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半導(dǎo)體器件是組成各種電子電路 包括模擬電路和數(shù)字電路 分立元件電路和集成電路的基礎(chǔ) 本章討論半導(dǎo)體的特性 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?二極管 三極管 場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu) 工作原理 特性曲線和主要參數(shù) 第1章 半導(dǎo)體器件 物質(zhì)可分為 導(dǎo)體 10 4 cm如 銅 銀 鋁絕緣體 109 cm如 橡膠 塑料半導(dǎo)體其導(dǎo)電能力介于上面兩者之間 一般為四價元素的物質(zhì) 即原子最外層的軌道上均有四個價電子 所以稱它們?yōu)?價元素 半導(dǎo)體有 元素半導(dǎo)體 硅 Si 鍺 Ge 等 化合物半導(dǎo)體 砷化鎵 GaAs 等 第一節(jié) 半導(dǎo)體的特性 原子結(jié)構(gòu)的簡化模型 圖1 1 1硅或鍺的簡化原子結(jié)構(gòu)模型 本征半導(dǎo)體通常把非常純凈的 幾乎不含雜質(zhì)的且結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體 在T 0K 相當(dāng)于 273oC 時半導(dǎo)體不導(dǎo)電 如同絕緣體一樣 如溫度升高 如在室溫條件下 將有少數(shù)價電子獲得足夠的能量 以克服共價鍵的束縛而成為自由電子 其載流子的數(shù)量很少 自由電子的數(shù)量 導(dǎo)電能力很弱 1 1 1本征半導(dǎo)體 束縛電子本征激發(fā)空穴 電子對兩種載流子 電子與空穴載流子產(chǎn)生與復(fù)合動態(tài)平衡載流子濃度與T有關(guān) 圖1 1 3本征激發(fā)現(xiàn)象 在本征半導(dǎo)體中摻入少量的雜質(zhì) 就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的改變 根據(jù)摻入雜質(zhì)的化合價的不同 雜質(zhì)半導(dǎo)體分為 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體兩大類 一 N型半導(dǎo)體 在4價硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素 如磷 銻 砷等 1 1 2雜質(zhì)半導(dǎo)體 施主雜質(zhì) 多數(shù)載流子 多子 少數(shù)載流子 少子 電子型半導(dǎo)體 a b 圖1 1 4N型半導(dǎo)體 a 結(jié)構(gòu)示意圖 b 離子和載流子 不計本征激發(fā) 受主雜質(zhì) 多子 少子 空穴型半導(dǎo)體 a b 圖1 1 5P型半導(dǎo)體 a 結(jié)構(gòu)示意圖 b 離子和載流子 不計本征激發(fā) 二 P型半導(dǎo)體 在4價硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素 如硼 錫 銦等 N半導(dǎo)體 P半導(dǎo)體電中性半導(dǎo)體的特性 1 熱敏性2 摻雜性3 光敏性 1 2 1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦詥渭兊腜型或N型半導(dǎo)體 僅僅是導(dǎo)電能力增強(qiáng)了 因此它還不是電子線路中所需要的半導(dǎo)體器件 若在一塊本征半導(dǎo)體上 兩邊摻入不同的雜質(zhì) 使一邊成為P型半導(dǎo)體 另一邊成為N型半導(dǎo)體 則在兩種半導(dǎo)體的交界面附近形成一層很薄的特殊導(dǎo)電層 PN結(jié) PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ) 第二節(jié) 半導(dǎo)體二極管 1 PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動 空間電荷區(qū) 耗盡層 漂移運(yùn)動 動態(tài)平衡 內(nèi)建電位差 勢壘區(qū)或阻擋層 a b 圖1 2 1PN結(jié)的形成 a 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動 b 平衡狀態(tài)下的PN結(jié) 2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦栽砥?