電子技術(shù)第01講(半導(dǎo)體器件)

1、第第1講講第第10章章 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件10.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)，半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)，P型硅，型硅，N型硅型硅10.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管結(jié)及半導(dǎo)體二極管10.3 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管10.4 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管10.5 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管10.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。Si硅原子硅原子Ge鍺原子鍺原子10.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成制成晶體晶體。完全純凈的

2、、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。在硅和鍺晶體中，每個(gè)原子與其相臨的原在硅和鍺晶體中，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成子之間形成共價(jià)鍵共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。，共用一對(duì)價(jià)電子。硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共共價(jià)鍵共用電子對(duì)用電子對(duì)+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價(jià)電子去價(jià)電子后的原子后的原子共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為鍵中，稱為束縛電子束縛電子，常溫下束縛電子很難，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為脫離共價(jià)鍵成為自由電子自由電子，因此本征半導(dǎo)體，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少

3、，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+410.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。載流子：電子，空穴大大增加。載流子：電子，空穴

4、N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（主要載流子為電子（主要載流子為電子+，電子半導(dǎo)，電子半導(dǎo)體）體）P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（主要載流子為空穴（主要載流子為空穴-，空穴半導(dǎo)，空穴半導(dǎo)體）體）N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相臨的磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，電子幾乎不受束縛，很容易被激

5、發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子施主原子。硅或鍺硅或鍺 +少量磷少量磷 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體多余電子多余電子磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表示型硅表示SiPSiSiP型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相臨的半導(dǎo)體原硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)

6、鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主受主原子原子。硅或鍺硅或鍺 +少量硼少量硼 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體空穴空穴P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體硼原子硼原子P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子空穴被認(rèn)為帶一個(gè)單位的正電荷，并且空穴被認(rèn)為帶一個(gè)單位的正電荷，并且可以移動(dòng)可以移動(dòng)雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體10.2.1 PN 結(jié)的形成結(jié)的

7、形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型型半導(dǎo)體和半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。結(jié)。10.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管結(jié)及半導(dǎo)體二極管P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。荷區(qū)越寬。漂移運(yùn)動(dòng)P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂

8、內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。使空間電荷區(qū)變薄。漂移運(yùn)動(dòng)P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)所以擴(kuò)散和漂所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)?shù)狡胶?，相?dāng)于兩個(gè)區(qū)之間于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的空間電荷區(qū)的厚度固定不變。厚度固定不變。10.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)結(jié)加上正向電壓加上正向電壓、正向偏置正向偏置的意的意思都是：思都是： P區(qū)加正、區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓。區(qū)加負(fù)電壓。 PN結(jié)結(jié)加上反向電壓加上反向電壓、

9、反向偏置反向偏置的意的意思都是：思都是： P區(qū)加負(fù)、區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。區(qū)加正電壓。PN結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置+內(nèi)電場(chǎng)減弱，使擴(kuò)散加強(qiáng)，內(nèi)電場(chǎng)減弱，使擴(kuò)散加強(qiáng)，擴(kuò)散擴(kuò)散 飄移，正向電流大飄移，正向電流大空間電荷區(qū)變薄空間電荷區(qū)變薄PN+_正向電流正向電流PN結(jié)反向偏置結(jié)反向偏置+空間電荷區(qū)變厚空間電荷區(qū)變厚NP+_+內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)，使擴(kuò)散停止，內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)，使擴(kuò)散停止，有少量飄移，反向電流很小有少量飄移，反向電流很小反向飽和電流反向飽和電流很小，很小， A級(jí)級(jí)10.2.3 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管(1)、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管

