第6章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)要點

1、 熱敏性熱敏性 光敏性光敏性 雜敏性雜敏性 就是純凈就是純凈( (不含雜質(zhì)不含雜質(zhì)) )且具有完整晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。且具有完整晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。 對共有價電子所形成的束縛作用叫做對共有價電子所形成的束縛作用叫做。 可以參與導(dǎo)電的帶電粒子，稱為載流子?？梢詤⑴c導(dǎo)電的帶電粒子，稱為載流子。 自由電子和空穴總是相伴而生、成對出現(xiàn)的，稱為自由電子和空穴總是相伴而生、成對出現(xiàn)的，稱為自由電子自由電子- -空穴對?？昭▽?。 N N 型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體硅晶體內(nèi)摻入微量的五型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體硅晶體內(nèi)摻入微量的五價元素磷構(gòu)成。價元素磷構(gòu)成。 自由電子數(shù)遠超過空穴數(shù)，以電子導(dǎo)電為主的雜質(zhì)自由電子數(shù)遠超過空

2、穴數(shù)，以電子導(dǎo)電為主的雜質(zhì)半導(dǎo)體為電子型半導(dǎo)體半導(dǎo)體為電子型半導(dǎo)體( () )。 自由電子是多數(shù)載流子，簡稱自由電子是多數(shù)載流子，簡稱。 空穴是少數(shù)載流子，簡稱空穴是少數(shù)載流子，簡稱。 在在N N型半導(dǎo)體中，整個晶體呈電中性。型半導(dǎo)體中，整個晶體呈電中性。 P P型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體硅晶體內(nèi)摻入微量的三價元素硼構(gòu)成。型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體硅晶體內(nèi)摻入微量的三價元素硼構(gòu)成。 以空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體，稱為空穴型半導(dǎo)體以空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體，稱為空穴型半導(dǎo)體(P(P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體) )。 空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。整個晶體呈電中性?？昭ㄊ嵌鄶?shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。整個晶體呈

3、電中性。 通過摻雜工藝，使一塊完整的半導(dǎo)體晶片的一邊為通過摻雜工藝，使一塊完整的半導(dǎo)體晶片的一邊為P P型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，另一邊為另一邊為N N型半導(dǎo)體，兩種半導(dǎo)體的交界處形成一個具有特殊物理性型半導(dǎo)體，兩種半導(dǎo)體的交界處形成一個具有特殊物理性質(zhì)的帶電薄層，稱為質(zhì)的帶電薄層，稱為PNPN結(jié)。結(jié)。 交界處兩側(cè)，因濃度差作用產(chǎn)生的定向運動稱為多子的擴散運動。交界處兩側(cè)，因濃度差作用產(chǎn)生的定向運動稱為多子的擴散運動。 帶異性電荷的薄層，稱為空間電荷區(qū)，或稱為帶異性電荷的薄層，稱為空間電荷區(qū)，或稱為PNPN結(jié)。結(jié)。 空間電荷區(qū)內(nèi)部電荷產(chǎn)生一個電場，稱為內(nèi)電場?？臻g電荷區(qū)內(nèi)部電荷產(chǎn)生一個電場，稱為內(nèi)電

4、場。 PN PN結(jié)外加正向電壓時結(jié)外加正向電壓時( (又稱正向偏置又稱正向偏置) )，正向電阻較小，正向電流，正向電阻較小，正向電流較大，處于導(dǎo)通狀態(tài)；較大，處于導(dǎo)通狀態(tài)；PNPN結(jié)外加反向電壓時結(jié)外加反向電壓時( (又稱反向偏置又稱反向偏置) )，反向，反向電阻很大，反向電流很小，處于截止狀態(tài)。電阻很大，反向電流很小，處于截止狀態(tài)。PNPN結(jié)的這種特性稱為結(jié)的這種特性稱為，它是，它是PNPN結(jié)最重要的特性。結(jié)最重要的特性。 PN PN結(jié)有一定的電容效應(yīng)。結(jié)有一定的電容效應(yīng)。 外加電壓改變時，空間電荷區(qū)的電荷量將隨著改變，外加電壓改變時，空間電荷區(qū)的電荷量將隨著改變，這些現(xiàn)象都和電容器的作用類