正向偏置 正偏 反向偏置 反偏 正向?qū)?反向截止 a b 圖1 2 2外加電壓時的PN結(jié) a 正偏 b 反偏 PN結(jié)正偏時產(chǎn)生較大的正向電流PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài) PN結(jié)反偏時產(chǎn)生較小的反向電流 PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài) 故PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?1 2 2半導(dǎo)體二極管及其基本特性 a b 圖1 2 3二極管的結(jié)構(gòu)和符號 a 結(jié)構(gòu)示意圖 b 符號 一 二極管的結(jié)構(gòu)與符號 圖1 2 4二極管的伏安特性曲線 二 二極管 PN結(jié) 伏安特性1 正向特性 死區(qū) 導(dǎo)通電壓或開啟電壓 室溫下 硅管的Uon 0 5V 鍺管的Uon 0 1V 管壓降 硅管UD 0 6 0 8V 鍺管UD 0 1 0 3V 2 反向擊穿特性反向特性 反向飽和電流 反向擊穿電壓 電擊穿 雪崩擊穿 齊納擊穿 熱擊穿需要特別指出的是 普通二極管的反向擊穿電壓較高 一般在幾十伏到幾百伏以上 高反壓管可達(dá)幾千伏 普通二極管在實際應(yīng)用中不允許工作在反向擊穿區(qū) 二極管的伏安特性方程 可近似用PN結(jié)的伏安特性方程來表示 理論研究表明 PN結(jié)兩端電壓U與流過PN結(jié)的電流I之間的關(guān)系為 1 2 1 Isat 反向飽和電流UT kT q 溫度電壓當(dāng)量 其中k為玻耳茲曼常數(shù) T為絕對溫度 q為電子電量 在室溫 27 或300K 時UT 26mV 三 二極管的主要參數(shù)1 最大整流電流IF 指二極管長期工作時 允許通過管子的最大正向平均電流 2 最高反向工作電壓UR 3 反向電流IR 指在室溫下 在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時 流過管子的反向電流 IR愈小單向?qū)щ娦杂?IR與溫度有關(guān) 少子運(yùn)動 4 最高工作頻率 fM值主要決定于PN結(jié)結(jié)電容的大小 結(jié)電容愈大 則fM愈低 四 穩(wěn)壓二極管利用二極管的反向擊穿特性 可將二極管做成一種特殊二極管 穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管穩(wěn)壓二極管的電路符號如圖1 2 5所示穩(wěn)壓二極管參數(shù) 穩(wěn)定電壓 穩(wěn)定電流 動態(tài)電阻 額定功耗 穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù) 五 二極管的分類及其選擇1 二極管的分類按材料的可分為鍺管和硅管 按功能可分為開關(guān)管 整流管 穩(wěn)壓管 變?nèi)莨?發(fā)光管和光電 敏 管等 普通二極管 特殊二極管 按工作電流可分為小電流管和大電流管 按耐壓高低可分為低壓管和高壓管 按工作頻率高低可分為低頻管和高頻管等 2 二極管的選擇 1 要求導(dǎo)通電壓低時選鍺管 要求反向電流小時選硅管 要求擊穿電壓高時選硅管 要求工作頻率高時選點接觸型高頻管 要求工作環(huán)境溫度高時選硅管 2 在修理電子設(shè)備時 如果發(fā)現(xiàn)二極管損壞 則用同型號的管子來替換 如果找不到同型號的管子則可改用其他型號二極管來代替 替代管子的極限參數(shù)IF UR和fM應(yīng)不低于原管 且替代管子的材料類型 硅管或鍺管 一般應(yīng)和原管相同 1 電容效應(yīng)二極管除了單向?qū)щ娦酝?