常用半導體器件

第一章常用半導體器件第一章

常用半導體器件§1.1半導體基礎知識§1.2半導體二極管§1.3晶體三極管§1.4場效應管§1半導體基礎知識一、本征半導體二、雜質半導體三、PN結的形成及其單向導電性四、PN結的電容效應一、本征半導體導電性介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。本征半導體是純凈的晶體結構的半導體。1、什么是半導體？什么是本征半導體？導體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。絕緣體－－惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到相當程度時才可能導電。半導體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。無雜質穩(wěn)定的結構2、本征半導體的結構由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子自由電子的游離使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴

自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。共價鍵一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。動態(tài)平衡兩種載流子

外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導電，且運動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故本征半導體導電性很差。為什么要將半導體變成導電性很差的本征半導體？3、本征半導體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子。溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導電性增強。熱力學溫度0K時不導電。二、雜質半導體

1.N型半導體磷（P）

雜質半導體主要靠多數(shù)載流子導電。摻入雜質越多，多子濃度越高，導電性越強，實現(xiàn)導電性可控。多數(shù)載流子空穴比未加雜質時的數(shù)目多了？少了？為什么？2.P型半導體硼（B）多數(shù)載流子

P型半導體主要靠空穴導電，摻入雜質越多，空穴濃度越高，導電性越強，

在雜質半導體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？三、PN結的形成及其單向導電性

物質因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。擴散運動P區(qū)空穴濃度遠高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠高于P區(qū)。擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內電場。PN結的形成

因電場作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。

參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了PN結。漂移運動

由于擴散運動使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內電場，從而阻止擴散運動的進行。內電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動。PN結加正向電壓導通：耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形成擴散電流，PN結處于導通狀態(tài)。PN結加反向電壓截止：耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認為其截止(不導通)。PN結的單向導電性必要嗎？IS：反向飽和電流UT：溫度的電壓當量在常溫(300K)下，

UT

26mVPN結的電流方程PN結所加端電壓u與流過的電流i的關系為公式推導過程見第3版PN結的伏安特性i=f

(u

)之間的關系曲線。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性擊穿電壓U(BR)反向特性圖1.1.8

PN結的伏安特性反向擊穿齊納擊穿雪崩擊穿四、PN結的電容效應當PN上的電壓發(fā)生變化時，PN結中儲存的電荷量將隨之發(fā)生變化，使PN結具有電容效應。電容效應包括兩部分勢壘電容擴散電容1.勢壘電容Cb是由PN結的空間電荷區(qū)變化形成的。(a)PN結加正向電壓（b)PN結加反向電壓-N空間電荷區(qū)PVRI+UN空間電荷區(qū)PRI+-UV空間電荷區(qū)的正負離子數(shù)目發(fā)生變化，如同電容的放電和充電過程。勢壘電容的大小可用下式表示：由于PN結寬度l隨外加電壓u而變化，因此勢壘電容Cb不是一個常數(shù)。其Cb=f(U)

曲線如圖示。

：半導體材料的介電比系數(shù)；S：結面積；l：耗盡層寬度。OuCb圖1.1.9（b)2.擴散電容Cd

Q是由多數(shù)載流子在擴散過程中積累而引起的。在某個正向電壓下，P區(qū)中的電子濃度np(或N區(qū)的空穴濃度pn)分布曲線如圖中曲線1所示。x=0處為P與耗盡層的交界處當電壓加大，np

(或pn)會升高，如曲線2所示(反之濃度會降低)。OxnPQ12

Q當加反向電壓時，擴散運動被削弱，擴散電容的作用可忽略。

Q正向電壓變化時，變化載流子積累電荷量發(fā)生變化，相當于電容器充電和放電的過程——擴散電容效應。PNPN結綜上所述：PN結總的結電容Cj

包括勢壘電容Cb

和擴散電容Cd

兩部分。Cb

和Cd

值都很小，通常為幾個皮法~幾十皮法，有些結面積大的二極管可達幾百皮法。當反向偏置時，勢壘電容起主要作用，可以認為Cj

Cb。一般來說，當二極管正向偏置時，擴散電容起主要作用，即可以認為Cj

Cd；在信號頻率較高時，須考慮結電容的作用。結電容：問題為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制成本征半導體，導電性能極差，又將其摻雜，改善導電性能？為什么半導體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？為什么半導體器件有最高工作頻率？§2半導體二極管一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓二極管六、其它類型二極管

一、二極管的組成將PN結封裝，引出兩個電極，就構成了二極管。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管

一、二極管的組成點接觸型：結面積小，結電容小，故結允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結面積大，結電容大，故結允許的電流大，最高工作頻率低。平面型：結面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結允許的電流大。

二、二極管的伏安特性及電流方程開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓溫度的電壓當量二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。材料開啟電壓導通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA硅二極管2CP10的伏安特性正向特性反向特性反向擊穿特性開啟電壓：0.5V導通電壓：0.7鍺二極管2AP15的伏安特性UonU(BR)開啟電壓：0.1V導通電壓：0.2V從二極管的伏安特性可以反映出：

1.單向導電性2.

