第1章半導(dǎo)體器件

第1章半導(dǎo)體器件第1章半導(dǎo)體器件

第1節(jié) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)第2節(jié) 半導(dǎo)體二極管第3節(jié) 特殊二極管第4節(jié) 晶體三極管第5節(jié) 場(chǎng)效應(yīng)管第1章重點(diǎn)PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦远O管的伏安特性三極管的工作原理與伏安特性第1節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)一、半導(dǎo)體導(dǎo)體：能夠?qū)щ姷奈镔|(zhì)。如：金屬等絕緣體：不導(dǎo)電的物質(zhì)。如：橡皮、陶瓷、塑料、石英等半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。如硅、鍺、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等熱敏性：加熱時(shí)，其導(dǎo)電能力顯著提高。熱敏電阻摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力顯著提高。二極管，三極管等光敏性：光照時(shí)，其導(dǎo)電能力顯著提高。光敏電阻現(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)。GeSi1.本征半導(dǎo)體1432通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。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，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，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。硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子Si硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)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)鍵電子對(duì)后，每個(gè)原子的最外層電子是8個(gè)，這樣構(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+4+4+4+4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理空穴吸引臨近的電子對(duì)中的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的現(xiàn)象，結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為：空穴也是載流子。載流子：自由電子，空穴。成對(duì)出現(xiàn)，成對(duì)消失?？昭ㄗ杂呻娮邮`電子激發(fā)與復(fù)合2.雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(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。使自由電子數(shù)目大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體/電子型半導(dǎo)體。使空穴數(shù)目大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體/空穴型半導(dǎo)體。+4+4+5+4N型半導(dǎo)體多余電子磷原子P型半導(dǎo)體+4+4+3+4空穴硼原子雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體加入硼原子++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體加入磷原子1、本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的數(shù)量是否相等？為什么？？2、N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。3、P型半導(dǎo)體中的載流子是什么？自由電子稱為少數(shù)載流子（少子），空穴稱為多數(shù)載流子（多子）。4、多數(shù)載流子由什么決定？少數(shù)載流子由什么決定？多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)少子漂移運(yùn)動(dòng)++++P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－內(nèi)電場(chǎng)E空間電荷區(qū),耗盡層,阻擋層二、PN結(jié)的形成接觸→濃度差→多子擴(kuò)散→界面復(fù)合→空間電荷區(qū)→形成內(nèi)電場(chǎng)E方向(N→P)內(nèi)電場(chǎng)作用a.阻礙多子擴(kuò)散,但是擴(kuò)散愈多，E愈強(qiáng)b.利于少子漂移,但漂移愈多，E愈弱最終→動(dòng)態(tài)平衡,穩(wěn)定→耗盡層/阻擋層/空間電荷區(qū)就是PN結(jié)

PN結(jié)PN結(jié)正向偏置/正偏－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+_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，PN結(jié)導(dǎo)通。三、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)反向偏置/反偏－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚NP+_內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，多子擴(kuò)散受到抑制。少子漂移得到加強(qiáng)，形成較小的漂移電流，PN結(jié)截止。PN結(jié)的單向?qū)щ娦哉蚱?PN結(jié)導(dǎo)通反向偏置 PN結(jié)截止少子漂移電流(微)(P區(qū)高電位、N區(qū)低電位)(P區(qū)低電位、N區(qū)高電位)多子擴(kuò)散電流（大）引線外殼線觸絲線基片點(diǎn)接觸型PN結(jié)面接觸型第2節(jié)半導(dǎo)體二極管/二極管一、結(jié)構(gòu)和類型PN結(jié)加上引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。符號(hào)陽(yáng)極正極陰極負(fù)極P區(qū)N區(qū)二、伏安特性UI導(dǎo)通壓降:硅管0.7V鍺管0.3V反向擊穿電壓UBR線性工作區(qū)門坎區(qū)/死區(qū)反向飽和區(qū)反向擊穿區(qū)死區(qū)電壓硅管0.5V鍺管0.2V三、二極管的主要參數(shù)1、最大整流電流IOM長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。2、最高反向工作電壓URM允許施加的最高反向電壓，為反向擊穿電壓UBR的一半左右。3、反向電流IR指二極管加反向工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流越小越好。它受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流比硅管要大幾十到幾百倍。4、最高工作頻率fMrd結(jié)電容四、理想二極管含義：正偏時(shí)，二極管完全導(dǎo)通（死區(qū)電壓為零

，正向電壓降為零，正向電阻為零）相當(dāng)于二極管短路（對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)閉合）

反偏時(shí)，二極管完全截止（反向電流為零，反向電阻為無(wú)窮大）相當(dāng)于二極管開(kāi)路（對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)）相當(dāng)于理想的開(kāi)關(guān)。例1：二極管的應(yīng)用判斷二極管的通斷1.斷開(kāi)D,2.求V+,V-,3.比較:V+>V-二級(jí)管導(dǎo)通(短路處理)V+<V-二級(jí)管截止(斷開(kāi)處理)

