1.第一章常用半導體器件(精)

1、浙江郵電職業(yè)技術學院第一章常用半導體器件1.1半導體基礎知識1.2半導體二極管1.3半導體三極管1.4場效應管1-5本章小結浙江郵電職業(yè)技術學院自然界中的物質，按其導電能力可分為三 大類：導體、半導體和絕緣體。半導體的導電 性能介于導體和絕緣體之間。典型的半導體主要有硅（SiSi）、錯（GeGe） 半導體的主要特點：熱敏性1-1半導體基礎知識浙江郵電職業(yè)技術學院2光敏性3摻雜性和化合物半導體碑化稼（GaAsGaAs）等。浙江郵電職業(yè)技術學院一、本征半導體本征半導體是指完全純凈的.結構完整的 半導體晶體。仏本征半導體的原子結構及共價鍵”腋硅和錯都是四價元素, 有四個價電子。在絕對零度下，所有價電

2、子，都被 共價鍵緊緊束縛，不會成 為自由電子。因此本征半 導體的導電能力很弱。圖 in 本征半導體共價鍵結構浙江郵電職業(yè)技術學院-*兩種載流子自由電子和空穴當溫度升高或受光照射時，共價鍵中的價電子獲得足夠能量，有的電子可以掙脫共價鍵的束縛，變成自由電子; 同時在原共價鍵的相應位置上留下一個空位,這個空位稱為空穴。 本征半導體中， 自由電子和空穴成對 出現(xiàn)，數目相同。圖 1.2 本征激發(fā)產生電子空穴對浙江郵電職業(yè)技術學院浙江郵電職業(yè)技術學院這個空穴，而在這個束縛電子的位置又出現(xiàn)一 個新的空位，另一個束 LJLJ LJLJ LJLJ 縛電子(圖中位置 3)3) 一z) 又會填補這個新的空位，這樣就

3、形成束縛電子填二補空穴的運動。稱此束縛電子填補空穴的運動為空穴運動。3 3結論(1)(1)半導體中存在兩種載流子，帶負電的自 由電子和帶正電的空穴。而導體中只有一種載 流子：自由電子，這是半導體與導體的一個本 質區(qū)別。(2)(2)本征半導體中，自由電子和空穴相伴產 生，數目相同。電子(圖中位置 2)2)可能獲取足夠的能量來填補自由電子空穴；2圖 1 3 束縛電子填補空穴的運動浙江郵電職業(yè)技術融浙江郵電職業(yè)技術學院對的產生與復合達到動態(tài)平衡，電子空穴對的數目相對穩(wěn)定。(4)(4)光照、溫度升高等外界條件影響下,激發(fā)的電子空穴對數目增加，半導體的導電能 力增強。浙江郵電職業(yè)技術學院二、雜質半導體本

4、征半導體中摻入微量其他元素(稱為雜 質)，可使其導電性能顯著改變?？刂茡饺腚s 質的濃度，可以制成各種性本征半導浙江郵電職業(yè)技術學院能的半導體器件。根據摻入雜質的性質不同，雜質半導體分 為兩類：N N型半導體和 P P 型半導體。圖 1 5 P 型半導體的共價鍵結構浙江郵電職業(yè)技術學院1.1. N N 型半導體在本征半導體中， 摻入微量的五價元素, 如磷 （P P） 、 碑 （AsAs）等，可得到 N N 型半導體。特點：自由電子濃度大于空穴濃度 多數載流子：自由電子 少數載流子：空穴自由電子導電2.2. P P 型半導體 在本征半導體中，摻入微量的三價元素,如硼（B B）、錮（InIn）等，可

5、得到 P P 型半導體。特點：空穴濃度大于自由電子濃度多數載流子：空穴少數載流子：自由電子圖 1 4 N 型半導體的共價鍵結構浙江郵電職業(yè)技術學院圖 1 6 載流子分布濃度差引起擴散運動浙江郵電職業(yè)技術學院空穴導電圖 1 6 載流子分布濃度差引起擴散運動浙江郵電職業(yè)技術學院多數載流子（多子）參與導電，雜質原子成為不可移動的離子，半導體呈現(xiàn)電中性。多子的濃度與摻雜濃度有關，受溫度影響很 ?。簧贁递d流子（少子）是因本征激發(fā)產生，因而其濃度與摻雜無關，對溫度非常敏感，影響半導體的性能.浙江郵電職業(yè)技術學院三、PN結及其單向導電性1.1. PNPN 結的形成PNPN 結合一多子濃度差一多子擴散一產生空

