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半導(dǎo)體器件是組成各種電子電路 包括模擬電路和數(shù)字電路 分立元件電路和集成電路的基礎(chǔ) 本章討論半導(dǎo)體的特性 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?二極管 三極管 場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu) 工作原理 特性曲線和主要參數(shù) 第1章 半導(dǎo)體器件 物質(zhì)可分為 導(dǎo)體 10 4 cm如 銅 銀 鋁絕緣體 109 cm如 橡膠 塑料半導(dǎo)體其導(dǎo)電能力介于上面兩者之間 一般為四價(jià)元素的物質(zhì) 即原子最外層的軌道上均有四個(gè)價(jià)電子 所以稱它們?yōu)?價(jià)元素 半導(dǎo)體有 元素半導(dǎo)體 硅 Si 鍺 Ge 等 化合物半導(dǎo)體 砷化鎵 GaAs 等 第一節(jié) 半導(dǎo)體的特性 原子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型 圖1 1 1硅或鍺的簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型 本征半導(dǎo)體通常把非常純凈的 幾乎不含雜質(zhì)的且結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體 在T 0K 相當(dāng)于 273oC 時(shí)半導(dǎo)體不導(dǎo)電 如同絕緣體一樣 如溫度升高 如在室溫條件下 將有少數(shù)價(jià)電子獲得足夠的能量 以克服共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子 其載流子的數(shù)量很少 自由電子的數(shù)量 導(dǎo)電能力很弱 1 1 1本征半導(dǎo)體 束縛電子本征激發(fā)空穴 電子對(duì)兩種載流子 電子與空穴載流子產(chǎn)生與復(fù)合動(dòng)態(tài)平衡載流子濃度與T有關(guān) 圖1 1 3本征激發(fā)現(xiàn)象 在本征半導(dǎo)體中摻入少量的雜質(zhì) 就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的改變 根據(jù)摻入雜質(zhì)的化合價(jià)的不同 雜質(zhì)半導(dǎo)體分為 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體兩大類 一 N型半導(dǎo)體 在4價(jià)硅或鍺的晶體中摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)元素 如磷 銻 砷等 1 1 2雜質(zhì)半導(dǎo)體 施主雜質(zhì) 多數(shù)載流子 多子 少數(shù)載流子 少子 電子型半導(dǎo)體 a b 圖1 1 4N型半導(dǎo)體 a 結(jié)構(gòu)示意圖 b 離子和載流子 不計(jì)本征激發(fā) 受主雜質(zhì) 多子 少子 空穴型半導(dǎo)體 a b 圖1 1 5P型半導(dǎo)體 a 結(jié)構(gòu)示意圖 b 離子和載流子 不計(jì)本征激發(fā) 二 P型半導(dǎo)體 在4價(jià)硅或鍺的晶體中摻入少量的3價(jià)雜質(zhì)元素 如硼 錫 銦等 N半導(dǎo)體 P半導(dǎo)體電中性半導(dǎo)體的特性 1 熱敏性2 摻雜性3 光敏性 1 2 1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦詥渭兊腜型或N型半導(dǎo)體 僅僅是導(dǎo)電能力增強(qiáng)了 因此它還不是電子線路中所需要的半導(dǎo)體器件 若在一塊本征半導(dǎo)體上 兩邊摻入不同的雜質(zhì) 使一邊成為P型半導(dǎo)體 另一邊成為N型半導(dǎo)體 則在兩種半導(dǎo)體的交界面附近形成一層很薄的特殊導(dǎo)電層 PN結(jié) PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ) 第二節(jié) 半導(dǎo)體二極管 1 PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 空間電荷區(qū) 耗盡層 漂移運(yùn)動(dòng) 動(dòng)態(tài)平衡 內(nèi)建電位差 勢(shì)壘區(qū)或阻擋層 a b 圖1 2 1PN結(jié)的形成 a 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) b 平衡狀態(tài)下的PN結(jié) 2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦栽砥?