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(shí)7.2PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管7.3半導(dǎo)體三極管7.4MOS場(chǎng)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(wú)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(shí)

圖7-1本征硅材料半導(dǎo)體的共價(jià)健結(jié)構(gòu)相鄰原子之間以“共價(jià)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(jià)健中的價(jià)電子獲得一定能量即可掙脫共價(jià)健的束縛而成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)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(duì)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(duì)。共價(jià)鍵由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱為空穴在外電場(chǎng)的作用下，自由電子逆電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)形成電子電流。價(jià)電子填補(bǔ)空穴的現(xiàn)象會(huì)在相鄰原子間進(jìn)行，相當(dāng)于空穴順電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)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?yàn)樗鼈兌季哂羞\(yùn)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(jià)鍵中填補(bǔ)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(jìn)行，并能達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。兩種載流子

外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動(dòng)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(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。熱力學(xué)溫度0K時(shí)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(qiáng)，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(huì)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(jià)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(qiáng)，實(shí)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(jià)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?fù)饺?價(jià)元素硼（B）摻入5價(jià)元素磷（P）每摻入一個(gè)B原子就形成一個(gè)空穴，熱激發(fā)還產(chǎn)生一定數(shù)目的自由電子-空穴對(duì)每摻入一個(gè)P原子就形成一個(gè)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(duì)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(gè)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)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。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++++++++++++++++++++++++內(nèi)電場(chǎng)E擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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)E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。二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕ㄒ唬㏄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（二）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)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(yáng)極陰極半導(dǎo)體二極管是由一個(gè)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(yáng)極，N區(qū)引出線稱為陰極。將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)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(diǎn)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(jí)）四、二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IoM這是二極管長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)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(shí)，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(zhǎng)期工作時(shí)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(shí)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娦栽讲睢７聪螂娏魇軠囟扔绊戄^大。五、穩(wěn)壓二極管

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(gè)極、三個(gè)區(qū)、兩個(gè)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(hào)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(shí)驗(yàn)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成基極電流IB，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流IC。少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴(kuò)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(chǎng)作用下大部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴(kuò)散三極管放大時(shí)內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)情況電流分配：IE＝IB＋I(xiàn)C

IE－擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流

IB－復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的電流IC－漂移運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(yùn)動(dòng)在這樣的外部條件下就能完成IB對(duì)IC的控制作用。由實(shí)驗(yàn)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(shí)，IC≈IE≈0，但不完全為0，此時(shí)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(shí)，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(shí)，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(gè)工作區(qū)域

晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管（單極型器件）則是一種電壓控制器件。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS場(chǎng)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(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型（一）N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

圖7-13N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管（a）結(jié)構(gòu)示意圖(b)圖形符號(hào)（二）N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)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(huì)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(chǎng)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(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)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(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)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