電子技術(shù)1半導(dǎo)體器件

1、 半導(dǎo)體器件是用半導(dǎo)體材料制成的電子器件。常用的半導(dǎo)體器件有二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。半導(dǎo)體器件是構(gòu)成各種電子電路最基本的元件。1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特征：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅(Si)、鍺(Ge)。硅和鍺是4價(jià)元素，原子的最外層軌道上有4個(gè)價(jià)電子。 室溫下，由于熱運(yùn)動(dòng)少數(shù)價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，這個(gè)空位稱為。失去價(jià)電子的原子成為正離子，就好象空穴帶正電荷一樣。在電子技術(shù)中，將空穴看成帶正電荷的載流子。 每個(gè)原子周圍有四個(gè)相鄰的原子，原子之間通過緊密結(jié)合在一起。兩個(gè)相鄰原子共用一對(duì)電子。（與自由電子的運(yùn)動(dòng)不同） 有了

2、空穴，鄰近共價(jià)鍵中的價(jià)電子很容易過來填補(bǔ)這個(gè)空穴，這樣空穴便轉(zhuǎn)移到鄰近共價(jià)鍵中。新的空穴又會(huì)被鄰近的價(jià)電子填補(bǔ)。帶負(fù)電荷的價(jià)電子依次填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)，從效果上看，相當(dāng)于帶正電荷的空穴作相反方向的運(yùn)動(dòng)。 本征半導(dǎo)體中有兩種載流子：帶負(fù)電荷的自由電子和帶正電荷的空穴 熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，電子和空穴又可能重新結(jié)合而成對(duì)消失，稱為。在一定溫度下自由電子和空穴維持一定的濃度。 在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入磷、砷等5價(jià)元素，由于這類元素的原子最外層有5個(gè)價(jià)電子，故在構(gòu)成的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中，由于存在多余的價(jià)電子而產(chǎn)生大量自由電子，這種半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體，其中自由電

3、子為多數(shù)載流子，熱激發(fā)形成的空穴為少數(shù)載流子。自由電子 多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子）空 穴少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子） 在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價(jià)元素，由于這類元素的原子最外層只有3個(gè)價(jià)電子，故在構(gòu)成的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中，由于缺少價(jià)電子而形成大量空穴，這類摻雜后的半導(dǎo)體其導(dǎo)電作用主要靠空穴運(yùn)動(dòng)，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體，其中空穴為多數(shù)載流子，熱激發(fā)形成的自由電子是少數(shù)載流子。自由電子 多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子）空 穴少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）P 型半導(dǎo)體N 型半導(dǎo)體 無論是P型半導(dǎo)體還是N型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。 摻入的雜質(zhì)元素的濃度越高，多數(shù)載流子的數(shù)量越多。 少數(shù)載流子是熱激發(fā)而產(chǎn)生的，其數(shù)量

4、的多少?zèng)Q定于溫度。u半導(dǎo)體中載流子有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式。 載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)稱為。 在半導(dǎo)體中，如果載流子濃度分布不均勻，因?yàn)闈舛炔?，載流子將會(huì)從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為。u將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成N型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界面處將形成一個(gè)特殊的薄層 1.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦訮 區(qū) 空間電荷區(qū) N 區(qū)PN 結(jié)及其內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)方向P 區(qū) N 區(qū)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 多子擴(kuò)散 形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng) 少子漂移 擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)u外加正向電壓（也叫正向偏置）u外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，內(nèi)電

5、場(chǎng)削弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大大超過漂移運(yùn)動(dòng)，N區(qū)電子不斷擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)空穴不斷擴(kuò)散到N區(qū)，形成較大的正向電流，這時(shí)稱PN結(jié)處于狀態(tài)。空間電荷區(qū)變窄E R內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)PNIE R內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)空間電荷區(qū)變寬PNIu外加反向電壓（也叫反向偏置）u外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，多子擴(kuò)散難以進(jìn)行，少子在電場(chǎng)作用下形成反向電流，因?yàn)槭巧僮悠七\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，反向電流很小，這時(shí)稱PN結(jié)處于狀態(tài)。 一個(gè)PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線并用管殼封裝起來，就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，簡(jiǎn)稱二極管。 半導(dǎo)體二極管按其結(jié)構(gòu)不同可分為點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類。 點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積很小，結(jié)電容很小，多用于高頻檢波及脈沖數(shù)字電路中的開關(guān)

