第七章 半導(dǎo)體器件1

第七章半導(dǎo)體器件了解半導(dǎo)體的類(lèi)型和特性，理解PN結(jié)的形成，掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娦粤私獍雽?dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)，掌握半導(dǎo)體二極管的伏安特性掌握半導(dǎo)體三極管的放大作用和特性了解絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、參數(shù)及使用注意事項(xiàng)【知識(shí)要求】會(huì)用萬(wàn)用表檢測(cè)二極管的極性和好壞會(huì)用萬(wàn)用表判別三極管的管型和引腳學(xué)會(huì)焊接簡(jiǎn)單的電路【能力要求】7.1半導(dǎo)體二極管7.1.1本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體定義：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，常用材料：硅、鍺、砷化鎵本征半導(dǎo)體：純凈的不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體空穴：本征半導(dǎo)體在外界因素作用下，某些價(jià)電子獲得能量，掙脫共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)在原共價(jià)鍵中留下相同數(shù)目的空位，這種空位即為空穴。本征激發(fā)：形成一個(gè)自由電子，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)空穴，此現(xiàn)象為本征激發(fā)SiSiSiSiSiSiSiSiSi載流子：自由電子和空穴復(fù)合空穴的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動(dòng)7.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體微量雜質(zhì)：P、B等元素N型半導(dǎo)體：5價(jià)元素PSiSiSiSiSiSiSiSiSi空穴自由電子：多數(shù)載流子少數(shù)載流子P型半導(dǎo)體：3價(jià)元素BSiSiSiSiSiSiSiSiSi空穴自由電子：少數(shù)載流子多數(shù)載流子7.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?、PN結(jié)的形成----------------++++++++++++++++PN----------------++++++++++++++++PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)有助于少數(shù)載流子的漂移2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?---++++內(nèi)電場(chǎng)方向Us外電場(chǎng)方向變窄處于導(dǎo)通狀態(tài)并呈低電阻狀態(tài)外加正向電壓正偏----++++內(nèi)電場(chǎng)方向Us外電場(chǎng)方向變寬--------++++++++少數(shù)載流子形成漂移電流，與擴(kuò)散電流方向相反，為反向電流總結(jié)：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，加正向電壓時(shí)，電路中有較大的電流流過(guò)，處于導(dǎo)通狀態(tài)；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，電路中電流較小，PN結(jié)截止加反向電壓（反偏）7.1.4半導(dǎo)體二極管1.結(jié)構(gòu)與類(lèi)型PN陽(yáng)極陰極外殼（a）結(jié)構(gòu)（b）外形陽(yáng)極陰極（c）符號(hào)VDPN分類(lèi)：點(diǎn)接觸型：用于高頻檢波面接觸型：較低頻率下工作，用作整流2.半導(dǎo)體二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管的伏安特性：半導(dǎo)體二極管兩端電壓U和流過(guò)的電流I之間的關(guān)系（1）正向特性鍺管死區(qū)電壓：0.1V；正向?qū)▔航担?.3V硅管：0.5V，正向?qū)▔航担?.7V（2）反向特性U/VI/mA0.51.01.5死區(qū)電壓10-10反向擊穿電壓正向特性反向特性3.半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IFM

長(zhǎng)期使用時(shí)允許流過(guò)的最大正向平均電流（2）最大反向工作電壓URM

為擊穿電壓的一半左右（3）最大反向電流IRM

反向電流越小，單向?qū)щ娦阅茉胶?，受溫度影響較大（4）最高工作頻率fM

使用中頻率超過(guò)此值，單向?qū)щ娦阅茏儾睿踔翢o(wú)法使用。7.1.5特殊二極管1、硅穩(wěn)壓二極管其正常工作區(qū)間在：反向擊穿區(qū)，需要與合適的電阻串聯(lián)，具有穩(wěn)定電壓的作用U/VI/mA0.51.01.5死區(qū)電壓10-10正向特性穩(wěn)定電壓UZΔUZΔIZ穩(wěn)定電流IZ最大穩(wěn)定電流IZM動(dòng)態(tài)電阻：rz=ΔUZ/ΔIZ最大允許耗散功率：PZM=UZM×IZM2、發(fā)光二極管

