數(shù)電-第01講(半導(dǎo)體器件)-資料課件

第1講第1章半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識，P型硅，N型硅1.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管1.3穩(wěn)壓二極管1.4半導(dǎo)體三極管1.5場效應(yīng)管7/20/2023電工電子技術(shù)1.1.1本征半導(dǎo)體現(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（價電子）都是四個。Si硅原子Ge鍺原子§1.1半導(dǎo)體的基本知識7/20/2023電工電子技術(shù)通過一定的工藝過程，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，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。7/20/2023電工電子技術(shù)硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子7/20/2023電工電子技術(shù)共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，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。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+47/20/2023電工電子技術(shù)1.1.2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）7/20/2023電工電子技術(shù)N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，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的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。硅或鍺+少量磷N型半導(dǎo)體7/20/2023電工電子技術(shù)N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSi7/20/2023電工電子技術(shù)P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個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7/20/2023電工電子技術(shù)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)為帶一個單位的正電荷，并且可以移動7/20/2023電工電子技術(shù)雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體7/20/2023電工電子技術(shù)10.2.1PN結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)?！?.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管7/20/2023電工電子技術(shù)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運動7/20/2023電工電子技術(shù)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。漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。7/20/2023電工電子技術(shù)漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動所以擴(kuò)散和漂移這一對相反的運動最終達(dá)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。7/20/2023電工電子技術(shù)1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N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。7/20/2023電工電子技術(shù)PN結(jié)正向偏置－－－－++++內(nèi)電場減弱，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7/20/2023電工電子技術(shù)PN結(jié)反向偏置－－－－++++空間電荷區(qū)變厚NP+_++++－－－－內(nèi)電場加強(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7/20/2023電工電子技術(shù)1.2.3半導(dǎo)體二極管(1)、基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。PNPN符號陽極陰極7/20/2023電工電子技術(shù)(2)、伏安特性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）7/20/2023電工電子技術(shù)（3）靜態(tài)電阻Rd，動態(tài)電阻rDUQIQUS+-R靜態(tài)工作點Q（UQ，IQ）7/20/2023電工電子技術(shù)（3）靜態(tài)電阻Rd，動態(tài)電阻rDiuIQUQQIQUQ靜態(tài)電阻：Rd=UQ/IQ

（非線性）動態(tài)電阻：rD=

UQ/IQ在工作點Q附近，動態(tài)電阻近似為線性，故動態(tài)電阻又稱為微變等效電阻7/20/2023電工電子技術(shù)例1：二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降

0.7V(硅二極管)理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0RLuiuOuiuott二極管半波整流7/20/2023電工電子技術(shù)例2：二極管的應(yīng)用RRLuiuRuotttuiuRuo7/20/2023電工電子技術(shù)利用二極管的特性可以作半波整流和產(chǎn)生正負(fù)脈沖7/20/2023電工電子技術(shù)§1.3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7/20/2023電工電子技術(shù)例：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用RLuiuORDZiiziLUZ穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負(fù)載電阻RL=2k，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200。若負(fù)載電阻變化范圍為1.5k~4k，是否還能穩(wěn)壓？7/20/2023電工電子技術(shù)RLuiuORDZiiziLUZUZW=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）

iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）負(fù)載變化,但iZ仍在12mA和2mA之間,所以穩(wěn)壓管仍能起穩(wěn)壓作用7/20/2023電工電子技術(shù)穩(wěn)壓二極管考察是否穩(wěn)壓的標(biāo)準(zhǔn)：Imax~Imin穩(wěn)壓值7/20/2023電工電子技術(shù)§1.4半導(dǎo)體三極管1.4.1基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型7/20/2023電工電子技術(shù)BECNPN型三極管BECPNP型三極管三極管符號NPNCBEPNPCBE7/20/2023電工電子技術(shù)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7/20/2023電工電子技術(shù)發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極+++++++++++++__________________________+++++++++++++7/20/2023電工電子技術(shù)1.4.2電流放大原理BECNNPEBRBEc發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。IE1進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IB，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。IB7/20/2023電工電子技術(shù)BECNNPEBRBEcIE從基區(qū)擴(kuò)散來的電子漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成IC。IC2ICIB要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。7/20/2023電工電子技術(shù)靜態(tài)電流放大倍數(shù)靜態(tài)電流放大倍數(shù)，動態(tài)電流放大倍數(shù)=IC/

IBIC=IB動態(tài)電流放大倍數(shù)IB：IB+IBIC：IC+IC=IC/

IB一般認(rèn)為：==，近似為一常數(shù)，值范圍：20~100IC=

IB7/20/2023電工電子技術(shù)1.4.3特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBUSCUSB

實驗線路(共發(fā)射極接法)CBERC7/20/2023電工電子技術(shù)IB與UBE的關(guān)系曲線（同二極管）（1）輸入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V死區(qū)電壓，硅管0.5V工作壓降：硅管UBE0.7V7/20/2023電工電子技術(shù)（2）輸出特性(IC與UCE的關(guān)系曲線)IC(mA)1234UCE(V)3691240A60AQQ’=IC/

IB=2mA/40A=50=IC/

IB

=(3-2)mA/(60-40)A=50=IC/

IB=3mA/60A=507/20/2023電工電子技術(shù)輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān)，IC=IB,且

IC=

IB。此區(qū)域稱為線性放大區(qū)。此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓,，稱為截止區(qū)。7/20/2023電工電子技術(shù)輸出特性三個區(qū)域的特點:(1)放大區(qū)BE結(jié)正偏，BC結(jié)反偏，IC=IB,且

IC=

IB(2)飽和區(qū)BE結(jié)正偏，BC結(jié)正偏，即UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區(qū)UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO0

7/20/2023電工電子技術(shù)例：=50，USC=12V，

RB=70k，RC=6k

當(dāng)USB=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？USB=-2V，IB=0，IC=0，Q位于截止區(qū)

USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019mAIC=IB=500.019=0.95mA<

ICS=2mA，Q位于放大區(qū)

IC最大飽和電流ICS=(USC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mA

ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE7/20/2023電工電子技術(shù)ICUCEIBUSCRBUSBCBERC例：=50，USC=12V，

RB=70k，RC=6k

當(dāng)USB=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？USB=5V，IB=(USB-UBE)/RB=(5-0.7)/70=0.061mAIC=IB=500.061=3.05mA>

ICS=2mA，Q位于飽和區(qū)(實際上，此時IC和IB已不是的關(guān)系）7/20/2023電工電子技術(shù)三極管的技術(shù)數(shù)據(jù)：（自學(xué)）（1）電流放大倍數(shù)（2）集-射間穿透電流ICEO（3）集-射間反向擊穿電壓UCEO(BR)（4）集電極最大電流ICM（5）集電極最大允許功耗PCM7/20/2023電工電子技術(shù)§1.5場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)管與晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵型場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管有兩種:N溝道P溝道耗盡型增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型7/20/2023電工電子技術(shù)MOS絕緣柵場效應(yīng)管（N溝道）（1）結(jié)構(gòu)PNNGSDP型基底兩個N區(qū)SiO2絕緣層金屬鋁N導(dǎo)電溝道未預(yù)留N溝道增強(qiáng)型預(yù)留N溝道耗盡型7/20/2023電工電子技術(shù)P