第七章常用半導體器件

1、 第二部分 電子技術半導體器件 二極管 三極管 基本放大電路、運算放大器基本放大電路、運算放大器邏輯電路邏輯電路 基本邏輯電路、時序邏基本邏輯電路、時序邏輯輯第七章第七章 常用半導體器件常用半導體器件 學習目標學習目標熟悉半導體的導電特性及熟悉半導體的導電特性及PN結的基本知識；結的基本知識；掌握半導體二極管的結構、工作原理、特性掌握半導體二極管的結構、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)；曲線和主要參數(shù)；掌握半導體三極管的結構、工作原理、輸入掌握半導體三極管的結構、工作原理、輸入輸出特性和主要參數(shù)；輸出特性和主要參數(shù)；了解場效應管的結構、工作原理、伏安特性曲線和主要參數(shù)。 第一節(jié)第一節(jié) 半導體基本知

2、識半導體基本知識 半導體：導電能力介于導體和半導體之間的材料。半導體：導電能力介于導體和半導體之間的材料。常見的半導體材料有常見的半導體材料有硅硅、鍺、硒及許多金屬的氧化、鍺、硒及許多金屬的氧化物和硫化物等。半導體材料多以晶體的形式存在。物和硫化物等。半導體材料多以晶體的形式存在。半導體材料的特性：半導體材料的特性：1. 純凈半導體的導電能力很差；純凈半導體的導電能力很差；2. 溫度升高溫度升高導電能力增強；熱敏元件導電能力增強；熱敏元件3. 光照增強光照增強導電能力增強；光敏元件導電能力增強；光敏元件4. 摻入少量雜質(zhì)摻入少量雜質(zhì)導電能力增強。導電能力增強。完全純凈、具有晶體結構的半導體完全

3、純凈、具有晶體結構的半導體一、本征半導體最常用的半導體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價元素四價元素，每個原子最外層電子數(shù)為 4 。+SiGe提純的硅材料可形成單晶單晶單晶硅單晶硅相鄰原子由外層電子形成共價鍵共價鍵共價鍵共價鍵硅原子價電子價電子受到激發(fā)，激發(fā)，形成自自由電子由電子并留下空穴。空穴。半導體中的自由電子自由電子和空空穴穴都能參與導電半導體具有兩種載流子。載流子的產(chǎn)生產(chǎn)生與復合：復合：共價鍵價電子自由電子和空穴同時產(chǎn)生自由電子和空穴同時產(chǎn)生 本征半導體中的自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，同時又不斷進行復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生與復合會達到動態(tài)平衡，即載流子濃度與溫度有關

4、。溫度愈高，載流子數(shù)目就愈多，導電性能就愈好溫度對半導體器件的性能影響很大。 半導體中的價電子還會受到光照而激發(fā)形成自由電子并留下空穴。光強愈大，光子就愈多，產(chǎn)生的載流子亦愈多，半導體導電能力增強。故半導體器件對光照很敏感。二. N型半導體和P型半導體1. 本征半導體征半導體與摻雜半導體摻雜半導體在常溫下，本征半導體的兩種載流子數(shù)量還是極少的，其導電能力相當?shù)?。如果在半導體晶體中摻入微量雜質(zhì)元素，將得到摻摻雜半導體雜半導體，而摻雜半導體的導電能力將大大提高摻雜半導體的導電能力將大大提高。由于摻入雜質(zhì)元素的不同，摻雜半導體摻雜半導體可分為兩大兩大類類N型型半導體半導體和 P型型半導體半導體。2.

