第1A章基本半導(dǎo)體分立器件

第1章

基本半導(dǎo)體分立器件

本章點(diǎn)睛各種基本電子器件能完成某種功能的電子電路復(fù)雜的電子電路系統(tǒng)《電子技術(shù)》尹常永主編

問題1：這一章要學(xué)什么呢?問題2：“分立”是什么意思？問題3：顧名思義，半導(dǎo)體器件一定是由半導(dǎo)體材料制成的，為什么其他材料，比如說導(dǎo)體不能作為構(gòu)成電子器件的主要材料呢？在進(jìn)行本章的學(xué)習(xí)之前，先來看看下面的3個(gè)問題。退出二極管半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)與PN結(jié)晶體管場效應(yīng)管本章小結(jié)退出1.1

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)與PN結(jié)主要要求：

了解半導(dǎo)體材料的基本知識(shí)理解關(guān)于半導(dǎo)體的基本概念理解PN結(jié)的形成掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娮饔猛顺?/p>

常用的半導(dǎo)體材料有硅（Si）和鍺（Ge），高純度的硅和鍺都是單晶結(jié)構(gòu)，它們的原子整齊地按一定規(guī)律排列，原子間的距離不僅很小，而且是相等的。把這種純凈的、原子結(jié)構(gòu)排列整齊的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。1.1.1

本征半導(dǎo)體

硅和鍺的外層價(jià)電子都是4個(gè)，所以都是4價(jià)元素，右圖是硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)示意圖。（a）硅原子結(jié)構(gòu)（b）鍺原子結(jié)構(gòu)退出這四個(gè)價(jià)電子不僅受自身原子核的束縛，還受到相鄰原子核的吸引，從而形成了共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，如下圖所示：價(jià)電子（熱激發(fā)）自由電子-空穴對（1）溫度越高，自由電子-空穴對數(shù)目越多；（2）自由電子-空穴數(shù)目相等，對外不顯電性。硅（鍺）原子在晶體中的共價(jià)鍵排列復(fù)合平衡1.本征激發(fā)與復(fù)合退出2.自由電子運(yùn)動(dòng)與空穴運(yùn)動(dòng)

I=In（電子電流）+Ip（空穴電流）INIP外電路中的電流I退出

本征半導(dǎo)體實(shí)際使用價(jià)值不大，但如果在本征半導(dǎo)體中摻入微量某種雜質(zhì)元素，就形成了廣泛用來制造半導(dǎo)體元器件的N型和P型半導(dǎo)體。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同摻雜半導(dǎo)體可以分為N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體退出

（1）N型半導(dǎo)體——雜質(zhì)為少量5價(jià)元素，如磷（P）；（2）P型半導(dǎo)體——雜質(zhì)為少量3價(jià)元素，如硼（B）。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體N型磷原子自由電子自由電子——多數(shù)載流子空穴——少數(shù)載流子載流子數(shù)

電子數(shù)P型硼原子空穴空穴——多子自由電子——少子載流子數(shù)

空穴數(shù)退出注意：無論是N型還是P型半導(dǎo)體都是電中性，對外不顯電性?。?！退出1.1.3PN結(jié)形成與單向?qū)щ娦允裁词荘N結(jié)？

PN結(jié)是P型與N型半導(dǎo)體區(qū)域交界處的特殊帶電薄層，具有特殊的單向?qū)щ娦?，是半?dǎo)體元器件制造的基礎(chǔ)單元。退出1.1.3PN結(jié)形成與單向?qū)щ娦暂d流子濃度差復(fù)合(耗盡層)內(nèi)電場阻礙多子擴(kuò)散幫助少子漂移擴(kuò)散漂移動(dòng)態(tài)平衡

注意：動(dòng)態(tài)平衡的PN結(jié)交界面上無電流流過，即I=0。內(nèi)電場PN結(jié)的形成

多子擴(kuò)散空間電荷區(qū)平衡PN結(jié)P區(qū)N區(qū)1.1.3

PN結(jié)形成與特性

（1）PN結(jié)的正向?qū)ㄌ匦浴珜?dǎo)通（P區(qū)電位高于N區(qū)）內(nèi)電場外電場

所以，正偏時(shí)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)幾乎減小為0，宏觀上形成很大的正向電流IF。