還具有電容效應(yīng) PN結(jié)電容效應(yīng) 即當(dāng)其兩端電壓變化時 其存儲的電荷也發(fā)生變化 因此就出現(xiàn)充 放電現(xiàn)象 按產(chǎn)生的原因不同分為勢壘電容和擴(kuò)散電容兩種 1 勢壘電容Cb 2 擴(kuò)散電容Cd結(jié)電容Cj為兩者之和 即Cj Cb Cd正偏時 Cb Cd Cj主要由勢壘電容決定 1 2 3二極管的電容效應(yīng) 2 變?nèi)荻O管利用二極管的電容效應(yīng) 可將二極管做成一種特殊二極管 變?nèi)荻O管 其電路符號如圖1 2 9所示 主要用作可變電容 受電壓控制 必須工作在反偏狀態(tài) 常用于高頻電路中的電調(diào)諧電路 圖1 2 6變?nèi)荻O管的電路符號 1 光敏特性與光敏二極管半導(dǎo)體具有光敏特性 光照越強(qiáng) 受激產(chǎn)生的電子 空穴對的數(shù)量越多 普通二極管的外殼都是不透光的利用二極管的光敏特性 可制成一種特殊二極管 光敏二極管 光敏二極管又稱光電二極管 屬于光電子器件 為了便于接受光照 光電二極管的管殼上有一個玻璃窗口 讓光線透過窗口照射到PN結(jié)的光敏區(qū) 光電二極管的符號如圖1 2 7 a 所示 1 2 4二極管的光電效應(yīng) a b 圖1 2 7光電二極管的符號與光電特性的測量電路 a 符號 b 光電特性的測量電路 2 發(fā)光二極管發(fā)光二極管的符號與基本應(yīng)用電路如圖1 2 8所示 顯然 發(fā)光二極管應(yīng)工作在正偏狀態(tài) 且當(dāng)正向電流達(dá)到一定值時才能發(fā)出光 a b 圖1 2 8光電二極管的符號與發(fā)光特性的測量電路 a 符號 b 發(fā)光特性的測量電路 1 2 5二極管的溫度特性半導(dǎo)體還具有熱敏特性 溫度每升高1 正向壓降減小2 2 5mV 溫度每升高10 反向電流約增大一倍 二極管的反向特性受溫度的影響較大溫度對二極管的影響是不可避免的 因為溫度總是存在于器件中存在且經(jīng)常變化的 它有空穴和電子兩種載流子參與導(dǎo)電 故稱雙極型 分為硅管和鍺管 大 中 小功率管 高頻管和低頻管 半導(dǎo)體三極管 簡稱三極管 就是一種能將直流能量轉(zhuǎn)化為交流能量的器件 這樣的器件也稱為有源器件 第三節(jié) 晶體三極管 半導(dǎo)體三極管又稱為雙極型三極管 BipolarJunctionTransistor BJT 晶體三極管 簡稱三極管 是最為常用的一種半導(dǎo)體器件 它是通過一定的工藝 將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起的器件 由于PN結(jié)之間的相互影響 使三極管表現(xiàn)出不同于二極管單個PN結(jié)的特性而具有電流放大作用 從而使PN結(jié)的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍 本節(jié)將圍繞三極管為什么具有電流放大作用這個核心問題 討論三極管的結(jié)構(gòu) 內(nèi)部載流子的運(yùn)動過程以及它的各極電流分配關(guān)系 1 3 1三極管的結(jié)構(gòu)與符號 實物演示 各類三極管及其外形三極管按結(jié)構(gòu)可分為NPN和PNP兩類 三極管的結(jié)構(gòu) 硅平面型 鍺合金型 三個區(qū) 基區(qū) 發(fā)射區(qū) 集電區(qū)三個極 基極 發(fā)射極 集電極三個結(jié) 發(fā)射結(jié) 集電結(jié) 1 3 2三極管放大原理1 三極管的偏置放大電路中的三極管都需要提供直流電源 并得到一個合適的偏置 由于三極管有兩個PN結(jié) 所以偏置的方式有四種 發(fā)射結(jié)正偏 集電極反偏 發(fā)射極反偏 集電結(jié)正偏 二結(jié)均正偏 二結(jié)均反偏 放大電路中的三極管的偏置應(yīng)為發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 NPN型三極管 UC UB UE PNP型三極管 UC UB UE 圖1 3 5NPN三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動 2 三極管的電流分配關(guān)系 半導(dǎo)體三極管內(nèi)有兩種載流子參于導(dǎo)電 故稱為雙極型三極管 BJT 由節(jié)點電流定律 有IE ICN IBN 1 3 1a IB IBN ICBO 1 3 1b IC ICN ICBO 1 3 1c 由上述三式可得IE IB IC 1 3 2 定義 1 3 3a 稱為共基極直流電流放大系數(shù) 其值一般在0 95至0 995之間 定義 1 3 3b 稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) 其值一般在幾十至幾百之間 由于ICBO一般很小 若忽略ICBO 則有IB IBN 13 4a IC ICN 1 3 4b IE ICN IBN IB IC 1 3 4c 1 3 5a 1 3 5b 因此 1 3 6 1 3 7 且有 1 3 8a 1 3 8b 若考慮ICBO 