6、元件。 面接觸型二極管PN結(jié)面積大，結(jié)電容也小，多用在低頻整流電路中。陽極 陰極2.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)-60 -40 -200.4 0.8 U /V40302010I /mA0正向特性反向特性 外加正向電壓較小時(shí)，外電場(chǎng)不足以克服內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散的阻力，PN結(jié)仍處于截止?fàn)顟B(tài) 。 正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流 隨著正向電壓增大迅速上升。通常死區(qū)電壓硅管約為0.5V，鍺管約為0.2V。 外加反向電壓時(shí)， PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，反向電流 很小。 反向電壓大于擊穿電壓時(shí)，反向電流急劇增加。2.2 半導(dǎo)體二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管的伏安特性（1）最大整流電流IOM：指管子長(zhǎng)期運(yùn)

7、行時(shí)，允許通過的最大正向平均電流。（2）反向擊穿電壓UB：指管子反向擊穿時(shí)的電壓值。（3）最大反向工作電壓UDRM：二極管運(yùn)行時(shí)允許承受的最大反向電壓（約為UB 的一半）。（4）最大反向電流IRM：指管子未擊穿時(shí)的反向電流，其值越小，則管子的單向?qū)щ娦栽胶?。?）最高工作頻率fM：主要取決于PN結(jié)結(jié)電容的大小。：正向電阻為零，正向?qū)〞r(shí)為短路特性，正向壓降忽略不計(jì)；反向電阻為無窮大，反向截止時(shí)為開路特性，反向漏電流忽略不計(jì)。2.3 半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：（1）穩(wěn)定電壓UZ。反向擊穿后穩(wěn)定工作的電壓。（2）穩(wěn)定電流IZ。工作電壓等于穩(wěn)定電壓時(shí)的電流。（3）

8、動(dòng)態(tài)電阻rZ。穩(wěn)定工作范圍內(nèi)，管子兩端電壓的變化量與相應(yīng)電流的變化量之比。即：rZ=UZ/IZ（4）額定功率PZ和最大穩(wěn)定電流IZM。額定功率PZ是在穩(wěn)壓管允許結(jié)溫下的最大功率損耗。最大穩(wěn)定電流IZM是指穩(wěn)壓管允許通過的最大電流。它們之間的關(guān)系是： PZ=UZIZM 穩(wěn)壓管是一種用特殊工藝制造的半導(dǎo)體二極管，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓就是反向擊穿電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于：電流增量很大，只引起很小的電壓變化。陽極 陰極3.1 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管3.2 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 當(dāng)發(fā)光二極管的PN結(jié)加上正向電壓時(shí)，電子與空穴復(fù)合過程以光的形式放出能量。 不同材料制成的發(fā)光二極管會(huì)發(fā)出不同顏色的光。發(fā)光二極管具有亮度

9、高、清晰度高、電壓低（1.53V）、反應(yīng)快、體積小、可靠性高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，是一種很有用的半導(dǎo)體器件，常用于信號(hào)指示、數(shù)字和字符顯示。陽極 陰極 (a) (b)LEDLEDRE3.3 光電二極管光電二極管 光電二極管的又稱為光敏二極管，其工作原理恰好與發(fā)光二極管相反。當(dāng)光線照射到光電二極管的PN結(jié)時(shí)，能激發(fā)更多的電子，使之產(chǎn)生更多的電子空穴對(duì)，從而提高了少數(shù)載流子的濃度。在PN結(jié)兩端加反向電壓時(shí)反向電流會(huì)增加，所產(chǎn)生反向電流的大小與光的照度成正比，所以光電二極管正常工作時(shí)所加的電壓為反向電壓。為使光線能照射到PN結(jié)上，在光電二極管的管殼上設(shè)有一個(gè)小的通光窗口。陽極 陰極4.1 半導(dǎo)體三極管是由

10、兩個(gè)背靠背的PN結(jié)構(gòu)成的。在工作過程中，兩種載流子（電子和空穴）都參與導(dǎo)電，故又稱為，簡(jiǎn)稱晶體管或三極管。 兩個(gè)PN結(jié)，把半導(dǎo)體分成三個(gè)區(qū)域。這三個(gè)區(qū)域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三極管有兩種類型：和。集電結(jié) B發(fā)射結(jié)NPN集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)CCEEB集電結(jié) B發(fā)射結(jié)PNPCCEEB集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)NPN型PNP型箭頭方向表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時(shí)的電流方向4.2 （1）產(chǎn)生放大作用的條件 內(nèi)部：a）發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度基區(qū)集電區(qū) b）基區(qū)很薄 外部：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏NPNICIEIBRBUBBUCCRC（2）三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程a）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成發(fā)射極電流