外電場越強(qiáng)，正向電流越大，PN結(jié)的正向電阻越小。P區(qū)N區(qū)多子空穴多子自由電子正向電流IF+UR退出

+UR1.1.3

PN結(jié)形成與特性

（2）PN結(jié)的反向截止特性——反偏截止（P區(qū)電位低于N區(qū)）P區(qū)N區(qū)少子自由電子少子空穴反向電流IR內(nèi)電場外電場

所以，反偏時(shí)漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)幾乎減小為0，由于少子數(shù)目較少，宏觀上形成極小的反向電流IR（接近于0）。

外電場增強(qiáng)，反向電流也幾乎不增加，PN結(jié)的反向電阻很大。退出1.1.3

PN結(jié)形成與特性要記?。海?）外加正向電壓時(shí)PN結(jié)的正向電阻很小，電流較大，是多子擴(kuò)散形成的；

（2）外加反向電壓時(shí)PN結(jié)的反向電阻很大，電流極小，是少子漂移形成的。要注意：

PN結(jié)電路中要串聯(lián)限流電阻。退出退出1.2

二極管主要要求：

了解半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)、類型、特性與參數(shù)掌握半導(dǎo)體二極管在電子技術(shù)中的應(yīng)用退出1.2.1

二極管概述

一個(gè)PN結(jié)加上相應(yīng)的外引線，然后用外殼封裝就成為最簡單的二極管了，其中，從P區(qū)引出的引線叫做陽極或正極、從N區(qū)引出的引線叫做陰極或負(fù)極。常用D（Diode）表示二極管。

圖中的箭頭表示正偏時(shí)的正向電流方向。退出1.

二極管的符號(hào)與常見外形分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型點(diǎn)接觸型金屬觸絲N型鍺P型層陽極陰極

面接觸型P型擴(kuò)散層錫支架N型硅SiO2保護(hù)層陰極陽極1.常見二極管的外形2.二極管的伏安特性

半導(dǎo)體二極管的內(nèi)部就是一個(gè)PN結(jié)，因此二極管具有和PN結(jié)相同的單向?qū)щ娦?，?shí)際的二極管伏安特性曲線如下圖所示：u/Vi/mA正向特性死區(qū)電壓反向特性IS0μA擊穿電壓擊穿特性反向電流硅管2CP12鍺管2AP9退出

3.二極管的特性與參數(shù)

PN結(jié)的正向和反向電流與外加電壓的關(guān)系可以用公式表示為：反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量，常溫下：UT

=26mV當(dāng)U>0時(shí)為正向特性；當(dāng)U<0時(shí)為反向特性。退出3.

二極管的特性與參數(shù)

2.二極管的主要參數(shù)

（1）最大整流電流IF——指二極管長期工作時(shí)允許通過的最大正向平均電流值。（2）最高反向工作電壓UBR——指二極管不擊穿時(shí)所允許加的最高反向電壓，UBR通常是反向擊穿電壓的一半，以確保二極管安全工作。（3）反向電流IR——在常溫下和規(guī)定的反偏電壓下的反向電流。退出1.2.2穩(wěn)壓二極管【相關(guān)鏈接】穩(wěn)壓二極管的溫度特性1.2.3

發(fā)光二極管

1.發(fā)光二極管的符號(hào)及特性

發(fā)光二極管是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體器件，簡稱LED（LightEmittingDiode）。

和普通二極管相似，LED也是由一個(gè)PN結(jié)組成的，當(dāng)正向?qū)〞r(shí)可以發(fā)出一定波長的可見光，常有紅、綠、黃等顏色。

也有可以發(fā)出紅外光等不可見光的發(fā)光二極管。退出1.2.3

發(fā)光二極管

發(fā)光二極管具有驅(qū)動(dòng)電壓低、工作電流小、具有很強(qiáng)的抗振動(dòng)和抗沖擊能力、體積小、可靠性高、耗電省和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于信號(hào)指示等電路中。