五、二極管電路分析例2：二極管的應(yīng)用：求ID1.判斷二極管是否導(dǎo)通？方法：先斷開(kāi)二極管，再求電壓U。2.求ID2.72.78.72.7例3：二極管的應(yīng)用已知兩個(gè)二極管的管壓降均為0.7V，求UF。搶先(優(yōu)先)導(dǎo)通第3節(jié)特殊二極管穩(wěn)壓誤差u0

iUZUZIZ+-曲線越陡，電壓越穩(wěn)定特點(diǎn)：1、通常工作在反向擊穿區(qū)；2、反向擊穿特性較陡。伏安特性1.穩(wěn)壓二極管/穩(wěn)壓管主要參數(shù)1、穩(wěn)定電壓UZ2、穩(wěn)定電流IZ；最大穩(wěn)定電流IZM3、電壓溫度系數(shù)Ctv4、最大允許功耗PZM=UZIZM；5、動(dòng)態(tài)電阻rZ(越小輸出電壓越穩(wěn)定)I穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路RLR整流濾波電路~220VUZIILIZUiUOIU思考題1、本征半導(dǎo)體是如何導(dǎo)電的？2、N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是什么？P型半導(dǎo)體呢？3、多數(shù)載流子與什么有關(guān)？少數(shù)載流子呢？4、PN結(jié)加什么電壓使空間電荷區(qū)變窄？有利于什么運(yùn)動(dòng)？5、穩(wěn)壓二極管與普通二極管的區(qū)別在哪里？6、二極管的死區(qū)電壓是什么的反映？7、半導(dǎo)體器件的性能為什么受溫度的影響比較大？8、什么叫PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?、怎樣用萬(wàn)用表判斷二極管的極性？10、二極管能否起穩(wěn)壓作用？如能，舉例說(shuō)明。第4節(jié)晶體三極管/晶體管/三極管一.基本結(jié)構(gòu)、分類、符號(hào)BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：體積大，摻雜濃度低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度高集電結(jié)發(fā)射結(jié)晶體管放大的外部條件：發(fā)射結(jié)正偏；集電結(jié)反偏。晶體管放大的內(nèi)部條件：進(jìn)入基區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成基極電流IB，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)附近。二.晶體管的電流放大作用BECNNPEcIEEBRBICIBRC發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電子作為基區(qū)的少子，漂移進(jìn)入集電區(qū)，形成集電極電流IC。~

~

BECIBIEICPNP型三極管BECIBIEICNPN型三極管電流實(shí)際方向

實(shí)驗(yàn)電路三、晶體管的特性曲線線性工作區(qū)工作壓降：硅管UBE0.7V鍺管UBE0.3V死區(qū)死區(qū)電壓：硅管0.5V鍺管0.2V1、輸入特性曲線（同二極管）IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V常數(shù)

當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時(shí)，IC基本只與IB有關(guān)，IC=IB。2、輸出特性曲線條件：發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。功能：電流放大

IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A放大區(qū)常數(shù)

IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AUCEUBE,集電結(jié)正偏，IC

<IB

，稱為飽和區(qū)。條件：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏飽和區(qū)UCES

硅管：0.3V鍺管：0.1V功能：RCE≈0近似電子開(kāi)關(guān)接通

IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AIB=0,IC=ICEOUBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。條件：發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)反偏I(xiàn)B=0截止區(qū)功能：RCE≈∞

近似電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)

例1.已知EC=10V,EB=5V,UBE=0.7V,RC=3kΩ，RB=200kΩ，β=100.求：1）IB，IC.

判斷三極管是否處于放大狀態(tài).2）當(dāng)RB=100kΩ時(shí)，三極管是否處于放大狀態(tài)？解：1）說(shuō)明發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，故三極管處于放大狀態(tài)。2).集電極臨界飽和電流：基極臨界飽和電流：當(dāng)RB=100kΩ時(shí)，基極電流：故三極管處于飽和狀態(tài)。例2.測(cè)得在放大狀態(tài)的兩個(gè)三極管的電位分別為：2.5V、3.2V、9V和－0.7V、－1V、－6V，試判斷這兩個(gè)三極管的類型和管腳。解：三極管在放大狀態(tài)。說(shuō)明發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。對(duì)NPN：UBE>0、UCB>

0。說(shuō)明VC>VB

>

VENPN型三極管一般為硅管UBE=0.7V，PNP型三極管一般為鍺管UBE=－0.3VBECBEC對(duì)PNP：UBE<

0、UCB<

0。則為VC<VB

<

VENPN型硅管PNP型鍺管四、主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)β=(IC/IB≈IC/IB)(一般20-100)2.集-基反向飽和電流ICBO (CB之間PN結(jié)反向電流)3.穿透電流ICEO=(1+β)ICBO

ICUCEICUCE=PCMICMUCEO安全工作區(qū)4.集電極最大電流 ICM5.集射反向擊穿電壓 UCEO6.集電極最大耗散功率 PCM五.溫度對(duì)三極管參數(shù)影響第5節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管與三極管不同，它只由多子導(dǎo)電，稱為單極型晶體管。它是電壓控制器件。其輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型絕緣柵型N溝道MOS管P溝道MOS管增強(qiáng)型耗盡型N溝道MOS管P溝道MOS管N溝道MOS管P溝道MOS管一、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)PN+GSDBN+N溝道NP+GSDBP+P溝道N溝道P型半導(dǎo)體:襯底,摻雜濃度低,引出B叫襯底引線N型半導(dǎo)體:摻雜濃度高,引出D叫漏極,S叫源極二氧化硅絕緣層,上為金屬鋁膜,引出G叫柵極PNNGSDGSDN溝道增強(qiáng)型N溝道耗盡型GSDPNNGSD予埋了導(dǎo)電溝道NPPGSDGSDP溝道增強(qiáng)型P溝道耗盡型GSDNPPGSD予埋了導(dǎo)電溝道UGS=0時(shí)D-S間相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)二、MOS