6、間 電荷區(qū)，形成內電場 一阻止多子擴散，N型半導體_ . 。 p型半導體o圖 1 6 載流子分布濃度差引起擴散運動浙江郵電職業(yè)技術學院促使少子漂移。圖 1 8 PN 結外加正向電壓浙江郵電職業(yè)技術學院擴散運動：多數載流子因濃度上的差異而 形成的運動。漂移運動：少數載流子在內電場作用下有規(guī)則的運動。浙江郵電職業(yè)技術學院(1)(1) PNPN 結外加正向電壓PNPN 結 P P 端接高電位，N N端接低電位，稱 PNPN 結外加正向電壓，或 稱 PNPN 結正向偏置，簡稱為正偏。正偏時，PNPN 結 變窄，正向電阻小， 電流大，PNPN 結處于 導通狀態(tài)。漂移運動和擴散空間電荷區(qū)運動的方向相反。無

7、外加電場時，通過P PN N結的擴散電流等于漂移電流,PNPN 結的寬:ooO00.0oO0內電場圖 1.7 PN 結的形成2.2. PNPN 結的單向導電性p區(qū)l 變0：O=0窄|N區(qū)內電場外電場u浙江郵電職業(yè)技術學院(2)(2) PNPN 結外加反向電壓浙江郵電職業(yè)技術學院(3)(3) PNPN 結的單向導電性稱 PNPN 結反向偏置，OG).簡稱為反偏。/ 1反偏時，PNPN 結。Q1mo變寬，反向電阻很大, 電流很小， PNPN 結處 于截至狀態(tài)。PNPN 結 P P 端接低電位，N N 端接高電位，稱 PNPN 結外加反向電壓，或P區(qū) |變寬1 N區(qū)內電場 外電場-于圖 1 9 PN

8、 結外加反向電壓浙江郵電職業(yè)技術學院PNPN 結外加正向電壓時處于導通狀態(tài), 外加反向電壓時處于截止狀態(tài) o o浙江郵電職業(yè)技術學院一、二極管的結構及符浙江郵電職業(yè)技術學院與 PNPN 結一樣半導體二極管具有單向導電性。 按半導體材料來分類，常用的有硅二極管、 錯二極管和碑化琢二極管等。按工藝結構來分類，有點接觸型、面接觸 型和平面型二極管三種。金屬觸絲_VD符號-結構二極管=PN=PN 結+管殼十引線1.2半導體二極管由P P端引出的電極是正極， 由N N端引 出的電極是負極，箭頭的方向表示正向 電流的方向，VDVD 是二極管的文字符號。浙江郵電職業(yè)技術學院、PNPN 結面積小，結電容正極豎

9、廠方判性小，用于檢波和變頻W 等高痂竜翰。外殼N型錯圖點接觸型二極管浙江郵電職業(yè)技術學院PNPN 結面積大，結電容 大，用于低頻大電流 整流電路。圖 1 ：L2 平面型二極管浙江郵電職業(yè)技術學院按封裝形式來分類，常見的二極管有金屬、 塑料和玻璃三種。按照應用的不同，二極管分為整流、檢波、 開關、穩(wěn)壓、發(fā)光、光電、快恢復和變容二極 管等。根據使用的不同，二極管的外形各異。圖 1 13 常見的二極管外形正極引線I/餡合金小球P型硅、嚴CN型硅圖面接N療璉PNPN 結面積大小可控。 結面積大，用于大功 率整流；結面積小， 用于高頻電路。底座負極引紋正極引線ri0IV2浙江郵電職業(yè)技術學院二、二極管的