可以把電能轉(zhuǎn)化成光能的半導(dǎo)體器件；兩根引線(xiàn)中較長(zhǎng)的一根為正極，應(yīng)接電源正極；兩根引線(xiàn)一樣長(zhǎng)，但管殼上有一凸起的小舌，靠近小舌的引線(xiàn)是正極。3、光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件中7.1.6二極管的極性和好壞1）判斷極性：萬(wàn)用表?yè)艿絉×100Ω或R×1KΩ;用黑表筆搭在二極管一端，用紅表筆搭在另一端，若電阻較?。辉賹⒈砉P位置對(duì)換，若電阻較大、則電阻較小的為二極管加上正向電壓，黑表筆搭接端為P，即陽(yáng)極2）二極管性能的好壞若測(cè)量電阻全為0，則二極管被擊穿；測(cè)量結(jié)果電阻為全為無(wú)窮大，則二極管被燒毀。若二極管結(jié)果正常，但電阻值大小相差不大，說(shuō)明二極管的單向?qū)щ娦圆?.2半導(dǎo)體三極管7.2.1半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型外形

3AX313DG6外形示意圖半導(dǎo)體三極管圖片7.2.1半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型內(nèi)部結(jié)構(gòu)c集電極b基極集電區(qū)PN基區(qū)發(fā)射區(qū)P集電結(jié)發(fā)射結(jié)e發(fā)射極(a)PNP型c集電極b基極集電區(qū)NP基區(qū)發(fā)射區(qū)N集電結(jié)發(fā)射結(jié)e發(fā)射極(b)NPN型7.2.1.晶體管的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型符號(hào)ebc(a)PNP型ebc(b)NPN型

發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路（1）實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++7.2.2.半導(dǎo)體三極管的放大作用

E

C

BRPIEIB/mAIC/mAIE/mA-0.0010.001000.010.010.010.500.510.021.001.020.031.701.730.042.502.540.053.303.35實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)I1.IE=

IC+IB=(1+β)IB結(jié)論2.Ic或IE>>IBIB/mAIC/mAIE/mA-0.0010.001000.010.010.010.500.510.021.001.020.031.701.730.042.502.540.053.303.35結(jié)論ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++3.工作條件NPN:UC>UB>

UE發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏

E

C

BBECNNPEBRBEc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?；鶇^(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。IBE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IBE，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。（2）晶體管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律IEBECNNPEBRBEc集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBO從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)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ICE。IC=ICE+ICBOICEIBEICEIEIB=IBE-ICBOIBEIB（動(dòng)畫(huà)3）BECNNPEBRBEcICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICEIEICE與IBE之比稱(chēng)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?；鶚O做得很薄，雜質(zhì)濃度較低，集電區(qū)面積大，發(fā)射區(qū)滲雜濃度高⑴共射輸入特性7.2.3三極管的特性曲線(xiàn)

ICmAAVUCEUBERBIBECV++––––++⑴共射輸入特性IB(μA)UBE(V)0.20.40.60.8204060800UCE

≥1V20℃7.2.3三極管的特性曲線(xiàn)

死區(qū)電壓：硅管≤

0.5V

鍺管≤

0.2V線(xiàn)性區(qū)：硅管(NPN)UBE=0.6V～0.7V

鍺管

(PNP)

UBE=

-0.2V～-0.3V

UCE

=0

UCE增加，特性曲線(xiàn)右移。

UCE≥1V以后，特性曲線(xiàn)幾乎重合。

與二極管的伏安特性相似輸入特性有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

⑵輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線(xiàn)通常分三個(gè)工作區(qū)：1)放大區(qū)

在放大區(qū)有IC=IB

，也稱(chēng)為線(xiàn)性區(qū)，具有恒流特性。

在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。⑵輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)2)截止區(qū)IB<0以下區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)，有IC0

。在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于截止?fàn)顟B(tài)。截止區(qū)⑵輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)3）飽和區(qū)當(dāng)UCEUBE時(shí)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。

