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(10-1),第6章 半導(dǎo)體器件,(10-2),導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。,絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。,6.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,6-1 PN結(jié)及半導(dǎo)體二級(jí)管,(10-3),半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。,當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。,往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。,1.摻雜性,2.熱敏性和光敏性,(10-4),6.1.1 本征半導(dǎo)體（純凈和具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體）,一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),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)。,(10-5),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。,通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。,(10-6),硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),共價(jià)鍵共 用電子對(duì),+4表示除去價(jià)電子后的原子,(10-7),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。,(10-8),二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,在絕對(duì)0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。,在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。,1.載流子、自由電子和空穴,(10-9),自由電子,空穴,束縛電子,(10-10),2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(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)為空穴是載流子。,本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。,(10-11),溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。,本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。,（在本征半導(dǎo)體中 自由電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)，同時(shí) 又不斷的復(fù)合）,(10-12),6.1.2 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(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。,P 型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。,N 型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。,(10-13),一、N 型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷，晶體中的某些半導(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)與相鄰的半導(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。,(10-14),多余 電子,磷原子,N 型半導(dǎo)體中的載流子是什么？,1.由磷原子提供的電子，濃度與磷原子相同。,2.本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。,摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。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）。,(10-15),二、P 型半導(dǎo)體,空穴,硼原子,P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。,(10-16),三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的符號(hào),(10-17),總 結(jié),2.N型半導(dǎo)體中電子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，N型半導(dǎo)體中空穴是少子，少子的遷移也能形成電流，由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。,3.P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。,1. 本征半導(dǎo)體中受激產(chǎn)生的電子很少。,(10-18),6.2.1 PN 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)。,6.2 PN結(jié),(10-19),P 型半導(dǎo)體,N 型半導(dǎo)體,擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。,內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,(10-20),P型半導(dǎo)體,N 型半導(dǎo)體,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。,(10-21),空間電荷區(qū),N型區(qū),P型區(qū),電位V,V0,(10-22),1.空間電荷區(qū)中沒有載流子。,2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P區(qū)中的空穴.N區(qū) 中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。,3.P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。,小 結(jié),(10-23),(1) 加正向電壓（正偏）電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū),外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反。 外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng),耗盡層變窄,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng),多子擴(kuò)散形成正向電流I F,6.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(10-24),(2) 加反向電壓電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū),外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同。 外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng),耗盡層變寬,漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),少子漂移形成反向電流I R,在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。,(10-25),PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻， PN結(jié)導(dǎo)通； PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻， PN結(jié)截止。 由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?(10-26),6.3 半導(dǎo)體二極管,6.3.1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。,點(diǎn)接觸型,面接觸型,(10-27),6.3.2 伏安特性,死區(qū)電壓 硅管0.5V,鍺管0.1V。,導(dǎo)通壓降: 硅管0.60.7V,鍺管0.20.3V。,反向擊穿電壓UBR,(10-28),6.3.3 主要參數(shù),1. 最大整流電流 IOM,二極管長期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。