10、伏安特性及主要參數九二極管的伏安特性二極管兩端的電壓 U U 及其流過二極管的電流 I I之間的關系曲線，稱為二極管的伏安特性。圖 1.14 測正向特性浙江郵電職業(yè)技術學院I I = = f(U)f(U)R=1正向特801401反向擊穿特Hps反向特O0.4- - - T0.8%UNV+浙江郵電職業(yè)技術學院圖 1.15 二極管的伏安特性曲線浙江郵電職業(yè)技術學院（1 1）正向特性當二極管所加正向電壓比較小時（0UUth0UIzmax,Izmax, 穩(wěn)壓管因過流而損壞。3耗散功率 PMPM。它是指穩(wěn)壓管正常工作時, 管子上允許的最大耗散功率。超過此值，管子 會因過熱而損壞。浙江郵電職業(yè)技術學院浙江

11、郵電職業(yè)技術學院流足夠大時，PNPN 結內電光效應發(fā)光。種類：發(fā)光顏色分為紅、黃、橙、綠、白和藍 6 6 種，顏色取決于制作管子的材料。浙江郵電職業(yè)技術學院3 3、光電二極管又稱為光敏二極管，是一種光接受器件。功能：將光能轉換為電能。特性：PNPN 結工作在反偏狀態(tài)，反向電流與照度成正比。應用：光測量、光電控 制等。如：光纖通信。2、發(fā)光二極管功能：O-y-OLED原理:管子正向圖 1 ：19 發(fā)應燈.數碼電信為光信號c=圖丄 20 發(fā)光二極管外形圖 1.22光電二浙江郵電職業(yè)技術學院W圖丄 2 丄光電二極管符號4 4、 變容二極管原理：利用 PNPN 結的電容效應進行工作。特性：工作在反向偏

12、置狀態(tài)，當外加的反 偏電壓變化時，其電儀容量也隨著改變。冏_ 沁皿一也礙圖久茁 變容二極管的符號5 5、 激光一極管原理：在發(fā)光二極管的 PNPN 結間安置一層具有 光活性的半導體，構成一個光諧振腔。工作時接 正向電壓，可發(fā)射出激光。應用：光盤驅動器，打印頭，光通信光源等。浙江郵電職業(yè)技術學院四、半導體二極管的應用1 1普通二極管利用二極管的單向導電性，可實現(xiàn)整流、限 幅及電平選擇等功能。(1)(1)整流電路利用單向導電性能的整流元件，將正負交 替變化的正弦交流電壓變換成單方向的脈動直 流電壓。kll-l=i浙江郵電職業(yè)技術學院在電壓正半周(設 a a 端為正，b b 端為負時為 正半周)電流

13、通路如圖(a)(a)中實線箭頭所示；電 壓的負半周，電流通路如圖(b)(b)中虛線箭頭所示。通過RL的電流 h h 以及RL上的電壓 ULUL 的波形如圖 1 1 2525 所示。応UL都是單方向的全波脈動波形。(a)習慣畫法( (b)簡化畫法圖丄.24 橋式整流電路浙江郵電職業(yè)技術學院mAA -7t2it 3n 4n cotAAAA .7C2n3n 4ncotiD；DQD2D4浙江郵電職業(yè)技術學院導通導通導通導通圖丄.25 橋式整流電路波形圖浙江郵電職業(yè)技術學院(2)(2)二極管限幅電路降低信號幅度，保護某些 器件不受大的信號電壓作用而 損壞。圖 1.26 二極管限幅電路及波形浙江郵電職業(yè)技

14、術學院(3)(3) 二極管電平選擇電路 多路輸入信號中選出最低電平和最高電平 的電路。該電路能選出任意時亥 I的低;電平。圖丄 27 二極管低電平選擇電路輸入電壓Ul U2 EUl U2Ul = U2Ui /VUo/V0圖 1.29 三極管結構與符號浙江郵電職業(yè)技術學院2 2、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路負載上電壓Uo = Uz = Ui -IRRRL不變：Ui f* Uol* IR!UR| Uo保持穩(wěn)定 同理51Uo保持穩(wěn)定 5 不變：RL! lol UolIzll * IR不 變一*Uo保持穩(wěn)定 同理RL Uo保持穩(wěn)定*半導體三極管一、三極管的結構及符號+1川I；穩(wěn)壓電路i圖 1 28 硅穩(wěn)壓

