電工學-第章半導體器件

第8章半導體器件8.4雙極型晶體管8.6集成電路8.5場效應管8.1半導體的基礎(chǔ)知識8.2半導體二極管8.3特殊二極管8.1半導體的基礎(chǔ)知識2導體、半導體、絕緣體。

物質(zhì)按導電能力劃分：

半導體的導電性能：

價電子參與導電、摻雜增強導電能力、熱敏特性、光敏特性。一、本征半導體

1.什么是本征半導體

是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。3

完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子4本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：

(1)本征半導體中載流子數(shù)目極少,其導電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。5二、雜質(zhì)半導體

在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。(1)摻入五價的雜質(zhì)元素自由電子的濃度空穴的濃度。自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。稱這種雜質(zhì)半導體為N型半導體。(2)摻入三價的雜質(zhì)元素自由電子的濃度空穴的濃度?？昭槎鄶?shù)載流子。自由電子為少數(shù)載流子。稱這種雜質(zhì)半導體為P型半導體。6

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?/p>

在本征半導體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。7

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或P型半導體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。三、PN結(jié)1.PN結(jié)的形成多子的擴散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體

內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。

擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。

擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)9＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－

多數(shù)載流子的擴散運動與少數(shù)載流子的漂移運動達到動態(tài)平衡——平衡的PN結(jié)。內(nèi)電場10內(nèi)電場越強，多數(shù)載流子的運動越難以進行。內(nèi)電場越強，少數(shù)載流子的運動越易于進行。

擴散運動：多數(shù)載流子由于濃度的差別而形成的運動。

漂移運動：少數(shù)載流子由于內(nèi)電場的作用而形成的運動。2.PN結(jié)的特性PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄P接正、N接負外電場IF

內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–12PN結(jié)變寬PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場

內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IRP接負、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止狀態(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－8.2半導體二極管13一、普通二極管

ＰN陽極陰極(1)按結(jié)構(gòu)分類

點接觸型、面接觸型。(2)按材料分類硅管、鍺管。(3)按用途不同分類普通管、整流管、開關(guān)管等。1.基本結(jié)構(gòu)14(a)點接觸型(b)面接觸型

結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。

結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。15陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型半導體二極管的結(jié)構(gòu)和符號二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽極(

d

)

符號D二、伏安特性硅管0.5V,鍺管0.2V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點：非線性硅0.7V鍺0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+

反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。17UD(2)近似特性UI

OUI

O(3)理想特性3.主要參數(shù)(1)額定正向平均電流（最大整流電流）IF

(2)正向壓降UF(3)最高反向工作電壓UR

一般規(guī)定為反向擊穿電壓的1/2或1/3。(4)最大反向電流IRm

18二極管的單向?qū)щ娦?.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。19電路如圖，求：UABV陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。D6V12V3kBAUAB+–20兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB

在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–21ui>8V，二極管導通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護、溫度補償?shù)?。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––228.3特殊二極管1.穩(wěn)壓二極管符號UZIZIZMUZIZ伏安特性

穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻_+UIO23穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)電壓溫度系數(shù)ｕ環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分數(shù)。(3)動態(tài)電阻(4)穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。

[解](1)Ui＝10V時DZ反向擊穿穩(wěn)壓：UO=UZ=5V。

(2)Ui

=3V時DZ反向截止：UO=Ui

=3V。

(3)Ui

=－5V時DZ正向?qū)ǎ篣O=0V。

(4)ui

=10sin

tV時當0＜ui＜5V時，DZ反向截止：UO=Ui

=10sin

tV。當ui＞5V時，DZ反向擊穿穩(wěn)壓：如圖所示電路，設(shè)UZ=

5V，正向壓降忽略不計。當直流輸入Ui

=10V、3V、－5V時，Uo=？當輸入為交流ui

=10sin

tV時，分析uO的波形。RDZ

＋Ui－＋UO－5

tuO/VO23UO=UZ=5V。當ui＜0V時，DZ正向?qū)ǎ篣O=0V。25光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加符號發(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，正向電壓較一般二極管高，電流為幾~幾十mA光電二極管發(fā)光二極管268.4

雙極型晶體管1.基本結(jié)構(gòu)NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管27基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點：集電區(qū)：面積最大28二、工作狀態(tài)條件:發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。

發(fā)射區(qū)發(fā)射載流子

→形成電流IE

少部分在基區(qū)被復合

→形成IB

大部分被集電區(qū)收集

→形成IC

1．放大狀態(tài)⑴電流的形成NPNB

E

CRCUCCUBBRB晶體管中載流子的運動過程IEICIB29⑵電流的關(guān)系

IE=IB+IC

當IB=0時，

直流(靜態(tài))電流放大系數(shù)

交流(動態(tài))電流放大系數(shù)≈ICIBIC－ICEOIBβ

=ICIBβ=

UCE=常數(shù)

ICIB≈IC=ICEONPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIB電路圖30IB微小的變化，會產(chǎn)生IC很大的變化。IC

