第四章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)2

第4章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.2半導(dǎo)體二極管1.3半導(dǎo)體三極管1.4BJT模型1.5場(chǎng)效應(yīng)管2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)

外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反。

外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)→耗盡層變窄→擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)＞漂移運(yùn)動(dòng)→多子擴(kuò)散形成正向電流IF正向電流

(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)

外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同。

外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)→耗盡層變寬→漂移運(yùn)動(dòng)＞擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)→少子漂移形成反向電流IRPN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無(wú)關(guān)，所以稱(chēng)為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。

3.PN結(jié)的伏安特性曲線(xiàn)及表達(dá)式

根據(jù)理論推導(dǎo)，PN結(jié)的伏安特性曲線(xiàn)如圖正偏I(xiàn)F（多子擴(kuò)散）IR（少子漂移）反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿熱擊穿——燒壞PN結(jié)電擊穿——可逆1.2半導(dǎo)體二極管二極管=PN結(jié)+管殼+引線(xiàn)NP結(jié)構(gòu)符號(hào)陽(yáng)極+陰極-

二極管按結(jié)構(gòu)分三大類(lèi)：(1)點(diǎn)接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(3)平面型二極管

用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。半導(dǎo)體二極管的型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：2AP9用數(shù)字代表同類(lèi)器件的不同規(guī)格。代表器件的類(lèi)型，P為普通管，Z為整流管，K為開(kāi)關(guān)管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。

一、半導(dǎo)體二極管的V—A特性曲線(xiàn)

硅：0.5V鍺：

0.1V(1)正向特性導(dǎo)通壓降反向飽和電流(2)反向特性死區(qū)電壓擊穿電壓UBR實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)uEiVmAuEiVuA鍺硅：0.7V鍺：0.3V二.二極管的模型及近似分析計(jì)算例：IR10VE1kΩD—非線(xiàn)性器件iuRLC—線(xiàn)性器件三.二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流IF——二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過(guò)二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓UBR———

二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱(chēng)為反向擊穿電壓UBR。

(3)反向電流IR——

在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級(jí)；鍺二極管在微安(A)級(jí)。當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時(shí),其兩端電壓近似為常數(shù)穩(wěn)定電壓四、穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管正向同二極管反偏電壓≥UZ反向擊穿＋UZ－限流電阻

穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ——(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ——

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。

rZ=U

/I

rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

(3)最小穩(wěn)定工作電流IZmin——

保證穩(wěn)壓管擊穿所對(duì)應(yīng)的電流，若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。

(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax——

超過(guò)Izmax穩(wěn)壓管會(huì)因功耗過(guò)大而燒壞。光電二極管關(guān)于光電二極管的三個(gè)問(wèn)題1.光電二極管的主要特點(diǎn)、電路接法及工作原理2.光電二極管在汽車(chē)上的應(yīng)用舉例3.汽車(chē)自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用哪種傳感器，簡(jiǎn)要說(shuō)明其工作原理光電二極管大家知道，普通二極管在反向電壓作用在處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過(guò)微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計(jì)和制作時(shí)盡量使PN結(jié)的面積相對(duì)較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用在工作的，沒(méi)有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱(chēng)為光電流。光的強(qiáng)度約大，反向電流也約大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成為光電傳感器件。光電二極管曲軸位置傳感器即曲軸位置和轉(zhuǎn)角傳感器，它是電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的重要傳感器之一，主要用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角和活塞上止點(diǎn)位置，以便于發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置發(fā)出點(diǎn)火及噴油指令，提供最佳的點(diǎn)火時(shí)刻及最合理的燃油供給，從而提高車(chē)輛的經(jīng)濟(jì)性及排放的環(huán)保性。除此之外，曲軸位置傳感器還承擔(dān)著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的信號(hào)檢測(cè)功能。根據(jù)傳感器產(chǎn)生信號(hào)的原理不同，曲軸位置傳感器類(lèi)型大致可分為磁脈沖式、霍爾式及光電式三種類(lèi)型。汽車(chē)用整流二極管整流器組件關(guān)于硅整流二極管的三個(gè)問(wèn)題1.什么是正極二極管？什么是負(fù)極二極管？2.一般的硅整流器的組成是怎樣的？3.汽車(chē)發(fā)電機(jī)的正元件板、負(fù)元件板的組成，4.汽車(chē)發(fā)電機(jī)的“電樞”和“外殼”分別為發(fā)電機(jī)的哪個(gè)電極?晶體二極管的簡(jiǎn)易判別辨別二極管的正負(fù)極性和粗略判斷二極管的好壞數(shù)字式萬(wàn)用表指針式萬(wàn)用表使用萬(wàn)用表檢測(cè)二極管的方法1.使用指針式萬(wàn)用表如何檢測(cè)二極管的好壞？2.使用指針式萬(wàn)用表如何判別二極管的極性？3.使用指針式萬(wàn)用表測(cè)量二極管時(shí)注意事項(xiàng)有哪些？4.使用數(shù)字式萬(wàn)用表如何判別二極管的好壞？5.使用數(shù)字式萬(wàn)用表如何判別二極管的極性？6.用數(shù)字式萬(wàn)用表測(cè)量二極管時(shí)注意事項(xiàng)有哪些？二極管的簡(jiǎn)易判別一.BJT的結(jié)構(gòu)NPN型PNP型符號(hào):三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度＞＞集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。--NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極--PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極二．BJT的內(nèi)部工作原理（NPN管）

