最新半導(dǎo)體及基本器件

1、第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件1.1 1.1 半導(dǎo)體二極管的識(shí)別、檢測(cè)與選用半導(dǎo)體二極管的識(shí)別、檢測(cè)與選用1.2 1.2 半導(dǎo)體三極管的識(shí)別、檢測(cè)與選用半導(dǎo)體三極管的識(shí)別、檢測(cè)與選用1.3 1.3 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件1.1半導(dǎo)體二極管的識(shí)別、檢測(cè)與選用1.1.1 半導(dǎo)體基本知識(shí)1本征半導(dǎo)體純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征半導(dǎo)體。用得最多的半導(dǎo)體材料是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是4個(gè)。在絕對(duì)溫度（0k）時(shí)，所有價(jià)電子都被共價(jià)鍵束縛，沒(méi)有自由運(yùn)動(dòng)的帶電粒子，故不能導(dǎo)電，這時(shí)的半導(dǎo)體相當(dāng)于絕緣體。其共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的立體和平面

2、示意圖如圖1-1-1所示。 圖1-1-1 硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件 當(dāng)溫度升高或受光照射時(shí)，少數(shù)共價(jià)鍵中的價(jià)電子吸取一定的能量后，掙脫共價(jià)鍵的束縛，離開原子成為自由電子，而原來(lái)共價(jià)鍵上留下一個(gè)缺少電子的空位，叫做空穴。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)（也稱熱激發(fā)）。 可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。部分的自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖1-1-2所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。 由此可見，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。自由電子的定向運(yùn)動(dòng)可形成電子電流，空穴的定

3、向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，它們的方向相反。 圖1-1-2 本征激發(fā)和復(fù)合第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件2雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中，摻入微量的雜質(zhì)元素，能使半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。根據(jù)摻入雜質(zhì)的化合價(jià)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為n型和p型兩大類。（1）n型半導(dǎo)體。 把自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，稱為n型半導(dǎo)體（也稱電子半導(dǎo)體）。 在純凈的半導(dǎo)體硅或鍺內(nèi)摻入微量的五價(jià)元素如磷（p）后，磷原子在取代原晶體結(jié)構(gòu)中的原子并構(gòu)成共價(jià)鍵時(shí)，多余的第五個(gè)價(jià)電子很容易擺脫磷原子核的束縛而成為自由電子，如圖1-1-3所示。于是半導(dǎo)體中的自由電子數(shù)目大量增加，自由電子成為多數(shù)載流子，空穴則成為少

4、數(shù)載流子。 圖1-1-3 n型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件 圖1-1-4 p型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖（2）p型半導(dǎo)體。 把空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，稱為p 型半導(dǎo)體（也稱空穴半導(dǎo)體）。 在純凈的半導(dǎo)體硅或鍺內(nèi)摻入微量三價(jià)元素如硼（b）后，硼原子在取代原晶體結(jié)構(gòu)中的原子并構(gòu)成共價(jià)鍵時(shí)，將因缺少一個(gè)價(jià)電子而形成一個(gè)空穴，于是半導(dǎo)體中的空穴數(shù)目大量增加，空穴成為多數(shù)載流子，而自由電子則成為少數(shù)載流子，如圖1-1-4所示。 第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件1.1.2 pn結(jié)及其單向?qū)щ娦?若將p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，由于交界面兩側(cè)載流子的

5、濃度差別，n區(qū)的電子往p區(qū)擴(kuò)散，p區(qū)空穴往n區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散結(jié)果是：在n區(qū)和p區(qū)的交界處兩側(cè)分別產(chǎn)生正負(fù)離子，形成空間電荷區(qū)，即pn結(jié)，又稱為耗盡層和阻擋層，如圖1-1-5所示 圖1-1-5 pn結(jié)形成第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件 若在pn結(jié)兩端接上外加正向偏壓（p區(qū)接電源正極，n區(qū)接電源負(fù)極），則在正向偏壓作用下，多子（p區(qū)的空穴，n區(qū)的電子）流向交界處分別中和了空間電荷區(qū)中一部分負(fù)、正離子，使空間電荷區(qū)變窄，pn結(jié)電阻變小，從而形成較大的正向電流if，正向電流隨正向偏壓的增大而變大，如圖1-1-6所示。 圖1-1-6 pn結(jié)加正向偏壓第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及