截止區(qū)飽和區(qū)7.2.4三極管的主要參數(shù)晶體管的參數(shù)是用來(lái)表示晶體管的各種性能指標(biāo)。⑴電流放大系數(shù)①靜態(tài)電流放大系數(shù)它表示靜態(tài)時(shí)，集電極電流和基極電流之間的關(guān)系⑴電流放大系數(shù)A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的IC=6mA，IB=40μAUCE(V)IC(mA)051015483.368.81216A20406080IB=100μA3DG6的輸出特性表示在動(dòng)態(tài)時(shí)，集電極電流的變化量與相應(yīng)的基極電流變化量之比，即②動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù)大表示只要基極電流很小的變化，就可以控制產(chǎn)生集電極電流大的變化，即電流放大作用好。值的求法：找兩個(gè)UCE相同的點(diǎn)C和D所以對(duì)應(yīng)于C點(diǎn)，IC=8.8mA，IB=60μA；對(duì)應(yīng)于D點(diǎn)，IC=3.3mA，IB=20μA，△IC

=8.8-3.3=5.5mA，△IB=60-20=40μA，UCE(V)IC(mA)051015483.368.81216CDA20406080IB=100μA3DG6的輸出特性②共射電流放大系數(shù)(2)集電極-基極反向飽和電流ICBO發(fā)射極開(kāi)路，集電結(jié)加反向電壓時(shí)流過(guò)集-基極的反向電流。A+–ECICBO②集-射極穿透電流ICEOICEO是基極開(kāi)路，集電極與發(fā)射極間加反向電壓時(shí)的集電極電流。AICEOIB=0+–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)的集電極電流即為ICM。2)

集電極最大允許耗散功耗PCM

PCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過(guò)大，溫升過(guò)高會(huì)燒壞三極管。

PC

PCM=ICUCE1）集電極最大允許電流ICM（3）三極管的極限參數(shù)7.2.5三極管的檢測(cè)（NPN）（1）判定基極萬(wàn)用表?yè)艿絉×100Ω或R×1KΩ，假定任一管腳為基極，用黑表筆搭在其上，用紅表筆分別搭接另外倆個(gè)管腳，測(cè)量到兩阻值均較小，則黑表筆所接就是基極。

（2）判定集電極c和發(fā)射極e用萬(wàn)用表的兩個(gè)表筆搭接到基極以外的兩個(gè)引腳，用兩個(gè)手指摸住基極與假定的集電極，將表筆對(duì)換，比較兩次的阻值大小，阻值小的一次測(cè)量中，黑表筆所接的引腳為集電極，另一個(gè)引腳為發(fā)射極。

7.3絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管是由金屬（Metal）、氧化物（Oxide）和半導(dǎo)體（Semiconductor）材料構(gòu)成的，因此又叫MOS管。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，每一種又包括N溝道和P溝道兩種類(lèi)型。（1）結(jié)構(gòu)與符號(hào)以N溝道增強(qiáng)型MOS管為例，它是以P型半導(dǎo)體作為襯底，用半導(dǎo)體工藝技術(shù)制作兩個(gè)高濃度的N型區(qū)，兩個(gè)N型區(qū)分別引出一個(gè)金屬電極，作為MOS管的源極S和漏極D；在P形襯底的表面生長(zhǎng)一層很薄的SiO2絕緣層，絕緣層上引出一個(gè)金屬電極稱(chēng)為MOS管的柵極G。B為從襯底引出的金屬電極，一般工作時(shí)襯底與源極相連。圖1.46所示為N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)。圖1.46N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)符號(hào)中的箭頭表示從P區(qū)（襯底）指向N區(qū)（N溝道），虛線(xiàn)表示增強(qiáng)型。（2）N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理如圖1.47所示，在柵極G和源極S之間加電壓UGS，漏極D和源極S之間加電壓UDS，襯底B與源極S相連。圖1.47N溝道增強(qiáng)型MOS管加?xùn)旁措妷篣GS

形成導(dǎo)電溝道所需要的最小柵源電壓UGS，稱(chēng)為開(kāi)啟電壓UT。（3）特性曲線(xiàn)①

輸出特性（漏極特性）曲線(xiàn)圖1.48N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性曲線(xiàn)②

轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)圖1.49N溝道增強(qiáng)型MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)2.耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（1）結(jié)構(gòu)、符號(hào)與工作原理圖1.50N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)（2）特性曲線(xiàn)圖1.51