第1章常用半導(dǎo)體器件14-15-2

1、第一章常用半導(dǎo)體器件本章重點：本章難點：晶體三極管的導(dǎo)電機理FPN結(jié)的組成原理與特性F半導(dǎo)體二極管的特性與應(yīng)用F雙極性晶體管的工作原理與特性曲線F場效應(yīng)管的類型與工作原理1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.2 半導(dǎo)體二極管1.3雙極型晶體管1.4 場效應(yīng)管本本章章內(nèi)內(nèi)容容常用半導(dǎo)體材料均為四價元素。1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識導(dǎo)導(dǎo)體體半半導(dǎo)導(dǎo)體體絕絕緣緣體體低價元素高價元素如Cu為+2價、Al 為+3價如惰性氣體導(dǎo)電能力強不導(dǎo)電導(dǎo)電能力弱323/10cm個個原原子子密密度度：322/105cm個個銅銅的的載載流流子子密密度度： 310/105.1cm個個硅硅的的載載流流子子密密度度： 313/1

2、05.2cm個個鍺鍺的的載載流流子子密密度度： 似似等等于于零零絕絕緣緣體體載載流流子子密密度度：近近一種物質(zhì)的導(dǎo)電性能取決于它的一種物質(zhì)的導(dǎo)電性能取決于它的載流子載流子密度密度（濃度）。（濃度）。1.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。1.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體一、結(jié)構(gòu)特點一、結(jié)構(gòu)特點GeSi完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。1.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體一、結(jié)構(gòu)特點一、結(jié)構(gòu)特點完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。完全純

3、凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。硅和鍺的晶硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：體結(jié)構(gòu)： 共價鍵1.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體一、結(jié)構(gòu)特點一、結(jié)構(gòu)特點完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價電子去價電子后的原子后的原子二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理1、本征激發(fā)、本征激發(fā)半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對的現(xiàn)象半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對的現(xiàn)象條件：加熱、光照及射線照射條件：加熱、光照及射線照射+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子載流子載流子二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理二、本

4、征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理2、復(fù)合、復(fù)合自由電子運動填補空穴兩者同時消失的現(xiàn)象自由電子運動填補空穴兩者同時消失的現(xiàn)象+4+4+4+4電子的運動相當(dāng)電子的運動相當(dāng)于空穴的反向遷于空穴的反向遷移移P1=P2二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理3、總結(jié)、總結(jié)本征激發(fā)復(fù)合動態(tài)平衡注意注意：半導(dǎo)體有半導(dǎo)體有自由電子自由電子和和空穴空穴兩種兩種載流子導(dǎo)電載流子導(dǎo)電三、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度三、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度載流子濃度受環(huán)境溫度影響載流子濃度受環(huán)境溫度影響，計算公式為：，計算公式為：)(3)2/(2/31cmeTKpnkTEiiGO自由電子自由電子的濃度的濃度空穴的濃空穴的濃度度N型半導(dǎo)體中

5、，自由電子為多子，空穴為少子。1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中人為摻入某種在本征半導(dǎo)體中人為摻入某種“雜質(zhì)雜質(zhì)”元素形成的半導(dǎo)元素形成的半導(dǎo)體體一、一、 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體雜質(zhì)元素V族元素P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子。1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中人為摻入某種在本征半導(dǎo)體中人為摻入某種“雜質(zhì)雜質(zhì)”元素形成的半導(dǎo)元素形成的半導(dǎo)體體二、二、 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體雜質(zhì)元素族元素1.1.3 PN PN結(jié)結(jié)一、一、 半導(dǎo)體內(nèi)載流子的運動半導(dǎo)體內(nèi)載流子的運動1、 漂移運動（Drift Movement） 條件：有電場力作用表現(xiàn)：電子和空穴定向運動結(jié)論：產(chǎn)生漂移電流。

6、2、擴散擴散運動運動條件：濃度差表現(xiàn)：電子和空穴定向運動結(jié)論：產(chǎn)生擴散電流。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界處形成的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)也稱作空間電荷區(qū)也稱作“耗盡區(qū)耗盡區(qū)” “勢壘勢壘區(qū)區(qū)” 二、二、 PN結(jié)的形成結(jié)的形成濃度差引起載流子擴散擴散形成自建電場在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界處形成的空間電荷區(qū)二、二、 PN結(jié)的形成結(jié)的形成自建電場阻止擴散，加強漂移。自建電場阻止擴散，加強漂移。擴散擴散=漂移漂移動態(tài)平衡動態(tài)平衡PN結(jié)形成結(jié)形成擴散擴散漂移漂移1、PN結(jié)正向偏置三、三、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦訮區(qū)接高電位，N區(qū)接低電位 正偏正偏內(nèi)電場被削弱，多子內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強

