第1章半導(dǎo)體器件

會(huì)計(jì)學(xué)1第1章半導(dǎo)體器件..典型習(xí)題一、已知各極電位，判定工作狀態(tài)第1頁(yè)/共53頁(yè)第一章常用半導(dǎo)體器件主要內(nèi)容：1.半導(dǎo)體的基本知識(shí)2.常用半導(dǎo)體器件

（1）二極管（2）三極管（3）場(chǎng)效應(yīng)管第2頁(yè)/共53頁(yè)§1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.1.1本征半導(dǎo)體一、半導(dǎo)體A光敏和熱敏特性B摻雜特性二、本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。

純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。性質(zhì)：第3頁(yè)/共53頁(yè)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(jià)電子）都是四個(gè)。Si硅原子Ge鍺原子第4頁(yè)/共53頁(yè)1、本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4除去價(jià)電子后的正離子完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。第5頁(yè)/共53頁(yè)2、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理(1)載流子載流子：可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。在絕對(duì)0度（T=0K）和沒(méi)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(méi)有載流子，它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。本征激發(fā)：在常溫下，由于熱激發(fā)，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。這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。第6頁(yè)/共53頁(yè)+4+4+4+4

空穴失去帶負(fù)電的電子，相當(dāng)于帶等量的正電荷；空穴吸引附近的束縛電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移。因此空穴相當(dāng)于可以運(yùn)動(dòng)的正電荷，故可視為載流子。第7頁(yè)/共53頁(yè)+4+4+4+4自由電子束縛電子

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，故稱電子空穴對(duì)。第8頁(yè)/共53頁(yè)1.1.2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(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。

按照摻入的雜元素不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為：N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體第9頁(yè)/共53頁(yè)N型半導(dǎo)體多余電子+

符號(hào)SiPSiSi硅或鍺+少量磷N型半導(dǎo)體第10頁(yè)/共53頁(yè)空穴P型半導(dǎo)體

符號(hào)SiSiSiB硅或鍺+少量硼P型半導(dǎo)體第11頁(yè)/共53頁(yè)雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體空穴：多子自由電子：少子++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體自由電子：多子空穴：少子第12頁(yè)/共53頁(yè)一、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(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。1.1.3PN結(jié)載流子的兩種運(yùn)動(dòng)方式：漂移：載流子在電場(chǎng)內(nèi)所做的定向運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散：載流子由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的運(yùn)動(dòng)。第13頁(yè)/共53頁(yè)P(yáng)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)空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)第14頁(yè)/共53頁(yè)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。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)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)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。第15頁(yè)/共53頁(yè)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)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。第16頁(yè)/共53頁(yè)二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓（正向偏置）：P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓（P區(qū)電位高于N區(qū)電位）。PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）：P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓（P區(qū)電位低于N區(qū)電位）。第17頁(yè)/共53頁(yè)P(yáng)N結(jié)正向偏置－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)減弱，使擴(kuò)散加強(qiáng)，擴(kuò)散飄移，正向電流大空間電荷區(qū)變薄PN+_正向電流第18頁(yè)/共53頁(yè)P(yáng)N結(jié)反向偏置－－－－++++

空間電荷區(qū)變厚NP+_++++－－－－內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)，使擴(kuò)散停止，有少量飄移，反向電流很小反向飽和電流很小，A級(jí)第19頁(yè)/共53頁(yè)三、PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)的電流方程其中：UT——溫度的電壓當(dāng)量uD——外加電壓IS——反向飽和電流PN結(jié)的伏安特性當(dāng)外加正向電壓，uD>>UT時(shí)，，PN結(jié)為正向?qū)顟B(tài)。當(dāng)外加反向電壓，uD>>UT時(shí)，，PN結(jié)為反向截止?fàn)顟B(tài)。第20頁(yè)/共53頁(yè)P(yáng)N結(jié)的反向擊穿