6、基本器件 當(dāng)pn結(jié)加反向偏壓時(shí)（正極接n區(qū)，負(fù)極接p區(qū)），將使多子（p區(qū)的空穴，n區(qū)的電子）遠(yuǎn)離交界處，使空間電荷增多，空間電荷區(qū)變寬，阻止了多數(shù)載流子的擴(kuò)散，只有少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)，把反偏時(shí)流過(guò)pn結(jié)的電流稱為反向飽和電流，以ir表示，如圖1-1-7所示。隨著反向電壓的升高，反向電流幾乎不變。（注：若將反向電壓繼續(xù)增加到pn結(jié)擊穿電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量的少數(shù)載流子，可使得pn結(jié)燒壞）。 圖1-1-7 pn結(jié)反向偏壓第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件1.1.3 半導(dǎo)體二極管的分類、檢測(cè)與選用 二極管是由一個(gè)pn結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)體器件，即將一個(gè)pn結(jié)加兩根電極引線做成管芯，并用管殼封裝而成

7、。p型區(qū)的引出線稱為正極或陽(yáng)極，n型區(qū)的引出線稱為負(fù)極或陰極，如圖1-1-8所示。 圖1-1-8 二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件1二極管的分類（1）根據(jù)構(gòu)造分類。 半導(dǎo)體二極管主要是依靠pn結(jié)的單向?qū)щ娦裕▍㈤喐郊娱喿x材料）而工作的。根據(jù)pn結(jié)構(gòu)造面的特點(diǎn)，把晶體二極管分類如下。 點(diǎn)接觸型二極管。點(diǎn)接觸型二極管是在鍺或硅材料的單晶片上壓觸一根金屬針形成，適用于高頻電路。 面接觸型二極管。面接觸型二極管包括合金型二極管、擴(kuò)散型二極管、平面外延型二極管等。 肖特基二極管。在金屬和半導(dǎo)體的接觸面上，用已形成的肖特基來(lái)阻擋反向電壓，肖特基與pn結(jié)的整流作用原理有根本

8、性的差異。 圖1-1-9 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件圖1-1-10 肖特基二極管的結(jié)構(gòu)與封裝（單管與雙管封裝）第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件（2）根據(jù)用途分類。 檢波用二極管。檢波即從輸入信號(hào)中取出被調(diào)制信號(hào)，通常輸出電流小于100ma。 整流用二極管。整流即把輸入交流電變成輸出直流電，通常電流在幾十毫安以上。 圖1-1-12 幾種普通整流二極管外形圖1-1-11 1n60p點(diǎn)接觸型鍺二極管第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件 開關(guān)二極管。小電流的開關(guān)二極管通常為點(diǎn)接觸型二極管，也有可在高溫下工作的硅擴(kuò)散型、平面型二極管。

9、變?nèi)荻O管。用于自動(dòng)頻率控制（afc）和調(diào)諧用的小功率二極管稱變?nèi)荻O管。 圖1-1-13 1ss110、1ss265型開關(guān)二極管圖1-1-14 常見變?nèi)荻O管及其結(jié)構(gòu)第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件 穩(wěn)壓二極管。利用二極管的反向擊穿特性制成的產(chǎn)品。 發(fā)光二極管（led）。是一種光發(fā)射器件（如圖1-1-16所示），能把電能直接轉(zhuǎn)化成光能。 圖1-1-15 常用0.5w，1w穩(wěn)壓管 圖1-1-16 常見發(fā)光二極管第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件2二極管的特性二極管最主要的特性是單向?qū)щ娦裕浞蔡匦郧€如圖1-1-17所示。（1）正向特性。 （2）反向特性。 （3

10、）擊穿特性。 （4）頻率特性。 圖1-1-17 二極管的伏安特性曲線第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件3二極管的主要參數(shù)（1）正向電流if。在額定功率下，允許通過(guò)二極管的電流值。（2）正向電壓降uf。二極管通過(guò)額定正向電流時(shí)，在兩極間所產(chǎn)生的電壓降。（3）最大整流電流（平均值）iom。在半波整流連續(xù)工作的情況下，允許的最大半波電流的平均值。（4）反向擊穿電壓ub。二極管反向電流急劇增大到出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象時(shí)的反向電壓值。（5）反向峰值電壓urm。二極管正常工作時(shí)所允許的反向電壓峰值。（6）反向電流ir。在規(guī)定的反向電壓條件下流過(guò)二極管的反向電流值。（7）最高工作頻率fm。二極管具有單向

