圖文并茂的半導(dǎo)體器件基本知識和應(yīng)用

1、(1-1) 圖文并茂的半導(dǎo)體器件基本知識和應(yīng)用(1-2)1 半導(dǎo)體的基本知識1.1 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 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。 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。 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。(1-3) 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。比如：當受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。-（熱敏特性、光敏特性）純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使導(dǎo)電能力明顯改變。-(摻雜特性)(1-4)1.2 本征半導(dǎo)體現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，

2、它們的最外層電子（價電子）都是四個。GeSi(1-5)通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征半導(dǎo)體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。(1-6)硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)共價鍵(1-7)硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵-共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。(1-8)共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半

3、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。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4(1-9)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。(1-10)+4+4+4+4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理自由電子空穴束縛電子(1-11)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引臨近的電子來填補，這樣的結(jié)果相當于空穴的遷移，而

4、空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為:空穴是載流子。(1-12)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理本征半導(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，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。(1-13)1.3 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)體的某種載流子的濃度大大增加。自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體），空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）。(1-14)N型半導(dǎo)體

5、在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，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的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。(1-15)+4+4+5+4N型半導(dǎo)體多余電子磷原子在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代。每個磷原子給出一個電子，為施主原子。(1-16)N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？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)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。3

6、、摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。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）。？(1-17)P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。(1-18)+4+4+3+4空穴P型半導(dǎo)體硼原子在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，稱為受主原子。(1-19)總 結(jié)1、N型

7、半導(dǎo)體中電子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，本征半導(dǎo)體中受激產(chǎn)生的電子只占少數(shù)。 N型半導(dǎo)體中空穴是少子，少子的遷移也能形成電流，由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。2、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。(1-20)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(1-21)2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管2.1 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)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。(1-22)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+擴散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運動(1-23)擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電

8、荷區(qū)越寬。漂移運動P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+擴散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。(1-24)漂移運動P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+擴散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。(1-25)+空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0(1-26)1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。3、P中的電子和N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。請注意(1-27)2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?

9、PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思是： P區(qū)加正、N區(qū)加負電壓。 PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思是： P區(qū)加負、N區(qū)加正電壓。(1-28)PN結(jié)正向偏置+內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。(1-29)PN結(jié)反向偏置+內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。(1-30)2.3 半導(dǎo)體二極管(1)、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。引線外殼線觸絲線基片點接觸型(1-31)PN結(jié)面接觸型PN(1-32)(2)、伏安特性UI死區(qū)電壓 硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降

10、: 硅管0.60.7V,鍺管0.20.3V。反向擊穿電壓U(BR)(1-33)(3)、主要參數(shù)（1）最大整流電流 IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。（2）反向擊穿電壓VBR二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓VWRM一般是VBR的一半。(1-34)（3）反向電流 IR指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。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，鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的

11、應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦园ㄕ?、限幅、保護等。下面介紹兩個交流參數(shù)。(1-35)（4）微變電阻 rDiDvDIDVDQiDvDrD是二極管特性曲線工作點Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對Q附近的微小變化量的電阻。(1-36)（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：勢壘電容CB和擴散電容CD。勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。(1-37)為了形成正向電流（擴散電流），注入P區(qū)的少子（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

12、向電流大，積累的電荷多。P+-N這樣所產(chǎn)生的電容就是擴散電容CD。(1-38)CB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，載流子很少，擴散電容可忽略。PN結(jié)高頻小信號時的等效電路：勢壘電容和擴散電容的綜合效應(yīng)rd(1-39)例：二極管的應(yīng)用：RRLuiuRuotttuiuRuo(1-40)3 特殊二極管3.1 穩(wěn)壓二極管UIUZIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+-(1-41)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）動態(tài)電阻(1-42)（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、 Izmian。（5）最大允

13、許功耗(1-43)3.2 光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IV照度增加(1-44)3.3 發(fā)光二極管有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，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。(1-45)4 半導(dǎo)體三極管4.1 基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型(1-46)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)：摻雜濃度較高結(jié)構(gòu)特點：(1-47)BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)(1-48)4.2 電流放大原理BECNNPEBRBEc發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極

14、電流IE。IE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。IBE1進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE ，多數(shù)擴散到集電結(jié)。(1-49)BECNNPEBRBEcIE集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBO從基區(qū)擴散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進入集電結(jié)而被收集，形成ICE。IC=ICE+ICBOICEIBE2ICE(1-50)IB=IBE-ICBOIBEIB3BECNNPEBRBEcIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE(1-51)4ICE與IBE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。(1-52)BECIBIEICNPN型三極管B

15、ECIBIEICPNP型三極管(1-53)4.3 特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB 實驗線路(1-54)（1）輸入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V 死區(qū)電壓，硅管，鍺管。工作壓降： 硅管UBE0.60.7V,鍺管UBE。(1-55)（2）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UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。(1-56)IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCEUBE,集電

16、結(jié)正偏，IBIC，UCE稱為飽和區(qū)。(1-57)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)。(1-58)（3）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，稱為共射接法，相應(yīng)地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數(shù)：1.電流放大倍數(shù) 和 (1-59)工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號?；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：(1-60)例：UCE=6V時：IB=40A, IC； IB=60 A, IC。在以后的計算中，一般作近似處理：=(1-61)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。(1-62)3.集-射極反向截止電流ICEOAICEO(1-63)BECNNPICBOICEO= IBE+ICBO IBEIBEICBO進入N區(qū)，形成IBE。根據(jù)放大關(guān)系，由于IBE的存在，必有電流 IBE。集電結(jié)反偏有ICBO例如：(1-64)4.集電極最大電流ICM集電極電流IC上