5、似，稱之為這些現(xiàn)象都和電容器的作用類似，稱之為。 PN PN結(jié)外加電壓的變化，電子濃度和結(jié)外加電壓的變化，電子濃度和N N型半導(dǎo)體區(qū)的空型半導(dǎo)體區(qū)的空穴擴散運動變化，這和電容的充、放電作用類似，稱為穴擴散運動變化，這和電容的充、放電作用類似，稱為。 半導(dǎo)體二極管是將半導(dǎo)體二極管是將PNPN結(jié)外加封裝、引線構(gòu)成結(jié)外加封裝、引線構(gòu)成( (圖圖6.2.5)6.2.5)。從。從P P區(qū)引出區(qū)引出的電極稱為正極或陽極，從的電極稱為正極或陽極，從N N區(qū)引出的電極稱為負極或陰極。二極管區(qū)引出的電極稱為負極或陰極。二極管的電路符號如圖的電路符號如圖6.2.66.2.6，表示二極管具有單向?qū)щ娦?。，表示二極管

6、具有單向?qū)щ娦浴?二極管的種類：按材料分有硅二極管和鍺二極管；按結(jié)構(gòu)分有點二極管的種類：按材料分有硅二極管和鍺二極管；按結(jié)構(gòu)分有點接觸型和面接觸型二極管。接觸型和面接觸型二極管。 點接觸型二極管結(jié)面積小，結(jié)電容也小，高頻性能好，允許通過點接觸型二極管結(jié)面積小，結(jié)電容也小，高頻性能好，允許通過的電流較小。的電流較小。 面接觸型二極管結(jié)面積較大，結(jié)電容也大，可通過較大的電流。面接觸型二極管結(jié)面積較大，結(jié)電容也大，可通過較大的電流。 二極管的伏安特性曲線是流過二極管的電流隨外加偏置電壓變化二極管的伏安特性曲線是流過二極管的電流隨外加偏置電壓變化的關(guān)系曲線，它定量表示了二極管的單向?qū)щ娦浴５年P(guān)系曲線，

7、它定量表示了二極管的單向?qū)щ娦浴?最大整流電流最大整流電流I IVDMVDM，是指二極管長時間使用時所允許通過的，是指二極管長時間使用時所允許通過的最大正向平均電流值。最大正向平均電流值。 最高反向工作電壓最高反向工作電壓U URMRM，是指二極管上允許外加的最大反向，是指二極管上允許外加的最大反向電壓瞬時值。電壓瞬時值。 最大反向電流最大反向電流I IRMRM，是指在一定的環(huán)境溫度下，二極管上外，是指在一定的環(huán)境溫度下，二極管上外加最高反向工作電壓時流過的電流，常稱為反向飽和電流。加最高反向工作電壓時流過的電流，常稱為反向飽和電流。 最高工作頻率，當二極管的工作頻率超過這個數(shù)值時，二最高工作

8、頻率，當二極管的工作頻率超過這個數(shù)值時，二極管將失去單向?qū)щ娦?。極管將失去單向?qū)щ娦浴?3 3個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)；個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)；3 3個電極：發(fā)射極、基極、集電極。個電極：發(fā)射極、基極、集電極。 發(fā)射區(qū)與基區(qū)間的發(fā)射區(qū)與基區(qū)間的PNPN結(jié)叫發(fā)射結(jié)，集電區(qū)與基區(qū)間的結(jié)叫發(fā)射結(jié)，集電區(qū)與基區(qū)間的PNPN結(jié)叫集電結(jié)。結(jié)叫集電結(jié)。 3 3個半導(dǎo)體區(qū)的不同組合方式，三極管又可分為個半導(dǎo)體區(qū)的不同組合方式，三極管又可分為NPNNPN型和型和PNPPNP型。型。 基區(qū)很薄，一般只有幾微米的寬度，而且雜質(zhì)濃度基區(qū)很薄，一般只有幾微米的寬度，而且雜質(zhì)濃度很低。很低。 發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)濃度遠高于