10、。PNPN符號(hào)符號(hào)陽極陽極陰極陰極(2)、伏安特性、伏安特性UI導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降: : 硅硅管管0.60.7V,鍺鍺管管0.20.3V。反向擊穿電反向擊穿電壓壓U(BR)死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.5V,鍺管鍺管0.2V。UIE+-反向漏電流反向漏電流（很小，（很小， A級(jí)）級(jí)）（3）靜態(tài)電阻）靜態(tài)電阻Rd ，動(dòng)態(tài)電阻，動(dòng)態(tài)電阻 rDUQIQUS+-R靜態(tài)工作點(diǎn)靜態(tài)工作點(diǎn)Q（UQ ，IQ ）（3）靜態(tài)電阻）靜態(tài)電阻Rd ，動(dòng)態(tài)電阻，動(dòng)態(tài)電阻 rDiuIQUQQ IQ UQ靜態(tài)電阻靜態(tài)電阻 ：Rd=UQ/IQ （非線性）（非線性）動(dòng)態(tài)電阻：動(dòng)態(tài)電阻： rD =UQ/ IQ在工作點(diǎn)在工作點(diǎn)Q附近

11、，動(dòng)態(tài)電附近，動(dòng)態(tài)電阻近似為線性，故動(dòng)態(tài)電阻近似為線性，故動(dòng)態(tài)電阻又稱為阻又稱為微變等效電阻微變等效電阻例例1：二極管：死區(qū)電壓：二極管：死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降，正向壓降 0.7V(硅二極管硅二極管) 理想二極管：死區(qū)電壓理想二極管：死區(qū)電壓=0 ，正向壓降，正向壓降=0 RLuiuOuiuott二極管半波整流二極管半波整流例例2：二極管的應(yīng)用：二極管的應(yīng)用RRLuiuRuotttuiuRuo利用二極管的特性可以作半波整流和產(chǎn)生正負(fù)脈沖10.3 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管IZmax+-穩(wěn)壓二極管符號(hào)穩(wěn)壓二極管符號(hào)UIUZIZ穩(wěn)壓二極管特性曲線穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作當(dāng)穩(wěn)壓

12、二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下在反向擊穿狀態(tài)下,當(dāng)工作電流當(dāng)工作電流IZ在在Izmax和和 Izmin之間時(shí)之間時(shí),其兩端電壓近似為其兩端電壓近似為常數(shù)常數(shù)正向同正向同二極管二極管穩(wěn)定穩(wěn)定電流電流穩(wěn)定穩(wěn)定電壓電壓例：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用例：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用RLuiuORDZiiziLUZ穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負(fù)載電阻，負(fù)載電阻RL=2k ，輸入電，輸入電壓壓ui=12V，限流電阻，限流電阻R=200 。若。若負(fù)載電阻負(fù)載電阻變化范圍變化范圍為為1.5 k 4 k ，是否還能穩(wěn)壓？，是否還能穩(wěn)壓？RLuiuORD

13、ZiiziLUZUZW=10V ui=12VR=200 Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k (1.5 k 4 k ) 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=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA）RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）負(fù)載變化負(fù)載變化,但但iZ仍在仍在12mA和和2mA之間之間,所以穩(wěn)所以穩(wěn)壓管仍能起穩(wěn)壓作用壓管仍能起穩(wěn)壓作用穩(wěn)壓二極

14、管考察是否穩(wěn)壓的標(biāo)準(zhǔn)：ImaxImin穩(wěn)壓值10.4 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管10.4.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極NPN型型PNP集電極集電極基極基極發(fā)射極發(fā)射極BCEPNP型型BECNPN型三極管型三極管BECPNP型三極管型三極管三極管符號(hào)三極管符號(hào)NPNCBEPNPCBEBECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極基區(qū)：較薄，基區(qū)：較薄，摻雜濃度低摻雜濃度低集電區(qū)：集電區(qū)：面積較大面積較大發(fā)射區(qū)：摻發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高雜濃度較高發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié)BECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極+ + + + + + + + + + + + + _

15、_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + + + 10.4.2 電流放大原理電流放大原理BECNNPEBRBEc發(fā)射結(jié)正發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射偏，發(fā)射區(qū)電子不區(qū)電子不斷向基區(qū)斷向基區(qū)擴(kuò)散，形擴(kuò)散，形成發(fā)射極成發(fā)射極電流電流IE。IE1進(jìn)入進(jìn)入P區(qū)的電子區(qū)的電子少部分與基區(qū)的少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成空穴復(fù)合，形成電流電流IB ，多數(shù)擴(kuò)，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。散到集電結(jié)。IBBECNNPEBRBEcIE從基區(qū)擴(kuò)從基區(qū)擴(kuò)散來的電散來的電子漂移進(jìn)子漂移進(jìn)入集電結(jié)入集電結(jié)而被收集，而被收集，形成形成IC。IC