則由式 1 3 1 1 3 2 和 1 3 3 得 1 3 9 上式第二項用ICEO表示 即于是通常稱ICEO為穿透電流 或集電極 發(fā)射極間反向飽和電流 管子各極的電流及方向如圖2 1 7所示 PNP型管的各極電流方向與NPN型管相反 但電流分配關(guān)系完全相同 三極管三個電極的電流中 IB最小 IE最大 IC IE 即IE IC IB a b 圖1 3 7三極管各極的電流及方向 a NPN型 b PNP型 1 3 3三極管的共射特性曲線 采用共射接法的三極管的特性曲線稱為共射特性曲線 三極管有三個電極 而且還有放大作用 所以它的特性曲線要比二極管復(fù)雜的多 常用的是輸入特性曲線和輸出特性曲線 圖1 3 8測量三極管共射特性曲線的電路 輸入特性曲線反映了三極管輸入端的電流iB和電壓uBE關(guān)系 輸出特性曲線則反映了三極管輸出端的電流iC和電壓uCE的關(guān)系 1 共射輸入特性曲線三極管的共射輸入特性曲線表示當(dāng)管子的輸出電壓uCE為常數(shù)時 輸入電流iB與輸入電壓uBE之間的關(guān)系曲線 即 在一般情況下 當(dāng)uCE較大 大于1V 時 三極管工作在正常放大狀態(tài) 則uCE對iB的影響很小 因此 為使問題簡單化 將只考慮保證uCE始終大于1V 但并不固定uCE為某一數(shù)值 其誤差很小 圖1 3 9為某硅NPN管的共射輸入特性曲線 1 uCE 0V時 相當(dāng)于c e極短路 這時三極管可以看為兩個二極管的正向并聯(lián) 因此uCE 0V的輸入特性與二極管的正向特性相似 但更陡一些 2 隨著uCE的增大 曲線逐漸右移 這是因為隨著uCE的增大 基區(qū)調(diào)寬效應(yīng)使電子在基區(qū)與空穴的復(fù)合減少 在相同的uBE下iB減小 曲線右移 3 uCE 1V以后各條輸入特性曲線密集在一起 幾乎重合 由于在實際使用時 uCE一般總是大于1V的 因此通常只畫出有用的uCE 1V的那條輸入特性曲線 4 一般硅管的 UBE 0 7V 鍺管的 UBE 0 2V 5 輸入特性是非線性的 總之 三極管的輸入特性曲線與二極管的正向特性相似 因為b e極間是正向偏置的PN結(jié) 2 共射輸出特性曲線共射組態(tài)時 三極管的輸出電流iC不但取決于輸出電壓uCE 而且與輸入電流iB有關(guān) 三極管的共射輸出特性曲線表示當(dāng)管子的輸入電流iB為某一常數(shù)時 輸出電流iC與輸出電壓uCE之間的關(guān)系曲線 即 圖1 3 10為某硅NPN三極管的共射輸出特性曲線 1 曲線起始部分較陡 且不同iB曲線的上升部分幾乎重合 這表明uCE很小時 uCE略有增大 iC就很快增加 但iC幾乎不受iB的影響 2 當(dāng)uCE較大 如大于1V 后 曲線比較平坦 但略有上翹 3 輸出特性是非線性的 由共射輸出特性曲線 可以把三極管的工作狀態(tài)分為三個區(qū)域 截止區(qū) 放大區(qū) 飽和區(qū) 1 截止區(qū)通常把iB 0 此時iC iE ICEO 的輸出特性曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū) 截止區(qū)的特點是各極電流均很小 接近或等于零 此時發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反偏 三極管失去放大作用且呈高阻狀態(tài) e b c極之間近似看作開路 2 放大區(qū)放大區(qū)指iB 0和uCE uBE的區(qū)域 粗略看來就是圖2 5 4中曲線的平坦部分 在放大區(qū) 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 此時由于iC iB 則iC隨時iB而變化 即iC受控于iB 受控特性 同時iC與uCE基本無關(guān) 即iC對uCE而言可近似看成恒流 恒流特性 由于 iC iB 所以三極管有電流放大的作用 曲線間的間隔大小反映出 的大小 即管子的電流放大能力 三極管只有工作在放大區(qū)才有放大作用 由于iC受控于iB 所以三極管是一種電流控制型器件 3 飽和區(qū)飽和區(qū)指uCE uBE的區(qū)域 大致是圖2 5 4中曲線靠近縱軸的區(qū)域 在飽和區(qū) 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正偏 三極管也失去放大作用 iC iB不再成立 這時 iC隨uCE而變化 卻幾乎不受iB控制 即 當(dāng)uCE一定時 即使iB增加 iC卻幾乎不變 這就是飽和現(xiàn)象 由于