11、導(dǎo)電性的最高交流信號(hào)的頻率。第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件4二極管的簡(jiǎn)易測(cè)試方法 二極管的極性通常在管殼上注有標(biāo)記，如無(wú)標(biāo)記，可用萬(wàn)用表電阻擋測(cè)量其正反向電阻來(lái)判斷：用萬(wàn)用表r*100或r*1k擋，任意測(cè)量二極管的兩根引線，如果量出的電阻只有幾百歐姆（正向電阻），則黑表筆（既萬(wàn)用表內(nèi)電池正極）所接引線為正極，紅表筆（既萬(wàn)用表內(nèi)電源負(fù)極）所接引線為負(fù)極，如圖1-1-18所示。 圖1-1-18 用萬(wàn)用表電阻擋測(cè)量二極管第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件5二極管的選用 二極管可用于檢波、整流、穩(wěn)壓、保護(hù)、調(diào)諧、調(diào)制、開關(guān)、箝位、測(cè)溫等多種場(chǎng)合，可根據(jù)不同的要求選用。（

12、1）選用檢波二極管主要考慮工作頻率高，反向電流?。O表明檢波效率高）。（2）對(duì)小功率普通整流電路，主要考慮最大整流電流與最高工作電壓應(yīng)符合電路要求，一般采用面接觸型 。（3）穩(wěn)壓二極管一般用于基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生、過(guò)壓保護(hù)等，選用時(shí)，除穩(wěn)壓值要滿足要求外，還要考慮最小穩(wěn)定電流、最大耗散功率等因素。 （4）開關(guān)二極管一般用于開關(guān)電路、檢波電路、高頻脈沖整流等場(chǎng)合，中速開關(guān)電路可選用2ak系列等。（5）變?nèi)荻O管的選用主要考慮工作頻率、最高反向工作電壓、零偏壓電容等參數(shù)，應(yīng)選用容量變化大、q值高、反向漏電小的變?nèi)荻O管。（6）電路設(shè)計(jì)時(shí)二極管選用還要考慮體積大小、封裝形式、性價(jià)比等因素。 第第1 1章章

13、半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件1.2 1.2 半導(dǎo)體三極管的識(shí)別、檢測(cè)與選用半導(dǎo)體三極管的識(shí)別、檢測(cè)與選用 1.2.1 半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)及類型1三極管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)及類型 三極管是通過(guò)一定的工藝，將兩個(gè)pn結(jié)結(jié)合在一起的器件，它是電子電路中的核心器件。三極管有npn和pnp兩種類型， 無(wú)論是npn型還是pnp型三極管，它們內(nèi)部都含有三個(gè)區(qū)，分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，三個(gè)區(qū)引出的電極分別是發(fā)射極e、基極b和集電極c，發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的pn結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，基區(qū)和集區(qū)之間的pn結(jié)稱為集電結(jié)。 圖1-2-1 三極管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件2

14、半導(dǎo)體三極管的分類 半導(dǎo)體三極管亦稱雙極型晶體管，其種類非常多。按照結(jié)構(gòu)工藝分類，有pnp和npn型；按照制造材料分類，有鍺管和硅管；按照工作頻率分類，有低頻管和高頻管；一般低頻管的工作頻率在3mhz以下的電路中，高頻管的工作頻率可以達(dá)到幾百兆赫以上。按照允許耗散的功率大小分類，有小功率管和大功率管；一般小功率管的額定功耗在1w以下，而大功率管的額定功耗可達(dá)幾十瓦以上，常見的半導(dǎo)體三極管外型見圖1-2-2所示。 圖1-2-2 各種晶體管的外形第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件1.2.2 半導(dǎo)體三極管放大原理 半導(dǎo)體三極管的主要功能是放大電信號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微小信號(hào)的放大作用，必須滿

15、足發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。下面以npn管為例來(lái)說(shuō)明晶體管放大原理。1半導(dǎo)體三極管的電流分配關(guān)系 發(fā)射極電流恒等于基極電流和集電極電流之和。即 ie =ib+ic（1-1） 事實(shí)上，如果將半導(dǎo)體三極管看成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用基爾霍夫定律即可得到式1-1，圖1-2-4為半導(dǎo)體三極管電流分配示意圖 圖1-2-3 晶體管電流分配實(shí)驗(yàn)電路 圖1-2-4 晶體管電流分配第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件2半導(dǎo)體三極管的電流放大作用第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件1.2.3 半導(dǎo)體三極管特性曲線 半導(dǎo)體三極管各電極電壓和電流之間的關(guān)系曲線稱為晶體管伏安特性曲線。下面以npn型管為例，