當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆熱擊穿——不可逆第21頁(yè)/共53頁(yè)雪崩擊穿在材料摻雜濃度較低的PN結(jié)中，當(dāng)PN結(jié)反向電壓增加時(shí)，空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)隨著增強(qiáng)。這樣，通過(guò)空間電荷區(qū)的電子和空穴，就會(huì)在電場(chǎng)作用下獲得的能量增大，在晶體中運(yùn)動(dòng)的電子和空六將不斷地與晶體原子又發(fā)生碰撞，當(dāng)電子和空穴的能量足夠大時(shí)，通過(guò)這樣的碰撞的可使共價(jià)鍵中的電子激發(fā)形成自由電子–空穴對(duì)。新產(chǎn)生的電子和空穴也向相反的方向運(yùn)動(dòng)，重新獲得能量，又可通過(guò)碰撞，再產(chǎn)生電子–空穴對(duì)，這就是載流子的倍增效應(yīng)。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值后，載流子的倍增情況就像在陡峻的積雪山坡上發(fā)生雪崩一樣，載流子增加得多而快，這樣，反向電流劇增，PN結(jié)就發(fā)生雪崩擊穿。

利用該特點(diǎn)可制作高反壓二極管。

PN結(jié)的雪崩擊穿示意圖齊納擊穿在材料摻雜濃度較高的PN結(jié)中，在加有一定的反向電壓下，PN結(jié)空間電荷區(qū)中存一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)，它能夠破壞共價(jià)鍵，將束縛電子分離出來(lái)造成電子–空穴對(duì)，形成較大的反向電流，發(fā)生齊納擊穿。利用該特點(diǎn)可制作穩(wěn)壓二極管。第22頁(yè)/共53頁(yè)四、PN結(jié)的電容效應(yīng)P+-N勢(shì)壘電容：耗盡層是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)外加反向電壓時(shí)，就會(huì)引起耗盡層的空間電荷的變化，相當(dāng)于電容的充放電，稱為勢(shì)壘電容擴(kuò)散電容：當(dāng)外加正向電壓時(shí)，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。正向電流越大，積累的電荷就越多。這樣所產(chǎn)生的電容效應(yīng)稱擴(kuò)散電容電容效應(yīng)會(huì)影響PN結(jié)的單向?qū)щ娦缘?3頁(yè)/共53頁(yè)1.2.1結(jié)構(gòu)與符號(hào)PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。PNPN符號(hào)陽(yáng)極陰極§1.2半導(dǎo)體二極管第24頁(yè)/共53頁(yè)1.2.2伏安特性UI導(dǎo)通壓降UD:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)開(kāi)啟電壓（死區(qū)電壓）Uon:硅管0.5V,鍺管0.2V。UIE+-反向漏電流(很小，A級(jí))第25頁(yè)/共53頁(yè)（3）靜態(tài)電阻Rd，動(dòng)態(tài)電阻rDUQIQUS+-R靜態(tài)工作點(diǎn)Q（UQ，IQ）第26頁(yè)/共53頁(yè)（3）靜態(tài)電阻Rd，動(dòng)態(tài)電阻rD靜態(tài)電阻：Rd=UQ/IQ

（非線性）動(dòng)態(tài)電阻：rD=UQ/

IQ在工作點(diǎn)Q附近，動(dòng)態(tài)電阻近似為線性，故動(dòng)態(tài)電阻又稱為微變等效電阻iuIQUQQIQUQ第27頁(yè)/共53頁(yè)1.2.3主要參數(shù)1.最大整流電流IF：2.反向擊穿電壓URJ：3.反向電流IR：二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)允許流過(guò)的最大電流。

4.最高工作頻率fM：不影響單向?qū)щ娦缘纳舷藿刂诡l率。第28頁(yè)/共53頁(yè)例1：二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降＝0.7V(硅管)

理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0

RLuiuOuiuott二極管半波整流第29頁(yè)/共53頁(yè)例2：二極管的應(yīng)用(設(shè)RC時(shí)間常數(shù)很小）RRLuiuRuotttuiCuRuo第30頁(yè)/共53頁(yè)1.2.4穩(wěn)壓二極管IZmax穩(wěn)壓二極管符號(hào)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(shí),其兩端電壓近似為常數(shù)正向同二極管穩(wěn)定電流穩(wěn)定電壓第31頁(yè)/共53頁(yè)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1.5k~4k，是否還能穩(wěn)壓？第32頁(yè)/共53頁(yè)RLuiuORDZiiziLUZUZW=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)

