PZM(W)2CW523.2~4.5<7010550.252CW6011.5~12.5<405190.252DW2322DW7C6.0~6.5≤1010300.21N7578.9~9.3≤20200.5UZ=6V，IZmin=5mA如何判斷穩(wěn)壓二極管的工作狀態(tài)？DZ穩(wěn)壓DZ截止范例分析一UZ1=6V，UZ2=8V，Uon=0.7VUO1=14VUO2=1.4VUO3=6.7VUO4=8.7VUO5=6VUO6=0.7V范例分析二UZ1=7V，UZ2=6VDZ2優(yōu)先穩(wěn)壓DZ1穩(wěn)壓DZ2穩(wěn)壓2DW3:UZ=9V，rz=4Ω范例分析三ΔUI/UI=10%ΔUO/UO=?動態(tài)電阻rz§1.3

晶體三極管

一、

晶體管的結(jié)構(gòu)和類型

二、

晶體管的放大原理 三、晶體管的特性曲線 四、晶體管的主要參數(shù) 五、 溫度對晶體管特性的影響晶體三極管的幾種常見外形§1.3

晶體三極管（BJT）小功率管中功率管大功率管一、晶體管的結(jié)構(gòu)及類型面積大多子濃度高多子濃度低且很薄二、晶體管的放大原理NPN管：UBE

>Uon

,UCB>0PNP管：UEB

>

Uon

,UBC>0放大偏置條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏擴散運動形成發(fā)射極電流IE少子的漂移形成集電結(jié)反向電流復(fù)合運動形成基極電流IB漂移運動形成集電極電流IC基區(qū)空穴擴散形成擴散電流電流分配關(guān)系直流電流放大系數(shù)通常幾十~幾百近似分析不區(qū)分交流電流放大系數(shù)穿透電流三、

晶體管的特性曲線

1、輸入特性iB

=f(uBE)┃UCE為什么UCE增大曲線右移？為什么類似PN結(jié)的伏安特性？為什么UCE增大到一定值時曲線右移就不明顯了？

工程上常用UCE>1V的任何一條曲線來近似表示UCE>1V的所有曲線。2、輸出特性iC

=f(uCE)┃IB工作狀態(tài)uBEiCuCE截止＜UonICEO>uBE放大≥

UonβiB≥

uBE飽和≥

Uon＜βiB

≤

uBE為什么飽和區(qū)uCE較小時iC隨uCE變化很大？

為什么放大區(qū)曲線幾乎與橫軸平行？晶體管簡化直流模型工作狀態(tài)uBEiCuCE截止＜UonICEO>uBE放大≥

UonβiB≥

uBE飽和≥

Uon＜βiB

≤

uBE很小飽和壓降UCES約0.3V(Si)約0.1V(Ge)

如何確定晶體管的工作狀態(tài)？范例分析一NPN（Si）T1T2T3T4UB/V0.71-10UE/V00.3-1.70UC/V50.7

015工作狀態(tài)放大飽和放大截止UBE=0.7V=UonUCE=5V>UBEUBE=0.7V=UonUCE=0.4V<UBEUBE=0.7V=UonUCE=1.7V>UBEUBE=0V<UonUCE=15V>UBE工作狀態(tài)？uo=?范例分析二UBE=0.7V,β=50,

UCES=0.2V當(dāng)ui=0V時，發(fā)射結(jié)的偏置情況？則T的工作狀態(tài)？當(dāng)ui=5V時,發(fā)射結(jié)的偏置情況？則T可能的工作狀態(tài)？假定T處于放大狀態(tài),UCE=？則T的工作狀態(tài)？

如何確定放大管的管型、管腳及材料？

放大狀態(tài)下三個極的電位關(guān)系

NPN:UC≥UB>UEPNP:UC≤UB<UE┃UBE┃=0.5~0.8V（Si）┃UBE┃=0.1~0.3V（Ge）NPN（Si）PNP（Si）PNP（Ge）bcebbececUBE=0.7VUBE=-0.7VUBE=-0.2V四、晶體管的主要參數(shù)

直流參數(shù)：交流參數(shù)：越小越好？特征頻率？極限參數(shù)：最大集電極耗散功率最大集電極電流c-e間反向擊穿電壓幾種典型小功率三極管的主要參數(shù)類別型號PZM(mW)ICM(mA)U(BR)CEO(V)βICBO(μA)ICEO(μA)fT(MHz)低頻小功率鍺管3AX31A125125≥1240~180≤20≤1000高頻小功率硅管3DG100C3DG6C10020≥2020~200≤0.1≥250PNP型硅管9012625500≥2064~200≤0.1≤0.1500NPN型硅管9013625500≥2064~200≤0.1≤0.1100如何確定β

