第3章-常用半導(dǎo)體元件及其特性

機(jī)械工業(yè)出版社張志良主編同名教材配套電子教案

計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)第3章常用半導(dǎo)體元件及其特性

第3章常用半導(dǎo)體元件及其特性3.1二極管半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能是介于導(dǎo)體和絕緣體之間。平時(shí)半導(dǎo)體導(dǎo)電能力很低如果摻入微量的雜質(zhì)導(dǎo)電性能就會(huì)發(fā)生明顯變化，根據(jù)摻入雜質(zhì)元素的不同將半導(dǎo)體分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

PN結(jié)N和P型半導(dǎo)體合在一起時(shí)兩塊半導(dǎo)體界面形成PN結(jié)。P型半導(dǎo)體中的空穴和N型半導(dǎo)體中的電子互相擴(kuò)散，復(fù)合形成薄層PN結(jié)。PN結(jié)外加電壓時(shí)（1）PN結(jié)加正向電壓—導(dǎo)通如圖3-1所示（2）PN加反向電壓時(shí)-不導(dǎo)通如圖3-1所示

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。Si硅原子Ge鍺原子本征半導(dǎo)體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征半導(dǎo)體。在硅和鍺晶體中，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。載流子：電子，空穴N型半導(dǎo)體（主要載流子為電子，電子半導(dǎo)體）P型半導(dǎo)體（主要載流子為空穴，空穴半導(dǎo)體）1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。硅或鍺+少量磷N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSiP型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。硅或鍺+少量硼P型半導(dǎo)體空穴P型半導(dǎo)體硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子空穴被認(rèn)為帶一個(gè)單位的正電荷，并且可以移動(dòng)(2)N型半導(dǎo)體4價(jià)元素?fù)饺胛⒘?價(jià)元素后形成N型半導(dǎo)體。自由電子數(shù)>>空穴數(shù)。

4價(jià)元素?fù)饺胛⒘?價(jià)元素后形成P型半導(dǎo)體?？昭〝?shù)>>自由電子數(shù)。(3)P型半導(dǎo)體⒈

P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體⑴本征半導(dǎo)體。純凈的半導(dǎo)體材料稱為本征半導(dǎo)體。3.1.1PN結(jié)

第3章常用半導(dǎo)體元件及其特性

3.1二極管1.2.1PN結(jié)的形成P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)擴(kuò)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(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。

PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓。

PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是：P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)正向偏置－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)減弱，使擴(kuò)散加強(qiáng)，擴(kuò)散飄移，正向電流大空間電荷區(qū)變薄PN+_正向電流PN結(jié)反向偏置－－－－++++空間電荷區(qū)變厚NP+_++++－－－－內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)，使擴(kuò)散停止，有少量飄移，反向電流很小反向飽和電流很小，A級(jí)⒉PN結(jié)單向?qū)щ娦寓偶诱螂妷骸獙?dǎo)通。⑵加反向電壓——截止。EP區(qū)N區(qū)耗盡層內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)U-+RIREP區(qū)N區(qū)耗盡層內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)U+-IR

a)b)圖3-1外加電壓時(shí)的PN結(jié)a)正偏b)反偏3.1.2普通二極管

半導(dǎo)體二極管1.一個(gè)二極管是由一個(gè)PN結(jié)的兩端上引線封裝的構(gòu)成，P區(qū)二極管正極N區(qū)二極管負(fù)極VD二極管文字符號(hào)如圖所示

二極管類型分為普通二極管，整流管，開關(guān)管，穩(wěn)壓管

2.二極管伏安特性（U-I,V-A)

二極管伏安特性常用曲線來描述如圖所示3-3正向特性（1）死區(qū)段OA導(dǎo)通段AB反向特性（1）飽和段OC（2）擊穿段CD

3.溫度對(duì)二極管伏安特性的影響

溫度升高時(shí)反向電壓降UON,反響飽和電流增大

4.二極管的主要特性參數(shù)

二極管福安特性描述外還可以參數(shù)來描述。最大整流電流

IF最高反響工作電壓URM反向電流IR和反響飽和電流IS,最高工作頻率

1.3.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)構(gòu)成：PN結(jié)+引線+管殼=二極管符號(hào)：＋－分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型平面型1.3二極管

結(jié)構(gòu)和符號(hào)PNPN符號(hào)陽(yáng)極陰極1.3二極管點(diǎn)接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線

面接觸型N型鍺PN結(jié)

正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極

引線負(fù)極

引線集成電路中平面型PNP型支持襯底UI導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.2V。UIE+-反向漏電流（很小，A級(jí)）