一般LED的工作電流為幾十mA，正向?qū)▔航禐椋?.53)V，安全使用電壓應(yīng)選擇5V以下。退出1.2.3

發(fā)光二極管（a）反偏（b）正偏1.2.4

二極管的應(yīng)用電路舉例二極管是電子電路中常用的半導(dǎo)體器件，利用其單向?qū)щ娦院驼驂航岛苄〉奶攸c(diǎn)，可應(yīng)用于整流、檢波、鉗位、限幅、開關(guān)以及元件保護(hù)等各項(xiàng)工作。

1.整流應(yīng)用——整流就是利用二極管的單向?qū)щ娞匦詫⒔涣麟娮兂蓡畏较蛎}動(dòng)的直流電的過程，這部分內(nèi)容將在第6章作詳細(xì)介紹。

退出1.2.4

二極管的應(yīng)用電路舉例

2.限幅

——利用二極管正向?qū)ê髢啥穗妷汉苄∏一静蛔兊奶匦钥梢詷?gòu)成各種限幅電路，使輸出電壓限制在某一電壓值以內(nèi)。下圖為一正、負(fù)對稱限幅電路:ui=5sinωt（V），US1=US2=3V?？梢姡绾雎远O管正向?qū)▔航?，輸出被限制在大約±3V之間。OtuO/V33-5ui

/VOt53-3退出1.2.4二極管的應(yīng)用電路舉例

3.穩(wěn)壓應(yīng)用

4.開關(guān)應(yīng)用退出圖1.2.8光電耦合裝置的應(yīng)用5．光電轉(zhuǎn)換與隔離二極管的極性判別與性能測試:（1）二極管的極性判別（2）性能測試退出1.3

晶體管主要要求：

了解半導(dǎo)體晶體管的結(jié)構(gòu)、類型與參數(shù)掌握半導(dǎo)體晶體管的電流分配關(guān)系掌握半導(dǎo)體晶體管的特性曲線的含義理解晶體管的放大作用了解復(fù)合晶體管的概念與意義退出

晶體管的結(jié)構(gòu)1.3.1

晶體管的結(jié)構(gòu)和類型NNP發(fā)射極E基極B集電極C發(fā)射結(jié)集電結(jié)—基區(qū)NPN型ECB

三區(qū)三極兩結(jié)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)集電極

Collector基極Base發(fā)射極Emitter集電結(jié)發(fā)射結(jié)—集電區(qū)—發(fā)射區(qū)PPNPNP型常見三極管的外形與實(shí)物

退出

下面以NPN管為例討論晶體管的電流分配與放大作用，所得結(jié)論一樣適用于PNP三極管。1.3.2晶體管的基本工作原理注意：晶體管放大的條件內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結(jié)面積大外部條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏晶體管電流關(guān)系實(shí)驗(yàn)電路1.晶體管的電流分配關(guān)系1.晶體管的電流放大作用三極管的電流放大作用

退出晶體管電流分配和放大作用正偏使發(fā)射結(jié)使集電結(jié)反偏1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子，形成發(fā)射極電流IE的主要成份。IE2.基區(qū)中電子的復(fù)合形成基極電流IB的主要成份。IB3.集電區(qū)收集電子形成集電極電流IC的主要成份。IC退出綜上所述，得到三極管的電流分配關(guān)系：（1）IE=IC+IB（2）IC=βIB（3）IE=IC+IB=（1+β

）IB≈IC

晶體管中還有一些少子電流，比如ICBO

，通常可以忽略不計(jì)，但它們對溫度十分敏感。退出1.3.3晶體管的特性曲線

晶體管有三個(gè)電極，因此，分別將三極管的三個(gè)電極作為輸入端、輸出端和公共端，有三種不同的三極管電路的組成方式。根據(jù)公共電極的不同，分別叫做共發(fā)射極電路、共集電極電路和共基極電路。退出1.3.3三極管的特性曲線

1.輸入特性曲線

uCE≧1V，集電結(jié)反偏，電場足以將發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的載流子吸收到集電區(qū)形成IC，uCE