三極管在工作時(shí)要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸Ｈ粼诜糯蠊ぷ鳡顟B(tài)：發(fā)射結(jié)正偏：+UCE－＋UBE－＋UCB－集電結(jié)反偏：由VBB保證由VCC、

VBB保證UCB=UCE-UBE>0共發(fā)射極接法c區(qū)b區(qū)e區(qū)2/6/2023

（1）因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成了擴(kuò)散電流IEN

。同時(shí)從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成的電流為IEP。但其數(shù)量小，可忽略。所以發(fā)射極電流IE≈

IEN。

（2）發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的空穴復(fù)合掉，形成IBN。所以基極電流IB≈

IBN。大部分到達(dá)了集電區(qū)的邊緣。1．BJT內(nèi)部的載流子傳輸過(guò)程（3）因?yàn)榧娊Y(jié)反偏，收集擴(kuò)散到集電區(qū)邊緣的電子，形成電流ICN

。

另外，集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。2．電流分配關(guān)系三個(gè)電極上的電流關(guān)系:IE=IC+IB定義：(1)IC與IE之間的關(guān)系:所以:其值的大小約為0.9～0.99。

2/6/2023(2)IC與IB之間的關(guān)系：聯(lián)立以下兩式：得：所以：得：令：三.BJT的特性曲線(xiàn)（共發(fā)射極接法）(1)輸入特性曲線(xiàn)

iB=f(uBE)

uCE=const（1）uCE=0V時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)。等同PN結(jié)的特性曲線(xiàn)（3）uCE≥1V再增加時(shí)，曲線(xiàn)右移很不明顯。

（2）當(dāng)uCE=1V時(shí)，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開(kāi)始收集電子，所以基區(qū)復(fù)合減少，在同一uBE電壓下，iB減小。特性曲線(xiàn)將向右稍微移動(dòng)一些。死區(qū)電壓硅0.5V鍺0.1V導(dǎo)通壓降硅0.7V鍺0.3V

(2)輸出特性曲線(xiàn)iC=f(uCE)

iB=const

現(xiàn)以iB=60uA一條加以說(shuō)明。

（1）當(dāng)uCE=0

V時(shí)，因集電極無(wú)收集作用，iC=0。（2）uCE↑→Ic

↑

。（3）當(dāng)uCE＞1V后，收集電子的能力足夠強(qiáng)。這時(shí)，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成iC。所以u(píng)CE再增加，iC基本保持不變。同理，可作出iB=其他值的曲線(xiàn)。

輸出特性曲線(xiàn)可以分為三個(gè)區(qū)域:飽和區(qū)——iC受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uCE＜0.7

V。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。截止區(qū)——iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線(xiàn)的下方。此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)——曲線(xiàn)基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。該區(qū)中有：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)四.BJT的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)（2）共基極電流放大系數(shù)：

iCE△=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAI△BBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20~200之間2.31.5（1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)：

2.極間反向電流

（2）集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO

基極開(kāi)路時(shí)，集電極到發(fā)射極間的電流——穿透電流。其大小與溫度有關(guān)。

（1）集電極基極間反向飽和電流ICBO

發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，在其集電結(jié)上加反向電壓，得到反向電流。它實(shí)際上就是一個(gè)PN結(jié)的反向電流。其大小與溫度有關(guān)。鍺管：ICBO為微安數(shù)量級(jí)，硅管：ICBO為納安數(shù)量級(jí)。++ICBOecbICEO

3.極限參數(shù)

Ic增加時(shí)，要下降。當(dāng)值下降到線(xiàn)性放大區(qū)值的70％時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱(chēng)為集電極最大允許電流ICM。（1）集電極最大允許電流ICM（2）集電極最大允許功率損耗PCM

集電極電流通過(guò)集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗，

PC=ICUCE

PCM<PCM

（3）反向擊穿電壓

BJT有兩個(gè)PN結(jié)，其反向擊穿電壓有以下幾種：

①

U（BR）EBO——集電極開(kāi)路時(shí)，發(fā)射極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般幾伏～十幾伏。②U（BR）CBO——發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般為幾十伏～幾百伏。③U（BR）CEO——基極開(kāi)路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間允許的最大反向電壓。在實(shí)際使用時(shí)，還有U（BR）CER、U（BR）CES等擊穿電壓。--(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU

