補(bǔ)充半導(dǎo)體器件知識

1、數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)（3 3）主主 講：吳玉新講：吳玉新手手 機(jī)機(jī):時(shí) 間：間：2014-10-162014-10-16第1-2章 作業(yè)講評2Multisim軟件的安裝與使用1 1、安裝、安裝2 2、畫電路圖、畫電路圖3 3、邏輯形式轉(zhuǎn)換、邏輯形式轉(zhuǎn)換4 4、MultisimMultisim快速入門指南快速入門指南3補(bǔ)充知識：半導(dǎo)體器件一、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識一、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識二、半導(dǎo)體二極管二、半導(dǎo)體二極管三、雙極性三極管（三、雙極性三極管（BJTBJT）四、場效應(yīng)管四、場效應(yīng)管(MOS)(MOS)一、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1 1、本征半導(dǎo)體、本征半

2、導(dǎo)體2 2、雜質(zhì)半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體3 3、PNPN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦越Y(jié)的形成及單向?qū)щ娦? 4、PNPN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)1、本征半導(dǎo)體1.1 1.1 何為半導(dǎo)體？何為半導(dǎo)體？導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)就是半導(dǎo)體。導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)就是半導(dǎo)體。導(dǎo)體導(dǎo)體鐵、鋁、銅等金屬，鐵、鋁、銅等金屬，低價(jià)元素。低價(jià)元素。絕緣體絕緣體惰性氣體、橡膠、塑料等惰性氣體、橡膠、塑料等, ,高價(jià)元素。高價(jià)元素。半導(dǎo)體半導(dǎo)體硅（硅（SiSi）、鍺（）、鍺（GeGe），均為），均為四價(jià)元素。四價(jià)元素。 導(dǎo)電性是由原子結(jié)構(gòu)決定的。導(dǎo)電性是由原子結(jié)構(gòu)決定的。1.2 1.2 何為本征半導(dǎo)體？何為

3、本征半導(dǎo)體？本征半導(dǎo)體是本征半導(dǎo)體是純凈純凈的具有的具有晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。的半導(dǎo)體。導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能無雜質(zhì)無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)1.3 本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱為復(fù)合。自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱為復(fù)合。一定溫度下，自由電子與空穴對的一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由溫度升高，熱運(yùn)動加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。電子與空穴對的濃度加大。自由電子自由電子空穴空穴共價(jià)鍵共價(jià)鍵 由于熱運(yùn)動，具有足由于熱運(yùn)動，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電

4、子鍵的束縛而成為自由電子 自由電子的產(chǎn)生使共自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱為空穴稱為空穴動態(tài)平衡動態(tài)平衡1.4 本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。外加電場時(shí)，帶負(fù)電的自由電外加電場時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動方向相反。由于載流子且運(yùn)動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。溫度升高，熱運(yùn)動加劇，載流溫度升高，熱運(yùn)動加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。熱力學(xué)溫度為熱力學(xué)溫度為0K0K時(shí)不導(dǎo)電。時(shí)不導(dǎo)電。為什么要將半導(dǎo)體變

5、成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？自由電子自由電子空穴空穴兩種載流子兩種載流子2、雜質(zhì)半導(dǎo)體2.1 2.1 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多了？少了？為什么？了？少了？為什么？雜質(zhì)半導(dǎo)體主要依靠多數(shù)載雜質(zhì)半導(dǎo)體主要依靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。+5自由電子自由電子施主原子施主原子多數(shù)載流子多數(shù)載流子磷（磷（P）2.2 P型半導(dǎo)體P P型半導(dǎo)體主要依靠空穴導(dǎo)型半導(dǎo)體主要依靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃電，摻入雜質(zhì)越

6、多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時(shí)，載流子的數(shù)目變化嗎？時(shí)，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？相同嗎？+3受主受主原子原子空穴空穴多數(shù)載流子多數(shù)載流子硼（硼（B）3、PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?.1 3.1 擴(kuò)散運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動稱擴(kuò)散運(yùn)動，氣、液、固均有。物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動稱擴(kuò)散運(yùn)動，氣、液、固均有。N區(qū)自由電區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高子濃度遠(yuǎn)高于于P區(qū)區(qū)P區(qū)空穴區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高濃度遠(yuǎn)高于于N區(qū)區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動 擴(kuò)散運(yùn)動使靠