16、2ICIB要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。正偏，集電結(jié)反偏。靜態(tài)電流放大倍數(shù)靜態(tài)電流放大倍數(shù)靜態(tài)電流放大倍數(shù)，動(dòng)態(tài)電流放大倍數(shù)靜態(tài)電流放大倍數(shù)，動(dòng)態(tài)電流放大倍數(shù) = IC / IBIC = IB動(dòng)態(tài)電流放大倍數(shù)動(dòng)態(tài)電流放大倍數(shù)IB ： IB + IBIC ： IC + IC = IC / IB一般認(rèn)為：一般認(rèn)為： = = ，近似為一常數(shù)，近似為一常數(shù)， 值范圍：值范圍：20100 IC = IB10.4.3 特性曲線特性曲線ICmA AVVUCEUBERBIBUSCUSB 實(shí)驗(yàn)線路實(shí)驗(yàn)線路(共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法)CBERC IB 與與U

17、BE的關(guān)系曲線（同二極管）的關(guān)系曲線（同二極管）（1）輸入特性）輸入特性IB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V 死區(qū)電壓，死區(qū)電壓，硅管硅管0.5V工作壓降：工作壓降： 硅管硅管UBE 0.7V（2）輸出特性）輸出特性(IC與與UCE的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線)IC(mA )1234UCE(V)3691240 A60 AQQ = IC / IB =2 mA/ 40 A=50 = IC / IB =(3-2)mA/(60-40) A=50 = IC / IB =3 mA/ 60 A=50輸出特性輸出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60

18、A80 A100 A當(dāng)當(dāng)UCE大于一定的數(shù)大于一定的數(shù)值時(shí)，值時(shí)，IC只與只與IB有關(guān)，有關(guān)，IC= IB , 且且 IC = IB 。此區(qū)域此區(qū)域稱為線稱為線性放大區(qū)。性放大區(qū)。此區(qū)域中此區(qū)域中UCE UBE,集集電結(jié)正偏，電結(jié)正偏， IBIC，UCE 0.3V稱為飽和區(qū)。稱為飽和區(qū)。此區(qū)域中此區(qū)域中 : IB=0 , IC=ICEO , UBEIC，UCE 0.3V (3) 截止區(qū)截止區(qū) UBE 死區(qū)電壓，死區(qū)電壓， IB=0 ， IC=ICEO 0 例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 當(dāng)當(dāng)USB = -2V，2V，5V時(shí)，時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)晶體管

19、的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位位于哪個(gè)區(qū)？于哪個(gè)區(qū)？USB =-2V， IB=0 ， IC=0，Q位于截止區(qū)位于截止區(qū) USB =2V， IB= (USB -UBE)/ RB =(2-0.7)/70=0.019 mA IC= IB =50 0.019=0.95 mA ICS =2 mA ， Q位于飽位于飽和區(qū)和區(qū)(實(shí)際上，此時(shí)實(shí)際上，此時(shí)IC和和IB 已不是已不是 的關(guān)系）的關(guān)系）三極管的技術(shù)數(shù)據(jù)：（自學(xué)）三極管的技術(shù)數(shù)據(jù)：（自學(xué)）（1）電流放大倍數(shù)）電流放大倍數(shù) （2）集）集-射間穿透電流射間穿透電流ICEO（3）集）集-射間反向擊穿電壓射間反向擊穿電壓UCEO (BR)（4）集電極最大電流）集電極最大電流ICM（5）集電極最大允許功耗）集電極最大允許功耗PCM10.5 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管不同，它是多子場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS場(chǎng)效應(yīng)管有兩種場(chǎng)效應(yīng)管有兩種:N溝道溝道P溝道溝道耗盡型耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型 MOS絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（N溝道）溝道）（1） 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)PNNG