15、管穩(wěn)壓電路浙江郵奄職業(yè)技術亦圖 1.31.三極管電流放大實驗電路浙江郵電職業(yè)技術學院1 1 三極管的基本結構VMtiK且摻雜濃度低；(2)發(fā)射區(qū)雜質濃度很高;三極管的結構特點：(1)基區(qū)做得很薄,樂屯 X 樂電餡JcJe刻NIX圖 1.31.三極管電流放大實驗電路浙江郵電職業(yè)技術學院（1）工作頻率高低分： 低頻管（3MHz以下） 、 高頻管（3MHz以上）。（2）特殊性能要求分：開關管、低噪聲管、高反壓管等。（4）功率分：大、中、小功率管。浙江郵電職業(yè)技術學院三極管電流放大作用條件是:內部條件： 發(fā)射區(qū)摻雜濃度高, 基土、三極管的電流分配原則及放大作用2 2三極管(3)制作材料分：硅管和豬管。

16、仏三極管的工作條件（d）人功率管圖 1.31.三極管電流放大實驗電路浙江郵電職業(yè)技術學院區(qū)摻雜濃度低且很薄，集 電結面積大。外部條件： 發(fā)射結加正向電壓（正偏） ，而集電結必須加 反向電壓（反偏）。浙江郵電職業(yè)技術學院2 2 三極管實現(xiàn)電流分配的原理(1)(1) 發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射自 由電子，形成發(fā)射極電流血。(2)(2)自由電子在基區(qū)與空 穴復合，形成基極電流 IBIB。(3)(3) 集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴散過來的自由電子，形成 集電極電流前另外，集電區(qū)的少子形成漂移電流ICBO o圖丄 32 三極管內部載流子的傳輸與電流分配浙江郵電職業(yè)技術學院3 3 三極管的電流分配關系三極管矽直流電流放大系

17、數:= Ic /IB三極管的交流電流放大系數:p=AIc / AIB一般卩壬 1,1,通常 0 0“曠電流分配關系：IE=IC+IBIC= p IB圖丄 32 三極管內部載流子的傳輸與電流分配浙江郵電職業(yè)技術學院三、 三極管的特性曲線及主要參數1 1三極管的特性曲線(1)(1)輸入特性曲線1當UCE1V時輸入特性基 本重合2輸入特性形狀與二極管伏 安特性相似3發(fā)射極電壓UBE死區(qū)電壓 時，進入放大狀態(tài)。UBEUBE 略 肴變化，IB變花很大。浙江郵電職業(yè)技術學院-刁(2)(2)輸出特性曲線/ = /%)爲數lB=60pA 為例：UCE=OV時，集電極無收集作用,Ic=O；UCE|* Ic t當

18、UCE1V后，收集電子能力足 夠強。發(fā)射到基區(qū)的電子都被 集電極收集，形成 IC。UCE 再增加，IC 基本保持不變。=MUBE)Ucg數UalVgN圖 1 33 三極管的輸入特性曲線職業(yè)技術融圖 1.34 三極管的輸出特性曲線浙江郵電職業(yè)技術學院1截止區(qū)(a)發(fā)射結和集電結均反向偏置； ()不計穿透電流ICEO9有麗、Ic&似為 6(c)集電極和發(fā)射極之間電阻很大， 三極管相當于一個開關斷開。2放大區(qū) (a)發(fā)射結正偏，集電結反偏；*()(c) NPN 型硅管，Us 0.7K 錯管,0.2 K3飽和區(qū)(a)發(fā)射結和集電結均正向偏置； ()三極管的電流放大能力下降， 通常有IcpiB；(c)此時UCE值很小，稱三極管的飽 和壓降，用 UCES 表示。一般硅三極管 的UCES約為0.3 K 錯三極管的UCES約 為0.1k；(6 集電極和發(fā)射極近似短接，三 極管類似于一個開關導通。三極管作為開關使用時，通常工 作在截止和飽和導通狀態(tài)；作為 放大元件使用時，一般要工作在 放大狀態(tài)。(2)(2)浙江郵電職業(yè)技術學院(2)(2)常數gNffil.34 三極管的輸