伏安特性受溫度影響T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線增大1倍/10℃三、二極管的等效電路理想二極管近似分析中最常用理想開關導通時UD＝0截止時IS＝0導通時UD＝Uon截止時IS＝0導通時△i與△u成線性關系應根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！1.將伏安特性折線化？100V？5V？1V？2.微變等效電路Q點越高，rd越小。

當二極管在靜態(tài)基礎上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用小信號作用靜態(tài)電流四、二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF：最大平均值最大反向工作電壓UR：最大瞬時值反向電流IR：即IS最高工作頻率fM：因PN結有電容效應

例1.2.1電路如圖所示，UD=0.7V，試估算開關斷開和閉合輸出電壓UO

。V1=6VV1=12VDSR應用舉例例1：P69習題1.2解：采用理想電路模型ui和uo的波形如圖所示

討論：解決兩個問題如何判斷二極管的工作狀態(tài)？什么情況下應選用二極管的什么等效電路？uD=V－iRQIDUDV與uD可比，則需圖解：實測特性對V和Ui二極管的模型有什么不同？五、穩(wěn)壓二極管1.伏安特性進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流

由一個PN結組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。2.主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流IZ最大功耗PZM＝IZMUZ動態(tài)電阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！限流電阻斜率？穩(wěn)壓二極管的應用RLuiuORDZiiziLUZ穩(wěn)壓二極管技術數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負載電阻RL=2k

，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200，求iZ。若負載電阻變化范圍為1.5k--4k

，是否還能穩(wěn)壓？RLuiuORDZiiziLUZUZ=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）負載變化,但iZ仍在12mA和2mA之間,所以穩(wěn)壓管仍能起穩(wěn)壓作用一、發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)1.符號和特性工作條件：正向偏置一般工作電流幾十mA，

導通電壓(1

2)V符號u/Vi

/mAO2特性六、其它類型的二極管

發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠顯示類型：普通LED，不可見光：紅外光點陣LED七段LED,二、光電二極管符號和特性符號特性uiOE=200lxE=400lx工作原理：三、變容二極管四、隧道二極管五、肖特基二極管無光照時，與普通二極管一樣。有光照時，分布在第三、四象限。作業(yè)1.31.41.61.7§1.3晶體三極管一、晶體管的結構和符號二、晶體管的放大原理三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性四、溫度對晶體管特性的影響五、主要參數(shù)

一、晶體管的結構和符號多子濃度高多子濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個PN結。小功率管中功率管大功率管為什么有孔？我國晶體管得型號命名方法

晶體管的結構及類型常用的三極管的結構有硅平面管和鍺合金管兩種類型。三極管的結構(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)ebbecPNPe發(fā)射極，b基極，c集電極。NcNP二氧化硅發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)二、晶體管的放大原理以NPN型三極管為例討論cNNPebbec表面看三極管若實現(xiàn)放大，必須從三極管內部結構和外部所加電源的極性來保證。不具備放大作用三極管內部結構要求：NNPebcNNNPPP1.發(fā)射區(qū)高摻雜。2.基區(qū)做得很薄。通常只有幾微米到幾十微米，而且摻雜較少。

三極管放大的外部條件：外加電源的極性應使發(fā)射結處于正向偏置狀態(tài)，而集電結處于反向偏置狀態(tài)。3.集電結面積大。becRcRb1、晶體管內部載流子的運動IEIB發(fā)射結加正向電壓，擴散運動形成發(fā)射極電流發(fā)射區(qū)的電子越過發(fā)射結擴散到基區(qū)，基區(qū)的空穴擴散到發(fā)射區(qū)—形成發(fā)射極電流

IE

(基區(qū)多子數(shù)目較少，空穴電流可忽略)。2.擴散到基區(qū)的自由電子與空穴的復合運動形成基極電流

電子到達基區(qū)，少數(shù)與空穴復合形成基極電流Ibn，復合掉的空穴由VBB

補充。多數(shù)電子在基區(qū)繼續(xù)擴散，到達集電結的一側。晶體管內部載流子的運動becIEIBRcRb3.集電結加反向電壓，漂移運動形成集電極電流Ic