正向偏置 正偏 反向偏置 反偏 正向?qū)?反向截止 a b 圖1 2 2外加電壓時(shí)的PN結(jié) a 正偏 b 反偏 PN結(jié)正偏時(shí)產(chǎn)生較大的正向電流PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài) PN結(jié)反偏時(shí)產(chǎn)生較小的反向電流 PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài) 故PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?1 2 2半導(dǎo)體二極管及其基本特性 a b 圖1 2 3二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) a 結(jié)構(gòu)示意圖 b 符號(hào) 一 二極管的結(jié)構(gòu)與符號(hào) 圖1 2 4二極管的伏安特性曲線 二 二極管 PN結(jié) 伏安特性1 正向特性 死區(qū) 導(dǎo)通電壓或開啟電壓 室溫下 硅管的Uon 0 5V 鍺管的Uon 0 1V 管壓降 硅管UD 0 6 0 8V 鍺管UD 0 1 0 3V 2 反向擊穿特性反向特性 反向飽和電流 反向擊穿電壓 電擊穿 雪崩擊穿 齊納擊穿 熱擊穿需要特別指出的是 普通二極管的反向擊穿電壓較高 一般在幾十伏到幾百伏以上 高反壓管可達(dá)幾千伏 普通二極管在實(shí)際應(yīng)用中不允許工作在反向擊穿區(qū) 二極管的伏安特性方程 可近似用PN結(jié)的伏安特性方程來表示 理論研究表明 PN結(jié)兩端電壓U與流過PN結(jié)的電流I之間的關(guān)系為 1 2 1 Isat 反向飽和電流UT kT q 溫度電壓當(dāng)量 其中k為玻耳茲曼常數(shù) T為絕對(duì)溫度 q為電子電量 在室溫 27 或300K 時(shí)UT 26mV 三 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) 允許通過管子的最大正向平均電流 2 最高反向工作電壓UR 3 反向電流IR 指在室溫下 在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時(shí) 流過管子的反向電流 IR愈小單向?qū)щ娦杂?IR與溫度有關(guān) 少子運(yùn)動(dòng) 4 最高工作頻率 fM值主要決定于PN結(jié)結(jié)電容的大小 結(jié)電容愈大 則fM愈低 四 穩(wěn)壓二極管利用二極管的反向擊穿特性 可將二極管做成一種特殊二極管 穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管穩(wěn)壓二極管的電路符號(hào)如圖1 2 5所示穩(wěn)壓二極管參數(shù) 穩(wěn)定電壓 穩(wěn)定電流 動(dòng)態(tài)電阻 額定功耗 穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù) 五 二極管的分類及其選擇1 二極管的分類按材料的可分為鍺管和硅管 按功能可分為開關(guān)管 整流管 穩(wěn)壓管 變?nèi)莨?發(fā)光管和光電 敏 管等 普通二極管 特殊二極管 按工作電流可分為小電流管和大電流管 按耐壓高低可分為低壓管和高壓管 按工作頻率高低可分為低頻管和高頻管等 2 二極管的選擇 1 要求導(dǎo)通電壓低時(shí)選鍺管 要求反向電流小時(shí)選硅管 要求擊穿電壓高時(shí)選硅管 要求工作頻率高時(shí)選點(diǎn)接觸型高頻管 要求工作環(huán)境溫度高時(shí)選硅管 2 在修理電子設(shè)備時(shí) 如果發(fā)現(xiàn)二極管損壞 則用同型號(hào)的管子來替換 如果找不到同型號(hào)的管子則可改用其他型號(hào)二極管來代替 替代管子的極限參數(shù)IF UR和fM應(yīng)不低于原管 且替代管子的材料類型 硅管或鍺管 一般應(yīng)和原管相同 1 電容效應(yīng)二極管除了單向?qū)щ娦酝?