、PCM、ICM、U(BR)CEO？

2.5U(BR)CEO≈25VPCM=iCuCE=25mW五、溫度對晶體管特性及參數(shù)的影響

溫度升高，正向特性左移。即IB不變時，UBE將減小約為（2~2.5）mV/oC。

溫度升高，輸出特性上移。即β

、ICEO均增大。β增加大約（0.5~1）%/oC△iC/>△iC

如何選擇合適的晶體管？參數(shù)T1T2T3ICBO/μA0.010.10.05UCEO/V505020β15100

100可能擊穿電源電壓30V

ICBO越小，溫度穩(wěn)定性越好。

UCEO越大，耐壓能力越強。β越大，放大能力越強?！?.4 場效應(yīng)管(FET)

一、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET） 二、

絕緣柵型場效應(yīng)管(IGFET)

三、

場效應(yīng)管的工作狀態(tài)§1.4場效應(yīng)管（FET）1、主要特點 輸入電阻高、噪聲小、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、功耗低、便于集成化。2、分類一、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）導(dǎo)電溝道耗盡層漏極源極柵極1、工作原理（1）uDS

=0時uGS對導(dǎo)電溝道寬度的影響夾斷電壓┃uGS┃↑→耗盡層變寬→導(dǎo)電溝道變窄→溝道電阻增加導(dǎo)電溝道（2）UGS(off)<uGS

<0且uDS>0時對漏極電流iD的影響iD隨uDS增大而線性增大可變電阻區(qū)iD幾乎僅僅受控于uGS恒流區(qū)uDS的增大幾乎全部降落在夾斷區(qū)的電阻上2、輸出特性預(yù)夾斷軌跡uGD=UGS（off）夾斷電壓UGS(off)iD幾乎僅決定于uGSuGS控制d-s的等效電阻可變電阻區(qū)：uGS>UGS(off)，uGD>UGS(off)恒流區(qū)：uGS

>UGS(off)，uGD<UGS(off)夾斷區(qū)：uGS<UGS(off),uGD<UGS(off)iD＝f（uDS）┃uGS

＝常量

3、轉(zhuǎn)移特性漏極飽和電流iD＝f（uGS）┃uDS

＝常量

夾斷電壓二、絕緣柵型場效應(yīng)管（IGFET）（一）增強型MOSFET1、工作原理（1）uDS

=0時uGS對導(dǎo)電溝道寬度的影響開啟電壓uGS增大，反型層將增厚變長,當(dāng)uGS增大到UGS(th)時，反型層將兩個N+區(qū)相連，形成導(dǎo)電溝道。反型層耗盡層（2）uGS>UGS(th)

且uDS>0時對漏極電流iD的影響iD隨uDS增大而線性增大可變電阻區(qū)iD幾乎僅僅受控于uGS恒流區(qū)uDS的增大幾乎全部降落在夾斷區(qū)的電阻上2.特性曲線預(yù)夾斷軌跡uGD=UGS（th）可變電阻區(qū)：uGS>UGS(th)，uGD>UGS(th)恒流區(qū)： uGS

>UGS(th)，uGD<UGS(th)夾斷區(qū)： uGS<UGS(th),uGD<UGS(th)開啟電壓（二）耗盡型MOSFET反型層耗盡層正離子uGS=0時，原始導(dǎo)電溝道存在。uGS

>0時，導(dǎo)電溝道變寬。uGS<0時，導(dǎo)電溝道變窄。uGS<UGS（off）時，溝道夾斷。特性曲線可變電阻區(qū)：uGS>UGS(off)，uGD>UGS(off)恒流區(qū)：uGS

>UGS(off)，uGD<UGS(off)夾斷區(qū)：uGS<UGS(off),uGD<UGS(off)漏極飽和電流夾斷電壓場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的比較三、FET的工作狀態(tài)夾斷區(qū)N溝道：uGS

<UGS(th)(UGS(off)),uGD<UGS(th)(UGS(off))P溝道：uGS

>UGS(th)(UGS(off)),uGD>UGS(th)(UGS(off))恒流區(qū)N溝道：uGS

>UGS(th)(UGS(off)),uGD<UGS(th)(UGS(off))P溝道：uGS

<UGS(th)(UGS(off)),uGD>UGS(th)(UGS(off))可變電阻區(qū)N溝道：uGS

>UGS(th)(UGS(off)),uGD>UGS(th)(UGS(off))P溝道：uGS

<UGS(th)(UGS(off)),uGD<UGS(th)(UGS(off))范例分析一

已知FET的┃UGS(th)┃、┃UGS(off)┃均為1V,它們各工作于什么區(qū)？

恒流區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)可變電阻區(qū)N-耗盡型N-增強型P-增強型P-耗盡型范例分析二

UGS(off)=5V,IDSS=-3mAUGS＝VGG＝2V<UGS(off)＝5V

ID＝IDSS（1-UGS

/UGS(off)）2

＝-1.08mAUDS＝VDD

-(-ID)RD＝-6.4VUGD＝UGS

-UDS＝8.4V>UGS(off)P-JFET恒流區(qū)UGS(off)=-4V,IDSS=6mAN-JFETUGS＝0V>UGS(off)＝-4V

ID＝IDSS＝6mA