常用半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識(shí)講解

1、常用半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識(shí)講解1.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.1.1 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如： 當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能 力明顯變化。 往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使 它的導(dǎo)電能力明顯改變。 本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體?，F(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的

2、半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除價(jià)電子外的正離子共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對(duì)0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，

3、使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。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。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生

4、的電流。 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P 型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。N 型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。一、N 型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施

5、主原子。+4+4+5+4多余電子磷原子1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。二、P 型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子

6、。三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P 型半導(dǎo)體+N 型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。1.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管2.1.1 PN 結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E+空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位UUh01、空間電荷區(qū)

7、中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P中的空穴、N區(qū) 中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。3、P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:2.1.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN 結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P 區(qū)加正、N 區(qū)加負(fù)電壓。 PN 結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區(qū)加負(fù)、N 區(qū)加正電壓。+RE一、PN 結(jié)正向偏置內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+_內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。二、PN 結(jié)反向偏置+內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚NP+_內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電

8、流。RE 1. 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。 2. 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與 。 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。 3. 當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量 。 （a. 減少、b. 不變、c. 增多）abc 4. 在外加電壓的作用下，P 型半導(dǎo)體中的電流主要是 ，N 型半導(dǎo)體中的電流主要是 。 （a. 電子電流、b.空穴電流） ba思考題：三、PN結(jié)的電容效應(yīng) PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。 一是勢(shì)壘電容CB 二是擴(kuò)散電容CD (1) 勢(shì)壘電容CB 勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之

9、改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢(shì)壘電容的示意圖如下。圖 01.09 勢(shì)壘電容示意圖 擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因 PN 結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到 P 區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。(2) 擴(kuò)散電容CD 反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容的示意圖如下圖所示。 當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不相同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。勢(shì)壘

10、電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。P+-N 半導(dǎo)體二極管一、基本結(jié)構(gòu)PN 結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。PN 二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型二大類。(1) 點(diǎn)接觸型二極管(2) 面接觸型二極管 PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。 PN結(jié)面積大，用于大電流整流電路。二、伏安特性 式中IS 為反向飽和電流，VD 為二極管兩端的電壓降，VT =kT/q 稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q 為電子電荷量，T 為熱力學(xué)溫度。對(duì)于室溫（相當(dāng)T=300 K），則有VT=26 mV。 第一象限的是正向伏安特性曲線，第三象限的是反向伏安特性曲線。(1) 正向特性 硅二極管的死區(qū)電壓

11、Vth左右， 鍺二極管的死區(qū)電壓Vth左右。 當(dāng)0VVth時(shí)，正向電流為零，Vth稱死區(qū)電壓或開啟電壓。正向區(qū)分為兩段： 當(dāng)V Vth時(shí)，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域： 當(dāng)VBRV0時(shí)，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向電流也稱反向飽和電流IS 。 當(dāng)VVBR時(shí)，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓 。(2) 反向特性三、主要參數(shù)1. 最大整流電流 IF二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。2. 反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓

12、UR一般是UBR的一半。3. 反向電流 IR指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個(gè)交流參數(shù)。4. 微變電阻 rDiDuDIDUDQiDuDrD 是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q 附近電壓的變化與電流的變化之比：5. 二極管的極間電容二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。勢(shì)壘電容：勢(shì)壘區(qū)是積累空間電荷的

13、區(qū)域，當(dāng)電壓變化時(shí)，就會(huì)引起積累在勢(shì)壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢(shì)壘電容。擴(kuò)散電容：為了形成正向電流（擴(kuò)散電流），注入P 區(qū)的電子在P 區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P 區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容CD。P+-NCB在正向和反向偏置時(shí)均不能忽略。而反向偏置時(shí)，由于載流子數(shù)目很少，擴(kuò)散電容可忽略。PN結(jié)高頻小信號(hào)時(shí)的等效電路：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng)rd二極管基本電路分析四、二極管基本電路分析二極管模型正向偏置時(shí)：管壓降為0，電阻也為0。反向偏置時(shí)：電流為0，電阻為。當(dāng)iD1mA時(shí)， vD。1. 理想模