還具有電容效應(yīng) PN結(jié)電容效應(yīng) 即當(dāng)其兩端電壓變化時(shí) 其存儲(chǔ)的電荷也發(fā)生變化 因此就出現(xiàn)充 放電現(xiàn)象 按產(chǎn)生的原因不同分為勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容兩種 1 勢(shì)壘電容Cb 2 擴(kuò)散電容Cd結(jié)電容Cj為兩者之和 即Cj Cb Cd正偏時(shí) Cb Cd Cj主要由勢(shì)壘電容決定 1 2 3二極管的電容效應(yīng) 2 變?nèi)荻O管利用二極管的電容效應(yīng) 可將二極管做成一種特殊二極管 變?nèi)荻O管 其電路符號(hào)如圖1 2 9所示 主要用作可變電容 受電壓控制 必須工作在反偏狀態(tài) 常用于高頻電路中的電調(diào)諧電路 圖1 2 6變?nèi)荻O管的電路符號(hào) 1 光敏特性與光敏二極管半導(dǎo)體具有光敏特性 光照越強(qiáng) 受激產(chǎn)生的電子 空穴對(duì)的數(shù)量越多 普通二極管的外殼都是不透光的利用二極管的光敏特性 可制成一種特殊二極管 光敏二極管 光敏二極管又稱光電二極管 屬于光電子器件 為了便于接受光照 光電二極管的管殼上有一個(gè)玻璃窗口 讓光線透過窗口照射到PN結(jié)的光敏區(qū) 光電二極管的符號(hào)如圖1 2 7 a 所示 1 2 4二極管的光電效應(yīng) a b 圖1 2 7光電二極管的符號(hào)與光電特性的測(cè)量電路 a 符號(hào) b 光電特性的測(cè)量電路 2 發(fā)光二極管發(fā)光二極管的符號(hào)與基本應(yīng)用電路如圖1 2 8所示 顯然 發(fā)光二極管應(yīng)工作在正偏狀態(tài) 且當(dāng)正向電流達(dá)到一定值時(shí)才能發(fā)出光 a b 圖1 2 8光電二極管的符號(hào)與發(fā)光特性的測(cè)量電路 a 符號(hào) b 發(fā)光特性的測(cè)量電路 1 2 5二極管的溫度特性半導(dǎo)體還具有熱敏特性 溫度每升高1 正向壓降減小2 2 5mV 溫度每升高10 反向電流約增大一倍 二極管的反向特性受溫度的影響較大溫度對(duì)二極管的影響是不可避免的 因?yàn)闇囟瓤偸谴嬖谟谄骷写嬖谇医?jīng)常變化的 它有空穴和電子兩種載流子參與導(dǎo)電 故稱雙極型 分為硅管和鍺管 大 中 小功率管 高頻管和低頻管 半導(dǎo)體三極管 簡(jiǎn)稱三極管 就是一種能將直流能量轉(zhuǎn)化為交流能量的器件 這樣的器件也稱為有源器件 第三節(jié) 晶體三極管 半導(dǎo)體三極管又稱為雙極型三極管 BipolarJunctionTransistor BJT 晶體三極管 簡(jiǎn)稱三極管 是最為常用的一種半導(dǎo)體器件 它是通過一定的工藝 將兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合在一起的器件 由于PN結(jié)之間的相互影響 使三極管表現(xiàn)出不同于二極管單個(gè)PN結(jié)的特性而具有電流放大作用 從而使PN結(jié)的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍 本節(jié)將圍繞三極管為什么具有電流放大作用這個(gè)核心問題 討論三極管的結(jié)構(gòu) 內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)過程以及它的各極電流分配關(guān)系 1 3 1三極管的結(jié)構(gòu)與符號(hào) 實(shí)物演示 各類三極管及其外形三極管按結(jié)構(gòu)可分為NPN和PNP兩類 三極管的結(jié)構(gòu) 硅平面型 鍺合金型 三個(gè)區(qū) 基區(qū) 發(fā)射區(qū) 集電區(qū)三個(gè)極 基極 發(fā)射極 集電極三個(gè)結(jié) 發(fā)射結(jié) 集電結(jié) 1 3 2三極管放大原理1 三極管的偏置放大電路中的三極管都需要提供直流電源 并得到一個(gè)合適的偏置 由于三極管有兩個(gè)PN結(jié) 所以偏置的方式有四種 發(fā)射結(jié)正偏 集電極反偏 發(fā)射極反偏 集電結(jié)正偏 二結(jié)均正偏 二結(jié)均反偏 放大電路中的三極管的偏置應(yīng)為發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 NPN型三極管 UC UB UE PNP型三極管 UC UB UE 圖1 3 5NPN三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng) 2 三極管的電流分配關(guān)系 半導(dǎo)體三極管內(nèi)有兩種載流子參于導(dǎo)電 故稱為雙極型三極管 BJT 由節(jié)點(diǎn)電流定律 有IE ICN IBN 1 3 1a IB IBN ICBO 1 3 1b IC ICN ICBO 1 3 1c 由上述三式可得IE IB IC 1 3 2 定義 1 3 3a 稱為共基極直流電流放大系數(shù) 其值一般在0 95至0 995之間 定義 1 3 3b 稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) 其值一般在幾十至幾百之間 由于ICBO一般很小 若忽略ICBO 則有IB IBN 13 4a IC ICN 1 3 4b IE ICN IBN IB IC 1 3 4c 1 3 5a 