11、 iEb）電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合，形成基極電流 iBc）集電區(qū)收集擴(kuò)散過來的電子，形成集電極電流 iC（3）電流分配關(guān)系： iE = iC + iB 實(shí)驗(yàn)表明IC比IB大數(shù)十至數(shù)百倍。IB雖然很小，但對(duì)IC有控制作用，IC隨IB的改變而改變，即基極電流較小的變化可以引起集電極電流較大的變化，表明基極電流對(duì)集電極具有小量控制大量的作用，這就是三極管的電流放大作用。4.3 ICIBRBUBBUCCRCVVAmA +UCE +UBE0.4 0.8 UBE /V40302010IB /mA0UCE1V測(cè)量三極管特性的實(shí)驗(yàn)電路 三極管的輸入特性曲線輸入特性曲線輸入特性曲線與二極管類似4321IB=00

12、3 6 9 12 UCE /V20A40A60A80A100A飽和區(qū)截止區(qū)放 大 區(qū)IC /mA輸出特性曲線輸出特性曲線1）放大區(qū)：發(fā)射極正向偏置，集電結(jié)反向偏置）放大區(qū)：發(fā)射極正向偏置，集電結(jié)反向偏置BECEBEBuuui, 0, 0BCii0, 0CBiiBCii2）截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置）截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置 3）飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置）飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置 此時(shí)此時(shí) 4.4 （1）電流放大系數(shù)）電流放大系數(shù)：iC= iB（2）極間反向電流）極間反向電流iCBO、iCEO：iCEO=（1+ ）iCBO（3）極限參數(shù)）極限

13、參數(shù) 1）集電極最大允許電流）集電極最大允許電流 ICM： 下降到額定值下降到額定值的的2/3時(shí)所允許的最大集電極電流。時(shí)所允許的最大集電極電流。 2）反向擊穿電壓）反向擊穿電壓U（BR）CEO：基極開路時(shí)，集電基極開路時(shí)，集電極、發(fā)射極間的最大允許電壓。極、發(fā)射極間的最大允許電壓。 3）集電極最大允許功耗）集電極最大允許功耗PCM 。 5.1 N 溝道P 型硅襯底N+N+源極 S 柵極 G 漏極 DSiO2絕緣層金屬鋁DSG襯底DSG襯底N 溝道絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)N 溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)N 溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào) P 溝道N 型硅襯底P+P+源極 S 柵極 G 漏極 DSiO2絕緣

14、層金屬鋁DSG襯底DSG襯底P 溝道絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)P 溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)P 溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)：UGS=0時(shí)漏、源極之間已經(jīng)存在原始導(dǎo)電溝道。：UGS0才能在漏、源極之間形成導(dǎo)電溝道。無論是N溝道MOS管還是P溝道MOS管，都只有一種載流子導(dǎo)電，均為單極型電壓控制器件。MOS管的柵極電流幾乎為零，輸入電阻RGS很高。1612 8 403 6 9 12 UDS/V2VUGS=0V放 大 區(qū)ID/mA(b) 漏極特性曲線4 2 0 2 4 UGS/VID/mAUGS(off)1612 8 4IDSS(a) 轉(zhuǎn)移特性曲線可變電阻區(qū)2VUDS=常數(shù) 耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管存在原始導(dǎo)電溝道，

15、UGS=0時(shí)漏、源極之間就可以導(dǎo)電。這時(shí)在外加電壓UDS作用下的漏極電流稱為漏極飽和電流IDSS。UGS0時(shí)溝道內(nèi)感應(yīng)出的負(fù)電荷增多，溝道加寬，溝道電阻減小，ID增大。UGS0時(shí)會(huì)產(chǎn)生垂直于襯底表面的電場(chǎng)。P型襯底與絕緣層的界面將感應(yīng)出負(fù)電荷層，UGS增加，負(fù)電荷數(shù)量增多，積累的負(fù)電荷足夠多時(shí)，兩個(gè)N+區(qū)溝通，形成導(dǎo)電溝道，漏、源極之間有ID出現(xiàn)。在一定的漏、源電壓UDS下，使管子由不導(dǎo)通轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的臨界柵、源電壓稱為開啟電壓UGS(th)。 UGS UGS(th)時(shí)，隨UGS的增加ID增大。 按場(chǎng)效應(yīng)管的工作情況可將漏極特性曲線分為兩個(gè)區(qū)域。 在虛線左邊的區(qū)域內(nèi)，漏、源電壓UDS相對(duì)較小，漏極電流ID隨UDS的增加而增加，輸出電阻ro較小，且可以通過改變柵、源電壓UGS的大小來改變輸出電阻ro的阻值，這一區(qū)域稱為可變電阻區(qū)。 在虛線右邊的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)柵、源電壓UGS為常數(shù)時(shí)，漏極電流ID幾乎不隨漏、源電壓UDS的變化而變化，特性曲線趨于與橫軸平行，輸出電阻ro很大，在柵、源電壓UGS增大時(shí)，漏極電流ID隨U