7、能夠形成的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。較大的擴散電流。結(jié)論：正向?qū)ńY(jié)論：正向?qū)ㄒ噪娮拥倪\動進行說明2、PN結(jié)反向偏置三、三、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦訮區(qū)接低電位，N區(qū)接高電位 反偏反偏結(jié)論：反向截止結(jié)論：反向截止內(nèi)電場被被加強，多內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。較小的反向電流。四、四、PNPN結(jié)的電流方程結(jié)的電流方程) 1(kTquseIiTUqkT) 1(TUuseIiKT300mVUT26玻耳茲曼常數(shù)玻耳茲曼常數(shù)k =1.3810-23J/K電子電荷量電子電荷量q

8、 =1.610-19C外加電壓外加電壓取時反向飽和電流反向飽和電流PN結(jié)的伏安特性曲線對應(yīng)表:五、五、PNPN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性正向特性反向特性 注意注意：擊穿需要避免但并不意擊穿需要避免但并不意 味著味著PN結(jié)燒壞。結(jié)燒壞。特殊情況特殊情況PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿反向電壓超過某一數(shù)值時，反向電壓超過某一數(shù)值時，反向電流急劇增加反向電流急劇增加齊納擊穿齊納擊穿雪崩擊穿雪崩擊穿高摻雜情況低摻雜情況五、五、PNPN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性勢壘電容勢壘電容Cb勢壘電容：勢壘電容：耗盡層寬窄變化所等效的電容。具有非線性，與耗盡層寬窄變化所等效的電容。具有非線性，與結(jié)面積、耗盡層寬度、半導(dǎo)體的

9、介電常數(shù)及外加電壓有關(guān)。結(jié)面積、耗盡層寬度、半導(dǎo)體的介電常數(shù)及外加電壓有關(guān)。擴散電容：擴散電容：載流子濃度差所等效載流子濃度差所等效的電容。為了形成正向電流，注的電容。為了形成正向電流，注入入P 區(qū)的少子在區(qū)的少子在P 區(qū)有濃度差，區(qū)有濃度差，越靠近越靠近PN結(jié)濃度越大，即在結(jié)濃度越大，即在P 區(qū)區(qū)有電子的積累。同理，在有電子的積累。同理，在N區(qū)有空區(qū)有空穴的積累。穴的積累。P+-N六、六、PNPN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)擴散電容擴散電容Cd請問：請問：以下知識點你掌握了嗎？1.本征半導(dǎo)體的載流子有幾種？分別為？2.摻雜半導(dǎo)體的種類？3.載流子在外力作用下有幾種運動？4.PN結(jié)是如何形成的？5

10、.PN結(jié)有什么重要特性？返回本章首頁PN 結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線引線外殼線外殼線觸絲線觸絲線基片基片點接觸型點接觸型PN結(jié)結(jié)面接觸型面接觸型1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管1.2.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)PN二極管的電二極管的電路符號：路符號：UI死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.5V,鍺管鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降: : 硅硅管管0.60.7V,鍺鍺管管0.20.3V。反向擊穿反向擊穿電壓電壓UBR1.2.2 伏安特性伏安特性1、正向特性、正向特性n死區(qū)電壓：硅管死區(qū)電壓：硅管 0.5V 鍺管鍺管 0.1Vn線性區(qū)：硅管線性區(qū)：硅管 0.

11、6V1V 鍺管鍺管 0.2V0.5V n對溫度變化敏感：對溫度變化敏感：n溫度升高溫度升高正向特性曲線左移正向特性曲線左移n溫度每升高溫度每升高1正向壓降正向壓降 減小約減小約2mV。UI導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降: : 硅硅管管0.60.7V,鍺鍺管管0.20.3V。2、 反向特性反向特性n反向電流：很小。反向電流：很小。 硅管硅管 0.1微安微安 鍺管鍺管 幾十個微安幾十個微安n受溫度影響大：受溫度影響大： 溫度每升高溫度每升高10 反向電流增加約反向電流增加約1倍。倍。3、 反向擊穿特性反向擊穿特性n反向擊穿反向擊穿UBR:幾十伏以上。幾十伏以上。UI反向擊穿反向擊穿電壓電壓UBR1. 最大整流電