1.4三極管的模型及分析方法iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA非線(xiàn)性器件UD=0.7VUCES=0.3ViB≈0iC≈0一.BJT的模型++++i-uBE+-uBCE+Cibeec截止?fàn)顟B(tài)ecb放大狀態(tài)UDβIBICIBecb發(fā)射結(jié)導(dǎo)通壓降UD硅管0.7V鍺管0.3V飽和狀態(tài)ecbUDUCES飽和壓降UCES硅管0.3V鍺管0.1V直流模型二.BJT電路的分析方法（直流）1.模型分析法（近似估算法）(模擬p58~59)VCCVBBRbRc12V6V4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC例：共射電路如圖，已知三極管為硅管，β=40，試求電路中的直流量IB、

IC、UBE、UCE。+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC0.7VβIBecbIC+VCCRc(+12V)4KΩ+UBE—IB+VBBRb(+6V)150KΩ+UCE—解：設(shè)三極管工作在放大狀態(tài)，用放大模型代替三極管。UBE=0.7V2.圖解法模擬(p54~56)VCCVBBRbRc12V6V4KΩ150KΩ+uCE—IB=40μAiC非線(xiàn)性部分線(xiàn)性部分iC=f(uCE)

iB=40μAM(VCC,0)(12,0)(0,3)iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB直流負(fù)載線(xiàn)斜率：UCEQ6VICQ1.5mAIB=40μAIC=1.5mAUCEQ=6V直流工作點(diǎn)Q

半導(dǎo)體三極管的型號(hào)第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開(kāi)關(guān)管用字母表示材料用字母表示器件的種類(lèi)用數(shù)字表示同種器件型號(hào)的序號(hào)用字母表示同一型號(hào)中的不同規(guī)格三極管?chē)?guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：3DG110B2/6/2023

1.5場(chǎng)效應(yīng)管

BJT是一種電流控制元件(iB~iC)，工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱(chēng)為雙極型器件。增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道FET分類(lèi)：

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)管（FieldEffectTransistor簡(jiǎn)稱(chēng)FET）是一種電壓控制器件(uGS~iD)，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。FET因其制造工藝簡(jiǎn)單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。一.絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡(jiǎn)稱(chēng)MOSFET。分為：

增強(qiáng)型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道

1.N溝道增強(qiáng)型MOS管

（1）結(jié)構(gòu)4個(gè)電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底B。符號(hào)：

當(dāng)uGS＞0V時(shí)→縱向電場(chǎng)→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。（2）工作原理

當(dāng)uGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會(huì)形成電流，即管子截止。

再增加uGS→縱向電場(chǎng)↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導(dǎo)電溝道，如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。①柵源電壓uGS的控制作用

定義：開(kāi)啟電壓（UT）——?jiǎng)倓偖a(chǎn)生溝道所需的柵源電壓UGS。

N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性：

uGS＜UT，管子截止，

uGS＞UT，管子導(dǎo)通。

uGS越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流ID越大。

②漏源電壓uDS對(duì)漏極電流id的控制作用

當(dāng)uGS＞UT，且固定為某一值時(shí)，來(lái)分析漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的影響。（設(shè)UT=2V，uGS=4V）

（a）uds=0時(shí)，id=0。（b）uds↑→id↑；同時(shí)溝道靠漏區(qū)變窄。（c）當(dāng)uds增加到使ugd=UT時(shí)，溝道靠漏區(qū)夾斷，稱(chēng)為預(yù)夾斷。（d）uds再增加，預(yù)夾斷區(qū)加長(zhǎng)，uds增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上，id基本不變。（3）特性曲線(xiàn)

四個(gè)區(qū)：（a）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。

①輸出特性曲線(xiàn)：iD=f(uDS)uGS=const（b）恒流區(qū)也稱(chēng)飽和區(qū)（預(yù)夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

（d）擊穿區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)

②轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)：iD=f(uGS)uDS=const

可根據(jù)輸出特性曲線(xiàn)作出移特性曲線(xiàn)。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)：UT

一個(gè)重要參數(shù)——跨導(dǎo)gm：gm=iD/uGS

uDS=const(單位mS)

gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。

在轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)上，gm為的曲線(xiàn)的斜率。在輸出特性曲線(xiàn)上也可求出gm。

2.N溝道耗盡型MOSFET特點(diǎn)：

當(dāng)uGS=0時(shí)，就有溝道，加入uDS，就有iD。當(dāng)uGS＞0時(shí)，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。

當(dāng)uGS＜0時(shí)，溝道變窄，iD減小。

在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)uGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。

定義：