再增大曲線也幾乎不變死區(qū)電壓與導(dǎo)通電壓UBE硅管分別約為0.5V和0.7V鍺管分別約為0.1V和0.3V（1）截止區(qū)——iB=0曲線以下的區(qū)域：

iC=ICEO≈

0，兩結(jié)均反偏，三極管各電極電流均約等于0，所以可以等效為斷開的開關(guān)；退出1.3.3三極管的特性曲線

2.輸出特性曲線

放大區(qū)截止區(qū)ICEO飽和區(qū)（2）放大區(qū)——在iB=0的特性曲線上方，近似平行于橫軸的曲線族部分：

iC基本不隨uCE變化僅受iB控制，iC=βiB，發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，相當(dāng)于受控電流源。

uCE

/ViC

/mA100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O246810252015105（3）飽和區(qū)——輸出特性曲線近似直線上升部分：三極管飽和時(shí)管壓降uCE很小，叫做飽和壓降uCES，兩結(jié)均正偏，相當(dāng)于閉合開關(guān)。

退出1.3.4三極管的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)直流電流放大系數(shù)

交流、直流電流放大系數(shù)的意義不同，但在輸出特性線性良好的情況下，兩個(gè)數(shù)值的差別很小，一般不作嚴(yán)格區(qū)分。退出1.3.4三極管的主要參數(shù)2.極間反向電流集、基間反向飽和電流集、射間反向飽和電流（穿透電流）測試電路測試電路反向電流受溫度影響大越小越好退出1.3.4三極管的主要參數(shù)

3.極限參數(shù)

集電極最大允許電流反向擊穿電壓集電極最大允許耗散功率集電極電流超過一定數(shù)值時(shí)β要下降擊穿時(shí)三極管電流急劇增大，會(huì)使三極管損壞功耗過高會(huì)燒毀三極管3.極限參數(shù)和4.溫度對晶體管參數(shù)的影響晶體管受溫度影響較大的參數(shù)是1.3.5晶體管在電子技術(shù)的應(yīng)用1.放大應(yīng)用2.開關(guān)應(yīng)用（a）開關(guān)電路（b）截止時(shí)的等效電路（c）飽和時(shí)的等效電路【相關(guān)鏈接】你會(huì)用萬用表對三極管的電極與性能進(jìn)行簡單的測試嗎？退出1.4

場效晶體管主要要求：

了解場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)了解場效應(yīng)管的原理、特性曲線與參數(shù)

場效應(yīng)管是一種利用電場效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)體三極管，是利用一種載流子導(dǎo)電的單極型器件。特點(diǎn)：具有輸入電阻高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、耗電省等優(yōu)點(diǎn)，制作工藝簡單、便于集成。退出

1.N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管MOSFET的結(jié)構(gòu)

(MentalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)1.4.1

絕緣柵場效應(yīng)管的原理和特性P型硅襯底S—源極SourceG—柵極Gate

D—漏極DrainDSGSiO2絕緣體金屬鋁N溝道DGS還有多種其他類型的場效應(yīng)管，比如這是P溝道耗盡型場效應(yīng)管的符號(hào)：退出1.4.1

絕緣柵場效應(yīng)管的原理和特性

2.場效晶體管的電壓控制作用1）MOS管的柵極是絕緣的，因此管子的輸入電阻可達(dá)1010歐姆以上，故iG≈0。所以和三極管不同的是：場效應(yīng)管不是用柵極電流來控制漏極輸出電流的，而是利用輸入柵源電壓UGS來控制漏極輸出電流ID，是電壓控制器件；2）和三極管的類似的參數(shù)是低頻跨導(dǎo)

3）在場效應(yīng)管的放大作用中，少子并不參與控制作用，是單極型器件退出1.4.1

絕緣柵場效應(yīng)管的原理和特性

3.增強(qiáng)型NMOS管的特性曲線

（1）轉(zhuǎn)移特性曲線（2）漏極特性曲線退出1.4.2

場效應(yīng)管的主要參數(shù)1.