12、流最大整流電流 IF2. 反向擊穿電壓反向擊穿電壓UBR1.2.3 主要參數(shù)主要參數(shù)3. 反向電流反向電流 IR4.最高工作頻率最高工作頻率5.微變電阻微變電阻5. 微變電阻微變電阻 rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二極管特性曲線上工是二極管特性曲線上工作點作點Q 附近電壓的變化與附近電壓的變化與電流的變化之比：電流的變化之比：DDDiur顯然，顯然，rD是對是對Q附近的微小附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。變化區(qū)域內(nèi)的電阻。RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例二極管的應(yīng)用舉例1：二極管半波整流二極管半波整流1.2.4 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 ui 2 34two uo（io） 2 34tw

13、o iD 2 34two iD1 iD3 iD2 iD4 uo+_u+_RLD4D2 D1D3ioAB二極管的應(yīng)用舉例二極管的應(yīng)用舉例2：二極管全波整流二極管全波整流二極管的應(yīng)用舉例二極管的應(yīng)用舉例3：限幅電路：如下圖，設(shè)vi(t)=3sint +-1.2.5 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管專門工作于反向擊穿狀態(tài)的二極管專門工作于反向擊穿狀態(tài)的二極管穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管UIIZIZmax UZ IZ穩(wěn)壓穩(wěn)壓誤差誤差曲線越陡，曲線越陡，電壓越穩(wěn)電壓越穩(wěn)定。定。UZUIIZIZmax UZ IZ穩(wěn)壓穩(wěn)壓誤差誤差曲線越陡，曲線越陡，電壓越穩(wěn)電壓越穩(wěn)定。定。+-UZ動態(tài)電阻：動態(tài)電阻：ZZIUZrrz越小，穩(wěn)壓越小，穩(wěn)

14、壓性能越好。性能越好。1.2.5 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管（4）穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ、最大、最大、最小穩(wěn)定電流最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗）最大允許功耗1、穩(wěn)壓二極管的參數(shù)、穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ（2）電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) U（%/）(3) 動態(tài)電阻：動態(tài)電阻：ZZIUZrrz越小，穩(wěn)壓越小，穩(wěn)壓性能越好。性能越好。2、穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例、穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例uoiZDZRiLiuiRL5mA 20mA, V,10minmaxzzzWIIU已知已知: :k10LR負(fù)載電阻負(fù)載電阻 。要求要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā) 20%波動

15、時，負(fù)載電壓基本不變。波動時，負(fù)載電壓基本不變。求：求：電阻電阻R和輸入電壓和輸入電壓 ui 的正常值。的正常值。解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax 。mA25maxLZWzRUIi10252 . 1RUiRuzWi方程方程1uoiZDZRiLiuiRL令輸入電壓降到下限令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電時，流過穩(wěn)壓管的電流為流為Izmin 。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi方程方程2uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程聯(lián)立方程1、2，可解得：，可解得：k50V7518.R,.ui1 1、 光電二極管

16、光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加照度增加1.2.6 其他類型的二極管其他類型的二極管2 2、 發(fā)光二極管發(fā)光二極管有正向電流流過有正向電流流過時，發(fā)出一定波長時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的紅外到可見波段的光，它的電特性與光，它的電特性與一般二極管類似。一般二極管類似。請問：請問：以下知識點你掌握了嗎？1. 二極管的死區(qū)電壓是多少？導(dǎo)通電壓呢？2.理想二極管可以如何等效？3.二極管應(yīng)用在那些方面？4.穩(wěn)壓二極管利用了PN結(jié)的什么特性？5.穩(wěn)壓二極管使用時應(yīng)注意哪些問題？6.發(fā)光

17、二極管有什么特性？光電二極管呢？返回本章首頁集電結(jié)發(fā)射結(jié)NPN型型CP PN NN NE EB B發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)基極發(fā)射極集電極BETCNPN1.3 雙極型晶體管雙極型晶體管1.3.1 結(jié)構(gòu)及類型結(jié)構(gòu)及類型PNP型型N NP PP PE EB B基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電區(qū)發(fā)射區(qū)集電極C發(fā)射極基極BETCPNPn三極管在結(jié)構(gòu)上的特點：n (1)摻雜濃度：摻雜濃度：發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)；基區(qū)；n (2)基區(qū)必須很基區(qū)必須很薄。薄。n (3)集電結(jié)面積集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)面積公共端公共端發(fā)射結(jié)正向偏置發(fā)射結(jié)正向偏置集電結(jié)反向偏置集電結(jié)反向偏置共發(fā)射極放大電路共發(fā)射極放大電路IEI

18、BRBUBBICUCC輸輸入入電電路路輸輸出出電電路路RCBCE1.3.2 晶體管的電流放大作用晶體管的電流放大作用IBICIEVBBRBVCCRCNPN電 子空 穴電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子電 子空 穴電 子電 子電 子發(fā)射區(qū)向發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散基區(qū)擴散電子電子電源負(fù)極向發(fā)電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補充電子射區(qū)補充電子形成發(fā)射極電形成發(fā)射極電流流I IE E電子在基區(qū)的電子在基區(qū)的擴散與復(fù)合擴散與復(fù)合集電區(qū)收集電子集電區(qū)收集電子電子流向電源