7、近接觸面擴(kuò)散運(yùn)動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低，靠近接區(qū)的空穴濃度降低，靠近接觸面觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。3.2 PN結(jié)的形成 由于擴(kuò)散運(yùn)動使由于擴(kuò)散運(yùn)動使P P區(qū)與區(qū)與NN區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，P P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，NN區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，構(gòu)成不能移動的空區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，構(gòu)成不能移動的空間電荷區(qū)，形成內(nèi)電場，內(nèi)電場使空穴從間電荷區(qū)，形成內(nèi)電場，內(nèi)電場使空穴從NN區(qū)向區(qū)向P P區(qū)，自由區(qū)，自由電子由電子由P P區(qū)向區(qū)向NN區(qū)運(yùn)動，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行。區(qū)運(yùn)動，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行。漂移運(yùn)動漂移運(yùn)動因

8、電場作用所產(chǎn)因電場作用所產(chǎn)生的運(yùn)動稱為漂生的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。移運(yùn)動。 參與擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動參與擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動態(tài)平衡，就形成了態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。結(jié)。3.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：結(jié)加正向電壓導(dǎo)通： 耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動加劇，由于外電源的作用，加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。通狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓截止：結(jié)加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動，有利于漂移運(yùn)動，形運(yùn)動，有利于漂移運(yùn)動，形成漂移電流。由于電流很小，成漂移電流。由于

9、電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。故可近似認(rèn)為其截止。必要嗎？必要嗎？4、PN結(jié)的電容效應(yīng)4.1 4.1 勢壘電容勢壘電容 PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。4.2 4.2 擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容 PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。PN結(jié)電容：結(jié)電容：Cj=Cb+Cd 結(jié)電容不是常量！若結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！度，則失去單向?qū)щ娦?！思考問題1 1、為什么將自然

10、界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征、為什么將自然界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能極差，又將其摻雜，改善導(dǎo)電性能？半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能極差，又將其摻雜，改善導(dǎo)電性能？2 2、為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還是少子、為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？二 、半導(dǎo)體二極管1 1、 二極管的組成二極管的組成2 2、二極管的伏安特性及電流方程、二極管的伏安特性及電流方程3 3、二極管的等效電路、二極管的等效電路4 4、二極管的主要參數(shù)、二極管的主要參數(shù)1、二極管的組成 將將PNPN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管

11、。結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。小功率小功率二極管二極管大功率大功率二極管二極管穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管二極管發(fā)光發(fā)光二極管二極管1、二極管的組成（a）點(diǎn)接觸型）點(diǎn)接觸型 結(jié)面積小，結(jié)結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允電容小，故結(jié)允許的電流小，最許的電流小，最高工作頻率高。高工作頻率高。（b）面接觸型）面接觸型 結(jié)面積大，結(jié)結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允電容大，故結(jié)允許的電流大，最許的電流大，最高工作頻率低。高工作頻率低。（c）平面型）平面型 結(jié)面積可小結(jié)面積可小可大，小的工作可大，小的工作頻率高，大的結(jié)頻率高，大的結(jié)允許的電流大。允許的電流大。2、二極管的伏安特性及電流方程二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為

12、伏安特性。二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。材料材料開啟電壓開啟電壓導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅Si0.5V0.5-0.8V1 A以下鍺Ge0.1V0.1-0.3V幾十 A擊穿擊穿電壓電壓反向飽反向飽和電流和電流開啟開啟電壓電壓i=f(u)mV26U)(1(T常溫下TUuseIi溫度的電壓當(dāng)量溫度的電壓當(dāng)量2、二極管的伏安特性及電流方程從二極管的伏安特性可以反映出：從二極管的伏安特性可以反映出：2.1 2.1 單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦訲UusTeIiUu，則若正向電壓正向特性為正向特性為指數(shù)曲線指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線反向特性為橫軸的平行線2.2 2.2 伏安特性受溫度

13、影響伏安特性受溫度影響溫度T=在電流不變情況下管壓降u =反向飽和電流Is ,UBR 溫度T=正向特性左移，反向特性下移sTIiUu，則若反向電壓) 1(TUuseIi3、二極管的等效電路將伏安特性折線化將伏安特性折線化理想理想二極管二極管導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)i與與u成線性關(guān)系成線性關(guān)系理想開關(guān)理想開關(guān)導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)UD=0，截止時(shí)截止時(shí)Is=0近似分析近似分析中最常用中最常用導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)UD=Uon截止時(shí)截止時(shí)Is=0應(yīng)該根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路應(yīng)該根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路!4、二極管的主要參數(shù)1 1、最大整流電流、最大整流電流I IF F：最大平均值：最大平均值2 2、最大反向工作電壓、最大反向工