16、采用圖1-2-5所示測(cè)量電路進(jìn)行測(cè)試（也可用晶體管特性圖示儀直接在儀器顯示屏上顯示）。 圖1-2-5 共射極電路輸入、輸出特性測(cè)量電路第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件1輸入特性曲線 輸入特性是指uce為某一定值時(shí)，輸入電流ib與輸入電壓ube的關(guān)系曲線。 在輸入回路中，發(fā)射結(jié)是一正向偏置的pn結(jié)，因此輸入特性與二極管正向伏安特性相似，當(dāng)輸出電壓uce變化時(shí)，不會(huì)引起特性曲線太大的漂移，半導(dǎo)體三極管輸入特性曲線如圖1-2-6所示。圖1-2-6 輸入特性曲線第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件2輸出特性 輸出特性是指ib一定時(shí)，輸出電流ic與輸出電壓uce的關(guān)系曲線，如

17、圖1-2-7所示。 圖1-2-7所示的輸出特性曲線，可以劃分為三個(gè)區(qū)域。（1）截止區(qū)。（2）放大區(qū)。（3）飽和區(qū)。圖1-2-7 輸出特性曲線第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件1.2.4 半導(dǎo)體三極管的主要參數(shù) 1電流放大系數(shù) 電流放大系數(shù)的概念前已闡述。工程實(shí)際使用中，要注意由于三極管制造工藝的限制，半導(dǎo)體器件有較大的分散性，同一種型號(hào)三極管的電流放大系數(shù) 也有很大的差別。2極間反向飽和電流icbo和穿透電流iceo3極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流icm。（2）集電極最大耗散功率pcm。（3）反向擊穿電壓u(br)ceo。（4）頻率參數(shù)。第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及

18、基本器件1.2.5 半導(dǎo)體三極管管腳、類型判別與性能檢測(cè)1三極管基極的判別 根據(jù)三極管的結(jié)構(gòu)示意圖，可知三極管的基極是三極管中兩個(gè)pn結(jié)的公共極，因此，在判別三極管的基極時(shí)，只要找出兩個(gè)pn結(jié)的公共極，即為三極管的基極。 2三極管類型的判別（用指針式萬(wàn)用表） 三極管只有兩種類型，即pnp型和npn型。判別時(shí)只要知道基極是p型材料還是n型材料即可。 3三極管c極e極的判別 三極管使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。（1）根據(jù)電路要求對(duì)三極管進(jìn)行選用，高頻電路選用高頻管，放大倍數(shù)應(yīng)適中，不應(yīng)過(guò)大。（2）根據(jù)三極管主要性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行選用，一只三極管一般有十多項(xiàng)參數(shù)，有的特點(diǎn)是頻率特性好、開關(guān)速度快；有的是具有自動(dòng)增

19、益控制、高頻低噪聲；有的是特性頻率高、功率增益高，噪聲系數(shù)小。第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件1.3 場(chǎng)效應(yīng)管 1.3.1 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管 1n溝道增強(qiáng)型mos場(chǎng)效應(yīng)管（1）結(jié)構(gòu)。n溝道增強(qiáng)型mos場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-3-1所示。 圖1-3-1 n溝道增強(qiáng)型mos場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電溝道的形成第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件（2）工作原理。 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是通過(guò)改變ugs來(lái)控制pn結(jié)的阻擋層寬窄，從而改變導(dǎo)電溝道的寬度，達(dá)到控制漏極電流id的目的。 （3）特性曲線。 n溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管，也用轉(zhuǎn)移特性、輸出特性表示id，ugs，uds之間的關(guān)系，如圖1-3-2所示。 圖1-3-2 n溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線第第1 1章章 半導(dǎo)體及基本器件半導(dǎo)體及基本器件2n溝道耗盡型mos管（1）結(jié)構(gòu)。 圖1-3-3 n溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與特性曲線（2）工作原理。 當(dāng)uds0時(shí)，將產(chǎn)生較大的漏極電流id。如果使ugs0，則它將削弱正離子所形成的電場(chǎng)，使n溝道變窄，從而使id減小。當(dāng)ugs