伏安特性靜態(tài)電阻Rd，動(dòng)態(tài)電阻rDUQIQUS+-R靜態(tài)工作點(diǎn)Q（UQ，IQ）靜態(tài)電阻Rd，動(dòng)態(tài)電阻rD靜態(tài)電阻：Rd=UQ/IQ

（非線性）動(dòng)態(tài)電阻：

rD=⊿UQ/⊿IQ在工作點(diǎn)Q附近，動(dòng)態(tài)電阻近似為線性，故動(dòng)態(tài)電阻又稱為微變等效電阻iuIQUQQIQUQ3.1.2普通二極管1.PN結(jié)的伏安特性⑴正向特性①死區(qū)段；②導(dǎo)通段⑵反向特性①飽和段；②擊穿段2.溫度對(duì)伏安特性的影響①溫度每升高1℃Uon約減小2~2.5mV。②溫度每升高10℃反向電流約增大一倍。1.3.二極管的主要參數(shù)1、最大整流電流IF：二極管長(zhǎng)期工作運(yùn)行通過的最大正向平均電流。2、最高反向工作電壓URM：為保證管子安全工作，通常取為擊穿電壓的一半。3、反向電流IR(sat)：是管子未擊穿時(shí)反向直流電流的數(shù)值。4、最高工作頻率fM：是二極管具有單向?qū)щ娦缘淖罡吖ぷ黝l率。4.理想二極管的特性

若二極管的正向壓降遠(yuǎn)小于和它串聯(lián)的電壓，反向電流遠(yuǎn)小于和它并聯(lián)的電流，可用理想二極管來等效二極管。理想二極管的門限電壓和正向壓降均為零，反偏時(shí)反向電流也為零。二極管的理想等效模型IZmax+-穩(wěn)壓二極管符號(hào)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(shí),其兩端電壓近似為常數(shù)正向同二極管穩(wěn)定電流穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓二極管3.1.3穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管時(shí)一種特殊的面接合型硅二極管1.伏安特性

硅穩(wěn)壓二極管的負(fù)極接外加電壓的正段，正極接外加電壓的負(fù)段管子外于反向偏置狀態(tài)，而端電壓基本上不變，但電流很大范圍內(nèi)變化，這特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。如圖所示

2.參數(shù)穩(wěn)定電壓Uz，穩(wěn)定電流Iz，最大耗散功率Pzm，動(dòng)態(tài)電阻rz，電壓溫度系數(shù)az

3.1.3穩(wěn)壓二極管⒈伏安特性⒉穩(wěn)壓工作條件①電壓極性反偏；②有合適的工作電流。3.2雙極型晶體管3.2.1晶體管概述⒈基本結(jié)構(gòu)和符號(hào)

2.電流分配關(guān)系:IE=IC+IB

1.基本結(jié)構(gòu)

(1）.三極管文字符號(hào)為VT（2）B,C,E基極，集電極，發(fā)射極（3）CB集

電結(jié)

，EB發(fā)射結(jié)，（4）基區(qū)很薄，集電區(qū)濃度高，發(fā)射區(qū)面積達(dá)2.電流放大和分配關(guān)系晶體管處于放大工作狀態(tài)時(shí)發(fā)射結(jié)必須正偏，集電結(jié)必須反偏如圖3-13所示三個(gè)電機(jī)電流關(guān)系IE=IC+IB=(1+β)IB

3.2.2共發(fā)射極特性曲線

晶體管共射電路工作狀態(tài)

⑴放大區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。特點(diǎn)：iC＝βiB，iC與iB成正比關(guān)系。⑵截止區(qū)條件：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。特點(diǎn)：iB＝0，iC＝ICEO≈0⑶飽和區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。特點(diǎn)：iC與iB不成比例。即iB增大，iC很少增大或不再增大，達(dá)到飽和，失去放大作用。⑷擊穿區(qū)

擊穿區(qū)不是三極管的工作區(qū)域。5.晶體管的主要參數(shù)7種（88頁(yè)）

3.3場(chǎng)效應(yīng)晶體管概述

場(chǎng)效應(yīng)晶體管也是一種PN結(jié)的半導(dǎo)體也是一種電流控制器件，輸入電阻較小也是一種電壓控制器件輸入電阻極高。

1.分類結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型（金屬M(fèi)，氧化物O半導(dǎo)體組成簡(jiǎn)稱MOS型）

2.半導(dǎo)體 電溝道P溝道P溝道結(jié)型PMOS，N溝道N溝道結(jié)型NMOS