,3. 反向擊穿電壓UBR,二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半。,2. 反向工作峰值電壓UBWM,保證二極管不被擊穿時(shí)的反向峰值電壓。,(10-29),4. 反向電流 IR,指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。,(10-30),5. 微變電阻 rD,uD,rD 是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q 附近電壓的變化與電流的變化之比：,顯然，rD是對(duì)Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。,(10-31),6. 二極管的極間電容（結(jié)電容）,二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。,勢(shì)壘電容：勢(shì)壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時(shí)，就會(huì)引起積累在勢(shì)壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢(shì)壘電容。,當(dāng)外加電壓發(fā)生變化時(shí)，耗盡層的寬度要相應(yīng)地隨之改變，即PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。,(10-32),當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。,電容效應(yīng)在交流信號(hào)作用下才會(huì)明顯表現(xiàn)出來,擴(kuò)散電容：為了形成正向電流（擴(kuò)散電流），注入P 區(qū)的少子（電子）在P 區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P 區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容.,(10-33),CB在正向和反向偏置時(shí)均不能忽略。而反向偏置時(shí)，由于載流子數(shù)目很少，擴(kuò)散電容可忽略。,PN結(jié)高頻小信號(hào)時(shí)的等效電路：,勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng),(10-34),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=0,二極管的應(yīng)用舉例1：二極管半波整流,二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。,(10-35),二極管的應(yīng)用舉例2：,(10-36),6-2 特殊二極管,U,IZ,穩(wěn)壓誤差,曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。,UZ,6.2.1 穩(wěn)壓二極管,(10-37),（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。,（5）最大允許功耗,穩(wěn)壓二極管的參數(shù):,（1）穩(wěn)定電壓 UZ,（3）動(dòng)態(tài)電阻,(10-38),在電路中穩(wěn)壓管只有與適當(dāng)?shù)碾娮柽B接才能起到穩(wěn)壓作用。,(10-39),穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例,穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):,解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax,方程1,要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓基本不變。求：電阻R和輸入電壓 ui 的正常值。,(10-40),令輸入電壓降到下限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin 。,方程2,聯(lián)立方程1、2，可解得：,(10-41),6.2.2光電二極管,反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。,(10-42),6.2.3發(fā)光二極管,有正向電流流過時(shí)，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。,(10-43),6.3.1 基本結(jié)構(gòu),基極,發(fā)射極,集電極,NPN型,PNP型,6-3 半導(dǎo)體三極管（晶體管）,(10-44),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,(10-45),發(fā)射結(jié),集電結(jié),(10-46),NPN型三極管,PNP型三極管,符號(hào),(10-47),IC,V,UCE,UBE,RB,IB,EC,EB,一. 一個(gè)實(shí)驗(yàn),6.3.2 電流分配和放大原理,(10-48),結(jié)論:,1. IE=IC+IB,3. IB=0, IC=ICEO,4.要使晶體管放大,發(fā)射結(jié)必須正偏,集電結(jié)必須反偏。,(10-49),二. 電流放大原理,EB,RB,EC,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IBE ，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。,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。,(10-50),EB,RB,EC,集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。,從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。,(10-51),IB=IBE-ICBOIBE,(10-52),ICE與IBE之比稱為電流放大倍數(shù),(10-53),一.輸入特性,工作壓降： 硅管UBE0.60.7V,鍺管UBE0.20.3V。,死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.1V。,6.3.3 特性曲線,(10-54),二、輸出特性,IC(mA ),此區(qū)域滿足IC=IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。,當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時(shí)，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。,(10-55),此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IBIC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。,(10-56),此區(qū)域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。,(10-57),輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):,放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 即： IC=IB , 且 IC = IB,(2) 飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。 即：UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V,(3) 截止區(qū)： UBE 死區(qū)電壓， IB=0 ， IC=ICEO 0,(10-58),三、主要參數(shù),前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點(diǎn)，稱為共射接法，相應(yīng)地還有共基、共集接法。,共射直流電流放大倍數(shù)：,工作于動(dòng)態(tài)的三極管，真正的信號(hào)是疊加在直流上的交流信號(hào)?；鶚O電流的變化量為IB，相應(yīng)的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數(shù)為：,1. 電流放大倍數(shù)和 ,(10-59),例：UCE=6V時(shí)：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。,在以后的計(jì)算中，一般作近似處理： =,(10-60),2.集-基極反向截止電流ICBO,ICBO是集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。,(10-61),B,E,C,N,N,P,ICBO進(jìn)入N區(qū)，形成IBE。,根據(jù)放大關(guān)系，由于IBE的存在，必有電流IBE。,集電結(jié)反偏有ICBO,3. 集-射極反向截止電流ICEO,ICEO受溫度影響很大，當(dāng)溫度上升時(shí)，ICEO增加很快，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特