9、基區(qū)的雜質(zhì)濃度，以便于發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)濃度遠高于基區(qū)的雜質(zhì)濃度，以便于有足夠的載流子供有足夠的載流子供“發(fā)射發(fā)射”。 集電區(qū)的面積較大，以利于收集載流子。集電區(qū)的面積較大，以利于收集載流子。 由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)多數(shù)載流子越過發(fā)射結(jié)向基區(qū)擴由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)多數(shù)載流子越過發(fā)射結(jié)向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流散，形成發(fā)射極電流I IE E。 進入基區(qū)的電子，向集電結(jié)方向擴散，由于集電結(jié)反偏，進入基區(qū)的電子，向集電結(jié)方向擴散，由于集電結(jié)反偏，在內(nèi)電場作用下，大量漂移到集電區(qū)，形成集電極電流在內(nèi)電場作用下，大量漂移到集電區(qū)，形成集電極電流I IC C。 在基區(qū)中，擴散到集電區(qū)的電子數(shù)與復(fù)合的電子數(shù)的比

10、例在基區(qū)中，擴散到集電區(qū)的電子數(shù)與復(fù)合的電子數(shù)的比例決定晶體管的放大能力。復(fù)合電子數(shù)只占很小的一部分，即決定晶體管的放大能力。復(fù)合電子數(shù)只占很小的一部分，即I IB B遠小于遠小于I IC C。晶體管的電流放大原理就是用較小的基極電流。晶體管的電流放大原理就是用較小的基極電流I IB B去去控制較大的集電極電流控制較大的集電極電流I IC C。 發(fā)射結(jié)兩邊的少數(shù)載流子的漂移運動較弱，不考慮其影響，但由發(fā)射結(jié)兩邊的少數(shù)載流子的漂移運動較弱，不考慮其影響，但由于集電結(jié)反偏，其內(nèi)電場增強，集電結(jié)兩邊的少數(shù)載流子的漂移于集電結(jié)反偏，其內(nèi)電場增強，集電結(jié)兩邊的少數(shù)載流子的漂移運動增強，所形成的電流用運動

11、增強，所形成的電流用I ICBOCBO表示，稱為表示，稱為。 晶體管是一種雙極型半導(dǎo)體器件。晶體管是一種雙極型半導(dǎo)體器件。 輸入特性曲線：輸入特性曲線：U UCECE為一定值時，基極電流為一定值時，基極電流I IB B與基與基- -射極電壓射極電壓U UBEBE之間的關(guān)系曲線。之間的關(guān)系曲線。 數(shù)學表達式：數(shù)學表達式：常數(shù)CE)(BEBUUfI 晶體管的輸入特性曲線與二極管伏安特性曲線相似，也有一晶體管的輸入特性曲線與二極管伏安特性曲線相似，也有一段死區(qū)，硅管約為段死區(qū)，硅管約為0.5V，鍺管約為，鍺管約為0.1V。晶體管正常工作時。晶體管正常工作時U UBEBE變化很小，硅管約變化很小，硅管

12、約0.6V0.8V，鍺管約，鍺管約0.2V0.3V。輸出特性曲線輸出特性曲線: :指基極電流指基極電流I IB B為一定值時，集電極電流為一定值時，集電極電流I IC C與集與集- -射極射極間電壓間電壓U UCECE之間的關(guān)系曲線。數(shù)學表達式：之間的關(guān)系曲線。數(shù)學表達式：常數(shù)B)(CECIUfI 工程上一般把輸出特性曲線分為工程上一般把輸出特性曲線分為：I IB B=0=0以下的區(qū)域。集電極只有很小的穿透電流以下的區(qū)域。集電極只有很小的穿透電流I ICEOCEO ，晶，晶體管可截止。體管可截止。：I IC C與與I IB B的關(guān)系呈飽和狀態(tài)。的關(guān)系呈飽和狀態(tài)。：U UCECE在在1V1V以上

