電子技術(shù)半導(dǎo)體器件課件

1、第1講第10章 半導(dǎo)體器件10.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識，P型硅，N型硅10.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管10.3 穩(wěn)壓二極管10.4 半導(dǎo)體三極管10.5 場效應(yīng)管10.1.1 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，它們的最外層電子（價電子）都是四個。Si硅原子Ge鍺原子10.1 半導(dǎo)體的基本知識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，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。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

2、束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，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)。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+410.1.2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)體的某種載流子濃度大大增加。載流子：電子，空穴N型半導(dǎo)體（主要載流子為電子，電子半導(dǎo)體）P型半導(dǎo)體（主要載流子為空穴，空穴半導(dǎo)體）N型半導(dǎo)體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

3、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。硅或鍺 +少量磷 N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSiP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(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。硅或鍺 +少量硼 P型半導(dǎo)體空穴P型半導(dǎo)體硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子

4、空穴被認(rèn)為帶一個單位的正電荷，并且可以移動雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體10.2.1 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)。10.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管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)處載流子的運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。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。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(dá)到平

5、衡，相當(dāng)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。10.2.2 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。PN結(jié)正向偏置+內(nèi)電場減弱，使擴散加強，擴散飄移，正向電流大空間電荷區(qū)變薄PN+_正向電流PN結(jié)反向偏置+空間電荷區(qū)變厚NP+_+內(nèi)電場加強，使擴散停止，有少量飄移，反向電流很小反向飽和電流很小，A級10.2.3 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。PNPN符號陽極陰極(2)、伏安特性UI導(dǎo)通壓降: 硅管0.60.7V,鍺管0.20.3

6、V。反向擊穿電壓U(BR)死區(qū)電壓 硅管0.5V,鍺管0.2V。UIE+-反向漏電流（很小，A級）（3）靜態(tài)電阻Rd ，動態(tài)電阻 rDUQIQUS+-R靜態(tài)工作點Q（UQ ，IQ ）（3）靜態(tài)電阻Rd ，動態(tài)電阻 rDiuIQUQQIQUQ靜態(tài)電阻 ：Rd=UQ/IQ （非線性）動態(tài)電阻： rD =UQ/ IQ在工作點Q附近，動態(tài)電阻近似為線性，故動態(tài)電阻又稱為微變等效電阻例1：二極管：死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降 0.7V(硅二極管) 理想二極管：死區(qū)電壓=0 ，正向壓降=0 RLuiuOuiuott二極管半波整流例2：二極管的應(yīng)用RRLuiuRuotttuiuRuo10.3 穩(wěn)壓二極管I

7、Zmax+-穩(wěn)壓二極管符號UIUZIZ穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,當(dāng)工作電流IZ在Izmax和 Izmin之間時,其兩端電壓近似為常數(shù)正向同二極管穩(wěn)定電流穩(wěn)定電壓例：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用RLuiuORDZiiziLUZ穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負(fù)載電阻RL=2k，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200 。若負(fù)載電阻變化范圍為1.5 k 4 k ，是否還能穩(wěn)壓？RLuiuORDZiiziLUZUZW=10V ui=12VR=200 Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k (1.5 k 4 k)

8、iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA）RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA）RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）負(fù)載變化,但iZ仍在12mA和2mA之間,所以穩(wěn)壓管仍能起穩(wěn)壓作用10.4 半導(dǎo)體三極管10.4.1 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BECNPN型三極管BECPNP型三極管三極管符號NPNCBEPNP

9、CBEBECNNP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)：摻雜濃度較高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極+ + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + + + 10.4.2 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)射極電流IE。IE1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IB ，多數(shù)擴散到集電結(jié)。IBBECNNPEBRBEcIE從基區(qū)擴散來的電子漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，

10、形成IC。IC2ICIB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。靜態(tài)電流放大倍數(shù)靜態(tài)電流放大倍數(shù)，動態(tài)電流放大倍數(shù) = IC / IBIC = IB動態(tài)電流放大倍數(shù)IB ： IB + IBIC ： IC + IC = IC / IB一般認(rèn)為： = = ，近似為一常數(shù)，值范圍：20100 IC = IB10.4.3 特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBUSCUSB 實驗線路(共發(fā)射極接法)CBERC IB 與UBE的關(guān)系曲線（同二極管）（1）輸入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V 死區(qū)電壓，硅管0.5V工作壓降： 硅管UBE 0.7V（2）輸出特性

11、(IC與UCE的關(guān)系曲線)IC(mA )1234UCE(V)3691240A60AQQ = IC / IB =2 mA/ 40A=50 = IC / IB =(3-2)mA/(60-40) A=50 = IC / IB =3 mA/ 60A=50輸出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān)，IC=IB , 且 IC = IB 。此區(qū)域稱為線性放大區(qū)。此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IBIC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。此區(qū)域中 : IB=0 , IC=ICEO , UBEIC，UCE0.3V (3) 截止

12、區(qū) UBE 死區(qū)電壓， IB=0 ， IC=ICEO 0 例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 當(dāng)USB = -2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？USB =-2V， IB=0 ， IC=0，Q位于截止區(qū) USB =2V， IB= (USB -UBE)/ RB =(2-0.7)/70=0.019 mA IC= IB =500.019=0.95 mA ICS =2 mA ， Q位于飽和區(qū)(實際上，此時IC和IB 已不是的關(guān)系）三極管的技術(shù)數(shù)據(jù)：（自學(xué)）（1）電流放大倍數(shù)（2）集-射間穿透電流ICEO（3）集-射間反向擊穿電壓UCEO (BR)（4）集

13、電極最大電流ICM（5）集電極最大允許功耗PCM10.5 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)管與晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵型場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管有兩種:N溝道P溝道耗盡型增強型耗盡型增強型 MOS絕緣柵場效應(yīng)管（N溝道）（1） 結(jié)構(gòu)PNNGSDP型基底兩個N區(qū)SiO2絕緣層金屬鋁N導(dǎo)電溝道未預(yù)留 N溝道增強型預(yù)留 N溝道耗盡型PNNGSDGSDN溝道增強型（2）符號N溝道耗盡型GSD柵極漏極源極耗盡型N溝道MOS管的特性曲線IDmAVUDSUGS 實驗線路(共源極接法)GSD輸出特性曲線UGS=0VU DS （V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V夾斷電壓UP=-2V固定一個U DS，畫出ID和UGS的關(guān)系曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線耗盡型N溝道MOS管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線