=βIB

。0＜UCE＜UCC，

UCE

=UCC－RC

IC

。晶體管相當于通路。⑶特點3131特點：

IB↑,IC基本不變。

IC≈UCC

/RC。

UCE≈0。晶體管相當于短路。條件:發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)正偏。IB↑,IC

↑UCE=(UCC－RCIC)↓

ICM=UCC/RC2.飽和狀態(tài)電路圖NPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIBCERCUCC飽和狀態(tài)時的晶體管32特點：

IB=0IC=0UCE=UCC

晶體管相當于開路。3.截止狀態(tài)條件:發(fā)射結(jié)反偏,集電結(jié)反偏。電路圖CERCUCCNPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIB晶體管處于放大狀態(tài)。

[例]

圖示電路，晶體管的=100，求開關(guān)S合向a、b、c

時的IB、IC

和UCE，并指出晶體管的工作狀態(tài)（忽略UBE

）。[解](1)開關(guān)S合向a時

UBB1RB15

500×103

IB==A=0.01mAIC=IB

=100×0.01mA=1mA

UCE=UCC－RCIC

=(15－5×103×1×10－3)V=10VUCC=15V

UBB1=5V

UBB2=1.5VRB1=

500kRB2=

50kRC=

5kUBB1SBCERCUCCRB1UBB2RB2abcUCE=0V晶體管處于飽和狀態(tài)。因為若

IC=IB=100×0.1mA=10mA

UCE=UCC－RCIC

=(15－5×103×10×10－3)V=－35VUCE＜0，這是不可能的，即不可能處于放大狀態(tài)。UCCRC＞=3mA

UCCRC15

5×103

IC==A=3mA

UBB1SBCERCUCCRB1UBB2RB2abcUBB1RB25

50×103

IB==A=0.1mA

(2)開關(guān)S合向b時35

(3)開關(guān)S合向c時

IB=0，IC=0，UCE=UCC=15V晶體管處于截止狀態(tài)。UBB1SBCERCUCCRB1UBB2RB2abc36三、特性曲線1.輸入特性

IB=f(UBE)UCE=常數(shù)

UCE≥1V25℃UCE≥1V75℃80604020UBE/VIB/AO0.40.8※

硅管：UBE0.7V

鍺管：UBE0.3ViC

＋

uCE

－

＋

uBE

－iBBEC輸入特性工作方式372.輸出特性

IC=f(UCE)∣IB=常數(shù)放大區(qū)IC/mA4321369UCE/VOIB=020A40A60A80A100A飽和區(qū)截止區(qū)輸出特性iC

＋

uCE

－

＋

uBE

－iBBEC工作方式38

動態(tài)電流放大系數(shù)

2.穿透電流ICEO3.集電極最大允許電流

ICM4.集電極最大耗散功率

PCM

PC

=UCE×IC5.反向擊穿電壓U(BR)CEO靜態(tài)電流放大系數(shù)

四、主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)4321369ICUCEO放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)過損耗區(qū)安全工作區(qū)U(BR)CEOICMPCM功耗曲線398.5場效應型晶體管一、基本結(jié)構(gòu)SiO2NMOS管PMOS管源極漏極SD鋁片柵極

GBP型硅襯底

N+N+BN型硅襯底

P+P+源極柵極漏極SGD40P型硅襯底

N+N+BSGD二、基本類型按導電溝道的不同分為：

N型溝道MOS管—NMOS管

P型溝道MOS管—PMOS管N型硅襯底

P+P+BSGDNMOS管PMOS管導電溝道++++41按導電溝道形成的不同分為：

增強型—簡稱E型耗盡型—簡稱D型場效應管的圖形符號:GE型

NMOSSDBGE型

PMOSSDBD型

NMOSSDGBD型

PMOSSDGB1.N溝道增強型管的工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

由結(jié)構(gòu)圖可見，N+型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被P型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個背靠背的PN結(jié)。

當柵源電壓UGS=0時，不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個PN結(jié)是反向偏置的，反向電阻很高，漏極電流近似為零。SD三、工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

當UGS>0時，P型襯底中的電子受到電場力的吸引到達表層，填補空穴形成負離子的耗盡層；N型導電溝道在漏極電源的作用下將產(chǎn)生漏極電流ID，管子導通。當UGS>UGS（th）時，將出現(xiàn)N型導電溝道，將D-S連接起來。UGS愈高，導電溝道愈寬。EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–N型導電溝道當UGS

UGS(th）后，場效應管才形成導電溝道，開始導通，若漏–源之間加上一定的電壓UDS，則有漏極電流ID產(chǎn)生。在一定的UDS下漏極電流ID的大小與柵源電壓UGS有關(guān)。所以，場效應管是一種電壓控制電流的器件。

在一定的漏–源電壓UDS下，使管子由不導通變?yōu)閷ǖ呐R界柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th）。GSD符號：

如果MOS管在制造時導電溝道就已形成，稱為耗盡型場效應管。N溝道耗盡型管SiO2絕緣層中摻有正離子予埋了N型導電溝道2.N溝道耗盡型管的工作原理

由于耗盡型場效應管預埋了導電溝道，所以在UGS=0時，若漏–源之間加上一定的電壓U