第三章基本電子器件-課件

第三章基本電子器件

——昨夜西鳳凋碧樹,獨(dú)上高樓,望盡天涯路。晏殊

基本內(nèi)容：半導(dǎo)體的類型及導(dǎo)電，PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管，半導(dǎo)體三極管及特性。 教學(xué)要求：掌握半導(dǎo)體的類型、PN結(jié)、二極管三極管的構(gòu)成、原理。 本章重點(diǎn)：PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管，半導(dǎo)體三極管及特性。 本章難點(diǎn)：半導(dǎo)體三極管及特性。第一節(jié)半導(dǎo)體的類型及導(dǎo)電性第二節(jié)PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管第三節(jié)半導(dǎo)體三極管及特性第一節(jié)半導(dǎo)體的類型及導(dǎo)電性

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來(lái)劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的電阻率為～cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。(1)本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。

硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖如下：

硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖

(c)(a)硅晶體的空間排列(b)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖

（2）電子空穴對(duì)當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí)，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)?？梢娨驘峒ぐl(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如下圖所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。本征激發(fā)和復(fù)合的過程

(3)空穴的移動(dòng)

自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，空穴的導(dǎo)電能力不如自由電子（見右圖）空穴在晶格中的移動(dòng)（4）N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。

因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因自由電子脫離而帶正電荷成為正離子，因此，五價(jià)雜質(zhì)原子也被稱為施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。

N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。因三價(jià)雜質(zhì)原子與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。

P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如右圖所示。

P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖

第二節(jié)PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管1

PN結(jié)的形成

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散最后多子擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為

PN結(jié),在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

PN結(jié)的形成過程

PN結(jié)形成的過程可參閱右圖。如果外加電壓使PN結(jié)中：P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕敉饧与妷菏闺娏鲝腜區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。

外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響,PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如右圖

PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如右圖所示。PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，由于漂移電流本身就很小，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。在一定溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。

PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況2半導(dǎo)體二極管接在二極管P區(qū)的引出線稱二極管的陽(yáng)極，接在N區(qū)的引出線稱二極管的陰極。二極管有許多類型。從工藝上分，有點(diǎn)接觸型和面接觸型；按用途分，有整流管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、光電二極管和開關(guān)二極管等。3）最大反向電流是指二極管在常溫下承受最高反向工作電壓時(shí)的反向漏電流，一般很小，但其受溫度影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，顯著增大。

3二極管的參數(shù)1）最大整流電流IFM是指二極管長(zhǎng)期工作時(shí)允許通過的最大正向平均電流值。工作時(shí)，管子通過的電流不應(yīng)超過這個(gè)數(shù)值，否則將導(dǎo)致管子過熱而損壞。2）最高反向工作電壓是指二極管不擊穿所允許加的最高反向電壓。超過此值二極管就有被反向擊穿的危險(xiǎn)。通常為反向擊穿電壓的1/2~2/3，以確保二極管安全工作。

4）最高工作頻率是指保持二極管單向?qū)ㄐ阅軙r(shí)，外加電壓允許的最高頻率。二極管工作頻率與PN結(jié)的極間電容大小有關(guān)，容量越小，工作頻率越高。

4幾種常見的的特殊二極管1、硅穩(wěn)壓管2、發(fā)光二極管3、光敏二極管第三節(jié)半導(dǎo)體三極管及特性

一、半導(dǎo)體三極管的工作原理

三極管是由兩個(gè)PN結(jié)、3個(gè)雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域組成的，因雜質(zhì)半導(dǎo)體有P、N型兩種，所以三極管的組成形式有NPN型和PNP型兩種。三極管基區(qū)很薄，一般僅有1微米至幾十微米厚，發(fā)射區(qū)濃度很高，集電結(jié)截面積大于發(fā)射結(jié)截面積。使用中要注意電源的極性，確保發(fā)射結(jié)永遠(yuǎn)加正向偏置電壓，三極管才能正常工作。1)三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律三極管電流之間為什么具有這樣的關(guān)系呢？這可以通過在三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)解釋。

a.發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子。電源UBB經(jīng)過電阻Rb加在發(fā)射結(jié)上，發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子——自由電子不斷地越過發(fā)射結(jié)而進(jìn)入基區(qū)，形成發(fā)射極電流IE。同時(shí)，基區(qū)多數(shù)載流子也向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，但由于基區(qū)很薄，可以不考慮這個(gè)電流。因此，可以認(rèn)為三極管發(fā)射結(jié)電流主要是電子流。

BECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBEb.基區(qū)中的電子進(jìn)行擴(kuò)散與復(fù)合。電子進(jìn)入基區(qū)后，先在靠近發(fā)射結(jié)的附近密集，漸漸形成電子濃度差，在濃度差的作用下，促使電子流在基區(qū)中向集電結(jié)擴(kuò)散，被集電結(jié)電場(chǎng)拉入集電區(qū)，形成集電結(jié)電流IC。也有很小一部分電子與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成復(fù)合電子流。擴(kuò)散的電子流與復(fù)合電子流的比例決定了三極管的放大能力。BECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBEc.集電區(qū)收集電子。由于集電結(jié)外加反向電壓很大，這個(gè)反向電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)力將阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)將擴(kuò)散到集電結(jié)附近的電子拉入集電區(qū)而形成集電結(jié)主電流ICN。另外集電區(qū)的少數(shù)載流子——空穴也會(huì)產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，流向基區(qū)，形成反向飽和電流ICBO，其數(shù)值很小，但對(duì)溫度卻非常敏感。BECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBE2）電流分配關(guān)系定義通常IC>>ICBO則有所以

為共基極電流放大系數(shù)，它只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無(wú)關(guān)。一般

=0.90.99硅:0.1A鍺:10AIE與IC的關(guān)系：BECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBEIB=IBE-ICBOIBE3）放大作用vI=20mViE=-1mARLecb1kVEEVCCIBIEICVEB+vEB放大電路+iEii+-vI+iC+iBvO+-io=0.98iC=iEvO=-iC?

RLvO=0.98V非線性iC=-0.98mAiB=-20A電壓放大倍數(shù)Ri=vI/iE=20輸入電阻共基極放大電路←

二、半導(dǎo)體三極管的特性曲線vCE=0V+-bce共射極放大電路VBBVCCvBEiCiB+-vCE

iB=f(vBE)

vCE=常數(shù)(2)當(dāng)vCE≥1V時(shí)，vCB=vCE-vBE>0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，基區(qū)復(fù)合減少，同樣的vBE下IB減小，特性曲線右移。vCE=0VvCE

1V(1)當(dāng)vCE=0V時(shí)，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。1.輸入特性曲線iC=f(vCE)

iB=常量2.輸出特性曲線輸出特性曲線的三個(gè)區(qū)域:飽和區(qū):iC明顯受vCE控制的區(qū)域，一般vCE＜0.7V(硅管)。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正