1 3 5b 因此 1 3 6 1 3 7 且有 1 3 8a 1 3 8b 若考慮ICBO 則由式 1 3 1 1 3 2 和 1 3 3 得 1 3 9 上式第二項(xiàng)用ICEO表示 即于是通常稱ICEO為穿透電流 或集電極 發(fā)射極間反向飽和電流 管子各極的電流及方向如圖2 1 7所示 PNP型管的各極電流方向與NPN型管相反 但電流分配關(guān)系完全相同 三極管三個(gè)電極的電流中 IB最小 IE最大 IC IE 即IE IC IB a b 圖1 3 7三極管各極的電流及方向 a NPN型 b PNP型 1 3 3三極管的共射特性曲線 采用共射接法的三極管的特性曲線稱為共射特性曲線 三極管有三個(gè)電極 而且還有放大作用 所以它的特性曲線要比二極管復(fù)雜的多 常用的是輸入特性曲線和輸出特性曲線 圖1 3 8測(cè)量三極管共射特性曲線的電路 輸入特性曲線反映了三極管輸入端的電流iB和電壓uBE關(guān)系 輸出特性曲線則反映了三極管輸出端的電流iC和電壓uCE的關(guān)系 1 共射輸入特性曲線三極管的共射輸入特性曲線表示當(dāng)管子的輸出電壓uCE為常數(shù)時(shí) 輸入電流iB與輸入電壓uBE之間的關(guān)系曲線 即 在一般情況下 當(dāng)uCE較大 大于1V 時(shí) 三極管工作在正常放大狀態(tài) 則uCE對(duì)iB的影響很小 因此 為使問題簡(jiǎn)單化 將只考慮保證uCE始終大于1V 但并不固定uCE為某一數(shù)值 其誤差很小 圖1 3 9為某硅NPN管的共射輸入特性曲線 1 uCE 0V時(shí) 相當(dāng)于c e極短路 這時(shí)三極管可以看為兩個(gè)二極管的正向并聯(lián) 因此uCE 0V的輸入特性與二極管的正向特性相似 但更陡一些 2 隨著uCE的增大 曲線逐漸右移 這是因?yàn)殡S著uCE的增大 基區(qū)調(diào)寬效應(yīng)使電子在基區(qū)與空穴的復(fù)合減少 在相同的uBE下iB減小 曲線右移 3 uCE 1V以后各條輸入特性曲線密集在一起 幾乎重合 由于在實(shí)際使用時(shí) uCE一般總是大于1V的 因此通常只畫出有用的uCE 1V的那條輸入特性曲線 4 一般硅管的 UBE 0 7V 鍺管的 UBE 0 2V 5 輸入特性是非線性的 總之 三極管的輸入特性曲線與二極管的正向特性相似 因?yàn)閎 e極間是正向偏置的PN結(jié) 2 共射輸出特性曲線共射組態(tài)時(shí) 三極管的輸出電流iC不但取決于輸出電壓uCE 而且與輸入電流iB有關(guān) 三極管的共射輸出特性曲線表示當(dāng)管子的輸入電流iB為某一常數(shù)時(shí) 輸出電流iC與輸出電壓uCE之間的關(guān)系曲線 即 圖1 3 10為某硅NPN三極管的共射輸出特性曲線 1 曲線起始部分較陡 且不同iB曲線的上升部分幾乎重合 這表明uCE很小時(shí) uCE略有增大 iC就很快增加 但iC幾乎不受iB的影響 2 當(dāng)uCE較大 如大于1V 后 曲線比較平坦 但略有上翹 3 輸出特性是非線性的 由共射輸出特性曲線 可以把三極管的工作狀態(tài)分為三個(gè)區(qū)域 截止區(qū) 放大區(qū) 飽和區(qū) 1 截止區(qū)通常把iB 0 此時(shí)iC iE ICEO 的輸出特性曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū) 截止區(qū)的特點(diǎn)是各極電流均很小 接近或等于零 此時(shí)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反偏 三極管失去放大作用且呈高阻狀態(tài) e b c極之間近似看作開路 2 放大區(qū)放大區(qū)指iB 0和uCE uBE的區(qū)域 粗略看來就是圖2 5 4中曲線的平坦部分 在放大區(qū) 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 此時(shí)由于iC iB 則iC隨時(shí)iB而變化 即iC受控于iB 受控特性 同時(shí)iC與uCE基本無關(guān) 即iC對(duì)uCE而言可近似看成恒流 恒流特性 由于 iC iB 所以三極管有電流放大的作用 曲線間的間隔大小反映出 的大小 即管子的電流放大能力 三極管只有工作在放大區(qū)才有放大作用 由于iC受控于iB 所以三極管是一種電流控制型器件 3 飽和區(qū)飽和區(qū)指uCE uBE的區(qū)域 大致是圖2 5 4中曲線靠近縱軸的區(qū)域 在飽和區(qū) 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正偏 三極管也失去放大作用 iC iB不再成立 這時(shí) iC隨uCE而變化 卻幾乎不受iB控制 即 當(dāng)uCE一定時(shí) 即使iB增加 iC卻幾乎不變 這就是飽和現(xiàn)象 由于