集電結反偏，有利于收集基區(qū)擴散過來的電子而形成集電極電流

Icn。其能量來自外接電源VCC。IC另外，集電區(qū)和基區(qū)的少子在外電場的作用下將進行漂移運動而形成反向飽和電流，用ICBO表示。ICBO晶體管內部載流子的運動beceRcRb2、晶體管的電流分配關系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBO

IE=IEn+IEp

=ICn+IBn+IEp

IE=IC+IB圖晶體管內部載流子的運動與外部電流IB=IEp+

IBn－ICBO

=I’B－ICBO3、晶體管的共射電流放大系數(shù)整理可得：ICBO稱反向飽和電流ICEO稱穿透電流3.1共射直流電流放大系數(shù)3.2共射交流電流放大系數(shù)VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+共發(fā)射極接法3.3共基直流電流放大系數(shù)或3.4共基交流電流放大系數(shù)直流參數(shù)與交流參數(shù)

、

的含義是不同的，但是，對于大多數(shù)三極管來說，

與

，與

的數(shù)值卻差別不大，計算中，可不將它們嚴格區(qū)分。3.5

與

的關系ICIE+C2+C1VEEReVCCRc共基極接法晶體管的放大原理小結

擴散運動形成發(fā)射極電流IE，復合運動形成基極電流IB，漂移運動形成集電極電流IC。少數(shù)載流子的運動因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴散到基區(qū)的電子與空穴復合因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大部分擴散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴散電流分配：

IE＝IB＋IC

IE－擴散運動形成的電流

IB－復合運動形成的電流

IC－漂移運動形成的電流穿透電流集電結反向電流直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性為什么UCE增大曲線右移？

對于小功率晶體管，UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以取代UCE大于1V的所有輸入特性曲線。為什么像PN結的伏安特性？為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了？1.輸入特性2.輸出特性β是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下?對應于一個IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。為什么uCE較小時iC隨uCE變化很大？為什么進入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)晶體管的三個工作區(qū)域

晶體管工作在放大狀態(tài)時，輸出回路的電流iC幾乎僅僅決定于輸入回路的電流iB，即可將輸出回路等效為電流iB

控制的電流源iC

。狀態(tài)uBEiCuCE截止＜UonICEOVCC放大≥UonβiB≥uBE飽和≥Uon＜βiB≤uBE四、溫度對晶體管特性的影響五、主要參數(shù)

直流參數(shù)：、、ICBO、ICEOc-e間擊穿電壓最大集電極電流最大集電極耗散功率，PCM＝iCuCE=Constant安全工作區(qū)交流參數(shù)：β、α、fT（使β＝1的信號頻率）

極限參數(shù)：ICM、PCM、U（BR）CEO討論一由圖示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO

、β。2.7uCE=1V時的iC就是ICMU（BR）CEO清華大學華成英hchya@討論二：利用Multisim測試晶體管的輸出特性利用Multisim分析圖示電路在V2小于何值時晶體管截止、大于何值時晶體管飽和。討論三以V2作為輸入、以節(jié)點1作為輸出，采用直流掃描的方法可得！約小于0.5V時截止約大于1V時飽和描述輸出電壓與輸出電壓之間函數(shù)關系的曲線，稱為電壓傳輸特性?！?.4場效應管（以N溝道為例）

場效應管有三個極：源極（s）、柵極（g）、漏極（d），對應于晶體管的e、b、c；有三個工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對應于晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。1.結型場效應管符號結構示意圖柵極漏極源極導電溝道單極型管∶噪聲小、抗輻射能力強、低電壓工作柵-源電壓對導電溝道寬度的控制作用溝道最寬溝道變窄溝道消失稱為夾斷

uGS可以控制導電溝道的寬度。為什么g-s必須加負電壓？UGS（off）漏-源電壓對漏極電流的影響uGS＞UGS（off）且不變，VDD增大，iD增大。預夾斷uGD＝UGS（off）

VDD的增大，幾乎全部用來克服溝道的電阻，iD幾乎不變，進入恒流區(qū)，iD幾乎僅僅決定于uGS。場效應管工作在恒流區(qū)的條件是什么？uGD>UGS（off）uGD<UGS（off）夾斷電壓漏極飽和電流轉移特性場效應管工作在恒流區(qū)，因而uGS＞UGS（off）且uGD＜UG