13、，集電極電流以上，集電極電流I IC C基本上不隨基本上不隨U UCECE變化，晶體管變化，晶體管具有近似恒流源的特性。具有近似恒流源的特性。 晶體管工作于放大區(qū)，有晶體管工作于放大區(qū)，有作用，是許多放大電路的核心。作用，是許多放大電路的核心。 晶體管工作于飽和區(qū)與載止區(qū)，有晶體管工作于飽和區(qū)與載止區(qū)，有作用，可構(gòu)成各種脈沖數(shù)作用，可構(gòu)成各種脈沖數(shù)字開關(guān)電路。字開關(guān)電路。晶體管的晶體管的 共發(fā)射極電流放大系數(shù)，用共發(fā)射極電流放大系數(shù)，用 表示：表示：BCII 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)，用共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)，用 表示：表示：BCii 溫度每升高溫度每升高1， 值約增加值約增加0.5%1%

14、集電極集電極-基極反向飽和電流基極反向飽和電流ICBO是發(fā)射極開路時，集電極是發(fā)射極開路時，集電極-基基極間的反向電流。它受溫度變化的影響特別大。極間的反向電流。它受溫度變化的影響特別大。 集電極集電極-發(fā)射極反向電流發(fā)射極反向電流ICEO是基極開路（是基極開路（IB=0）時，集電）時，集電結(jié)反偏、發(fā)射結(jié)正偏時的電流。又稱為穿透電流。結(jié)反偏、發(fā)射結(jié)正偏時的電流。又稱為穿透電流。 溫度穩(wěn)定性差是晶體管的一個主要缺點。溫度穩(wěn)定性差是晶體管的一個主要缺點。 集電極最大允許電流集電極最大允許電流I ICMCM ，集電極電流，集電極電流I IC C超過一定數(shù)值后，電流超過一定數(shù)值后，電流放大系數(shù)放大系數(shù)

15、 顯著下降。當顯著下降。當 值下降到正常值的三分之二時的集電極值下降到正常值的三分之二時的集電極電流，稱為集電極最大允許電流電流，稱為集電極最大允許電流I ICMCM。 集集- -射極擊穿電壓射極擊穿電壓U U(BR)CEO(BR)CEO，它是基極開路時，它是基極開路時(I(IB B=0)=0)，能加在集，能加在集- -射射極之間的最大允許電壓。極之間的最大允許電壓。 集電極最大允許耗散功率集電極最大允許耗散功率P PCMCM，集電極消耗的功率可用集電極耗，集電極消耗的功率可用集電極耗散功率散功率PC=ICUCE表示，根據(jù)晶體管工作時允許的集電結(jié)最高溫度表示，根據(jù)晶體管工作時允許的集電結(jié)最高溫

16、度( (鍺鍺管約為管約為7070，硅管約為，硅管約為150)150)，定出了集電極最大允許耗散功率，定出了集電極最大允許耗散功率P PCMCM，晶體管工作時應(yīng)滿足，晶體管工作時應(yīng)滿足ICUCEPCM的條件。的條件。 晶體管的頻率特性參數(shù)晶體管的頻率特性參數(shù) 場效應(yīng)管也是一種半導(dǎo)體器件，它利用電場的效應(yīng)來控制固體材料場效應(yīng)管也是一種半導(dǎo)體器件，它利用電場的效應(yīng)來控制固體材料的導(dǎo)電能力。它的最大優(yōu)點是具有極高的輸入電阻，其噪聲低、熱穩(wěn)的導(dǎo)電能力。它的最大優(yōu)點是具有極高的輸入電阻，其噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、制造工藝簡單。定性好、抗輻射能力強、制造工藝簡單。 UGS=0，P型襯底上不能形成可