14、型2. 恒壓降模型3. 折線模型（實(shí)際模型）4. 小信號(hào)模型1.3 特殊二極管 穩(wěn)壓二極管UIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+-UZ動(dòng)態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓 UZ（2）電壓溫度系數(shù)U 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動(dòng)態(tài)電阻1.3.2 光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU照度增加1.3.3 發(fā)光二極管有正向電流流過時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。1.4 半導(dǎo)體三極管 基本結(jié)構(gòu)

15、BECNNP基極發(fā)射極集電極PNP集電極基極發(fā)射極BCENPN型PNP型BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)三極管實(shí)現(xiàn)電流放大時(shí)的外部條件發(fā) 射 結(jié) 正 偏 集 電 結(jié) 反 偏VBEVCE要求 VCE VBE RBVC偏置電阻假設(shè)三極管為NPN型管改用一組電池來實(shí)現(xiàn)1.4.2 電流放大原理1.4.2 電流放大原理BECNNPEBRBECIE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。IBN進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBN ，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。

16、BECNNPEBRBECIE集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBOIC=ICN+ICBOICNIBNICN從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICN。IB=IBN+IEP-ICBO=IB -ICBOIBBECNNPEBRBECIEICBOICNIC=ICN+ICBO ICNIBNICN與IB之比稱為電流放大倍數(shù)要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管 特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB 實(shí)驗(yàn)線路一、輸入特性UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40

17、.8工作壓降： 硅管UBE0.60.7V,鍺管UBE。UCE=0VUCE =0.5V 死區(qū)電壓，硅管，鍺管。二、輸出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC=IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時(shí)，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IBIC，UCE稱為飽和區(qū)。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)

18、。例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 當(dāng)USB = -2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？當(dāng)USB =-2V時(shí)：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0 ， IC=0IC最大飽和電流：Q位于截止區(qū) 例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 當(dāng)USB = -2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大區(qū)。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB =2V時(shí)：三、主要參數(shù)前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點(diǎn)，稱為共射接法，相應(yīng)地還有共基、

19、共集接法。共射直流電流放大倍數(shù)：工作于動(dòng)態(tài)的三極管，真正的信號(hào)是疊加在直流上的交流信號(hào)?；鶚O電流的變化量為IB，相應(yīng)的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數(shù)為：1. 電流放大倍數(shù) 和 2.集-基極反向截止電流ICBOAICBOICBO是集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。BECNNPICBOICEO= (1+ ) ICBO IBE IBE3. 集-射極反向截止電流ICEOICEO受溫度影響很大，當(dāng)溫度上升時(shí)，ICEO增加很快，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。4.集電極最大電流ICM集電極電流IC上升會(huì)導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流

20、即為ICM。5.集-射極反向擊穿電壓當(dāng)集-射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時(shí)，三極管就會(huì)被擊穿。手冊(cè)上給出的數(shù)值是25C、基極開路時(shí)的擊穿電壓U(BR)CEO。6. 集電極最大允許功耗PCM 集電極電流IC 流過三極管， 所發(fā)出的焦耳 熱為：PC =ICUCE 必定導(dǎo)致結(jié)溫 上升，所以PC 有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)1.5 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS場(chǎng)效應(yīng)管有兩種:N基底 ：N型半導(dǎo)體PP兩邊是P區(qū)G(柵極)S源極D漏極一、結(jié)構(gòu)1.5.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管:導(dǎo)電溝道NPPG(柵極)S源極D漏極N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管DGSDGSPNNG(柵極)S源極D漏極P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管DGSDGS二、工作原理（以P溝道為例）UDS=0V時(shí)PGSDUDSUGSNNNNIDPN結(jié)反偏，UGS越大則耗盡區(qū)越寬