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=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,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)壓作用第33頁(yè)/共53頁(yè)§1.3半導(dǎo)體三極管1.3.1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型第34頁(yè)/共53頁(yè)BECNPN型三極管BECPNP型三極管符號(hào)：NPNCBEPNPCBE第35頁(yè)/共53頁(yè)BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高第36頁(yè)/共53頁(yè)發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極+++++++++++++__________________________+++++++++++++第37頁(yè)/共53頁(yè)1.3.2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(kuò)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(kuò)散到集電結(jié)。IB＋＋＋－＋－－－＋＋＋＋－－－－第38頁(yè)/共53頁(yè)BECNNPEBRBEcIE從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電子漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，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。第39頁(yè)/共53頁(yè)共射直流電流放大倍數(shù)（靜態(tài)）電流放大倍數(shù)=IC/

IBIC=IB共射交流電流放大倍數(shù)（動(dòng)態(tài)）IB：IB+IBIC：IC+IC=IC/

IBIC=

IB一般認(rèn)為：

=，=20~100第40頁(yè)/共53頁(yè)1.3.3特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBUSCUSB

實(shí)驗(yàn)線路(共發(fā)射極接法)CBERC第41頁(yè)/共53頁(yè)IB

與UBE的關(guān)系曲線（同二極管）（1）輸入特性:UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8第42頁(yè)/共53頁(yè)（2）輸出特性（IC與UCE的關(guān)系曲線）IC(mA)1234UCE(V)3691240A60AQQ’=IC/

IB=2mA/40A=50=IC/

IB

=(3-2)mA/(60-40)A=50=IC/

IB=3mA/60A=50第43頁(yè)/共53頁(yè)輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A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,且

IC=

IB飽和區(qū)UCEUBE，集電結(jié)正偏I(xiàn)B>ICUCE0.3V截止區(qū)IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓第44頁(yè)/共53頁(yè)輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):(1)放大區(qū)

IC=IB,且

IC=

IB

，BE結(jié)正偏，BC結(jié)反偏(2)飽和區(qū)

IC達(dá)飽和，IC與IB不是倍的關(guān)系，IB>IC

。BE結(jié)正偏，BC結(jié)正偏，即UCEUBE

（UCE0.3V

，UBE0.7V）

(3)截止區(qū)

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO0（ICEO穿透電流，很小，A級(jí)）

第45頁(yè)/共53頁(yè)1.3.3主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)

1）共射極電流放大系數(shù)：

β≈IC/IB≈△iC/△iB≈β

實(shí)際電路使用時(shí)一般采用β=30－80的BJT作為放大管。

2）共基極電流放大系數(shù)

α≈IC/IE≈△iC/△iE≈α第46頁(yè)/共53頁(yè)2.極間反向電流1）C-B極反向飽和電流ICBOE極開(kāi)路，C、B極間的反向飽和電流硅管小于鍺管，而且受溫度影響較大。應(yīng)用時(shí)選用ICBO較小的BJT。2）C-E極反向飽和電流ICEO

B極開(kāi)路時(shí)，C-E極間的穿透電流 有ICEO=(1+β)ICBO3.特征頻率fT

由于結(jié)電容的作用，信號(hào)頻率增大會(huì)使β下降并產(chǎn)生相移。使β下降為1時(shí)的信號(hào)頻率稱為特征頻率fT

。應(yīng)盡量選用fT較高的BJT。第47頁(yè)/共53頁(yè)4.極限參數(shù)：a)集電極最大允許電流ICMb)集電極最大允許功耗PCMc)極間反向擊穿電壓

UCBO:大小可從幾十至上千伏。

UCEO:與ICEO相關(guān)，

UCEO<<UCBO。

UEBO:大小從1/10~10VICUCE安全工作區(qū)ICUCE=PCMU(BR)CEO第48頁(yè)/共53頁(yè)1.2.4.溫度對(duì)特性的影響1.溫度對(duì)ICBO的影響溫度每升高10℃時(shí),ICBO約增加一倍。2.溫度對(duì)輸入特性的影響溫度升高，輸入特性曲線將左移。2.溫