17、以導(dǎo)電的溝道。型襯底上不能形成可以導(dǎo)電的溝道。圖圖6.4.1 N6.4.1 N溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)圖圖6.4.2 N溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管的工作原理溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管的工作原理 UGS超過某一臨界值以后，形成超過某一臨界值以后，形成N型導(dǎo)電溝道。柵極電壓型導(dǎo)電溝道。柵極電壓UGS愈大，愈大，N型型溝道愈厚，溝道電阻愈小。溝道愈厚，溝道電阻愈小。 在漏、源之間接上電源，如圖在漏、源之間接上電源，如圖6.4.2(b)，形成漏極電流，形成漏極電流ID，管子導(dǎo)通。，管子導(dǎo)通。 當漏源電壓當漏源電壓UDS一定時，漏極電流一定時，漏極電流ID和柵源電壓和柵源

18、電壓UGS之間的關(guān)系曲線，之間的關(guān)系曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。ID與與UGS之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為常數(shù)DS)(GSDUUfI 說明柵源輸入電壓說明柵源輸入電壓UGS對漏極輸出電流對漏極輸出電流ID的控制特性，如圖的控制特性，如圖6.4.3( (b)。 圖6.4.3 N溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管的伏安特性曲線 GSDmUIg 當柵源電壓一定時，漏極電流當柵源電壓一定時，漏極電流ID和漏源電壓和漏源電壓UDS之間的關(guān)系曲線，叫做之間的關(guān)系曲線，叫做漏極特性曲線。漏極特性曲線。ID與與UDS之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為 常數(shù)GS)(DSDUUfI 區(qū)，區(qū)，UDS對溝道的影響較小。導(dǎo)電溝道

19、主要受柵源電壓的控制。對溝道的影響較小。導(dǎo)電溝道主要受柵源電壓的控制。ID基基本上與本上與UDS成線性關(guān)系?？砂言搮^(qū)看作是一個受柵源電壓成線性關(guān)系?？砂言搮^(qū)看作是一個受柵源電壓UGS控制的可變電控制的可變電阻區(qū)，也稱非飽和區(qū)。阻區(qū)，也稱非飽和區(qū)。 區(qū)，當區(qū)，當UDS增大到增大到UDS=UGS-UT時，時，UGD=UT，ID基本不變，趨于飽和，基本不變，趨于飽和，稱為飽和區(qū)或恒流區(qū)。稱為飽和區(qū)或恒流區(qū)。ID的大小僅受的大小僅受UGS的控制。的控制。 區(qū)，區(qū)，UDS進一步增大，在柵、漏和柵、源間都可能擊穿，稱擊穿區(qū)。進一步增大，在柵、漏和柵、源間都可能擊穿，稱擊穿區(qū)。DDSdIUr圖圖6.4.4

20、4種絕緣柵型場效應(yīng)管的電路符號種絕緣柵型場效應(yīng)管的電路符號 P溝道MOS管，稱為PMOS。 N溝道MOS管，稱為NMOS。 使用場效應(yīng)管時，要注意各電極電壓的極性不能搞錯，要使用場效應(yīng)管時，要注意各電極電壓的極性不能搞錯，要注意各電壓、電流、耗散功率等數(shù)值不能超過最大允許值。注意各電壓、電流、耗散功率等數(shù)值不能超過最大允許值。 絕緣柵管保存和使用不當時，極易造成管子擊穿。為避免絕緣柵管保存和使用不當時，極易造成管子擊穿。為避免這種情況，決不能讓柵極空懸，使用時要在柵、源之間絕對這種情況，決不能讓柵極空懸，使用時要在柵、源之間絕對保持直流通路，保存時也要用金屬導(dǎo)線將保持直流通路，保存時也要用金屬導(dǎo)線將3個電極短接起來。個電極短接起來。 在焊接時，烙鐵要有良好接地（用三芯插頭）。在焊接時，烙鐵要有良好接地（用三芯插頭）。 半導(dǎo)體的電阻率約在（半導(dǎo)體的電阻率約在（10-41010） m之間，它受溫度、光之間，它受溫度、光照影響很大，可通過摻雜而改變其導(dǎo)電性能。照影響很大，可通過摻雜而改變其導(dǎo)電性能。 純凈的又以晶體結(jié)構(gòu)存在的半導(dǎo)體稱本征半導(dǎo)體，存在兩種