19、電子流向電源正極形成正極形成I IC CEB正極拉走電子，正極拉走電子，補充被復(fù)合的空補充被復(fù)合的空穴，形成穴，形成IB1由于基區(qū)很薄且摻雜濃度小由于基區(qū)很薄且摻雜濃度小, ,電子在基區(qū)擴散的數(shù)電子在基區(qū)擴散的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于復(fù)合的數(shù)量。即：量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于復(fù)合的數(shù)量。即：ICIB 或或 ICIB2當(dāng)基極電路由于外加電壓或電阻改變而引起當(dāng)基極電路由于外加電壓或電阻改變而引起IB的微的微小變化時，必定使小變化時，必定使IC發(fā)生較大的變化。即三極管的發(fā)生較大的變化。即三極管的基極電流對集電極電流具有控制作用?；鶚O電流對集電極電流具有控制作用。復(fù)合與擴散到集電區(qū)的電子數(shù)目滿足統(tǒng)計學(xué)規(guī)律復(fù)合與擴散到集電區(qū)的電子

20、數(shù)目滿足統(tǒng)計學(xué)規(guī)律BCIIBBCEIIII)1 (BCii直流放大倍數(shù)交流放大倍數(shù)兩者之間的關(guān)系IB = f (UBE )UC E = 常數(shù)常數(shù)UCE1VUBE/VIB/AO材料不同，死區(qū)電壓不同1.3.3 晶體管的共射特性曲線晶體管的共射特性曲線IEIBRBUBBICUCC輸輸入入電電路路輸輸出出電電路路RCBCEOIC = g (UCE ) | IB = 常數(shù)常數(shù)IB 減小減小IB增加增加UCEICIB = 20AIB =60AIB =40AIEIBRBUBBICUCC輸輸入入電電路路輸輸出出電電路路RCBCEOUCEICIB = 20AIB =60AIB =40A截止區(qū)onBEUuBEC

21、Euu0Ci放大區(qū)onBEUuBECEuuBCii飽和區(qū)BECEuuonBEUu 3.3.主要參數(shù)主要參數(shù)集電極基極間反向飽和電流集電極基極間反向飽和電流 ICBO集電極發(fā)射極間穿透電流集電極發(fā)射極間穿透電流 ICEOICEO=(1+)ICBO交流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)=IC / IB直流電流放大系數(shù)直流電流放大系數(shù)=IC / IBAICBOCEBICEOCBEA集電極最大允許電流集電極最大允許電流 ICM集集- -射反向擊穿電壓射反向擊穿電壓 U(BR)CEO集電極最大允許耗散功率集電極最大允許耗散功率 PCMPCM=ICUCEUCE/VU(BR)CEOIC/mAICMO溫度每升高10

22、oC，ICBO增加約一倍4.4.溫度對晶體管特性及參數(shù)的影響溫度對晶體管特性及參數(shù)的影響21TICBO增大T輸入特性曲線左移3T輸出特性曲線上移且增大 請問：請問：以下知識點你掌握了嗎？1. 晶體三極管有幾個區(qū)？幾個極？幾種類型？2.三極管的內(nèi)部特性？放大的外部特性？3.如何判斷三極管工作在哪個區(qū)？4.晶體三極管的重要參數(shù)有幾個？分別為？返回本章首頁1.4 場效應(yīng)管場效應(yīng)管場效應(yīng)管的特點電壓控制元件體積小、重量輕、耗電少、壽命長輸入電阻高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、制造工藝簡單、便于集成213場效應(yīng)管的分類結(jié)型絕緣柵型N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道 N溝道P溝道1.4.1 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管柵極源極漏極1. 1. 結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)特特點點 P溝道結(jié)型場效應(yīng)管2. 2. 工作原理工作原理 UGS 0使溝使溝道變窄道變窄UDS 0使漏使漏極電流增強極電流增強兩者平衡使電流穩(wěn)定 3. 3. 特性曲線特性曲線 (1)輸出特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線用來描述UGS取一定值時，電流iD和電壓UDS間的關(guān)系，即它反映了漏-源電壓UDS對iD的影響。（2）轉(zhuǎn)移特性曲線）轉(zhuǎn)移特性曲線DVGSDvfi)(它反映了柵-源電壓UGS對iD的控制作用。 (3). 低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo)gmMOS管一、一、 N N溝道增強型溝道增強型MOSMOS管的結(jié)構(gòu)管的