5、 N 型半導體當在硅或鍺的晶體中摻入微量磷(或其它五價元素)時，磷原子與周圍的四個硅原子形成共價鍵后，磷原子的外層電子數(shù)將是 9 ，比穩(wěn)定結構多一個價電子。P+SiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi多余多余電子電子摻入摻入磷雜質(zhì)的硅半導體晶體中雜質(zhì)的硅半導體晶體中，自由電子的數(shù)目大量增加。自由電子是這種半導體的導電方式，稱之為電子半導體或N型半導體。在N型半導體型半導體中電子電子是多多數(shù)載流子子、空穴空穴是少少數(shù)載流子子。室溫情況下，本征硅中n0=p01.51010/cm3，當磷摻雜量在106量級時，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍。3. P型半導體型半導體當在硅或鍺的晶體中摻入微量硼(或

6、其它三價元素)時，硼原子與周圍的四個硅原子形成共價鍵后，硼原子的外層電子數(shù)將是 7 ，比穩(wěn)定結構少一個價電子。B+SiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSi空穴空穴摻硼硼半導體中，空穴空穴的數(shù)目遠大于的數(shù)目遠大于自由電子自由電子的數(shù)的數(shù)目。目。空穴空穴為多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子，多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子，這種半導體稱為這種半導體稱為空穴型半導體空穴型半導體或或P型半導體型半導體。一般情況下，摻雜半導體中多數(shù)載流子的數(shù)量可達到少數(shù)載流子的1010倍或更多，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍。不論是N型半導體還是P型半導體，都只有一種多數(shù)載流子。然而整個半導體晶體仍是電中性的。第二節(jié)

7、第二節(jié) PN結結不論是P型半導體還是N型半導體，都只能看做是一般的導電材料，不具有半導體器件的任何特點。半導體器件的核心是PN結，是采取一定的工藝措施在一塊半導體晶片的兩側(cè)分別制成P型半導體和N型半導體，在兩種半導體的交界面上形成PN結。各種各樣的半導體器件都是以PN結為核心而制成的，正確認識PN結是了解和運用各種半導體器件的關鍵所在。一、PN結的形成PNP區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)多數(shù)載流子將擴散擴散形成耗盡層；耗盡層；耗盡了載流子的交界處留下不可移動的離子形成空間電空間電荷區(qū)；荷區(qū)；（內(nèi)電場）一塊晶片的兩邊分別為P型半導體和N型半導體。內(nèi)電場內(nèi)電場阻礙了多子的繼續(xù)擴散。P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)載流子的運動有兩種形式：

8、擴散擴散 由于載流子濃度梯度濃度梯度引起的載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的運動。漂移漂移 載流子受電場作用電場作用沿電場力方向的運動。耗盡層中載流子的擴散和漂移運動最后達到一種動態(tài)平衡，這樣的耗盡層就是PN結結。PN結內(nèi)電場內(nèi)電場的的方方向向由N區(qū)指向P區(qū)。二、 PN結的單向?qū)щ娦訮N結未加電壓時，載流子的擴散和漂移運動處于動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定。下面討論加有外部電壓時的PN結特性。1. 加 正向電壓正向電壓將外電源的正端接P區(qū)、負端接N區(qū)。外電場與內(nèi)電場方向相反，空間電荷區(qū)變窄。漂移運動變?nèi)?，擴散運動增強，多子形成正向電流。PN內(nèi)電場方向外電場方向+I變窄變窄2. 加 反向電壓反向電

9、壓將外電源的正端接N區(qū)、負端接P 區(qū)。外電場與內(nèi)電場方向相同，空間電荷區(qū)變寬。擴散運動變?nèi)?，漂移運動增強，參與漂移運動的載流子是少子，反向電流極小。PN內(nèi)電場方向外電場方向+I0變寬變寬少子是由熱激發(fā)產(chǎn)生的，即溫度愈高少子的數(shù)量愈多，故溫度對反向電流的影響很大。PN結結具有具有單向?qū)щ娦?，單向?qū)щ娦?，即即正向?qū)ā⒎聪蚪刂?。正向?qū)?、反向截止。第三?jié)第三節(jié) 半導體二極管半導體二極管將PN結加上電極引線及外殼，就構成了半導體二極管。 PN結是二極管的核心，也是所有半導體器件的核心。一一、 二極管的結構和分類二極管的分類根據(jù)制造二極管的半導體材料 分為硅、鍺等；根據(jù)二極管的結構 分為點接觸、面接觸

10、等；根據(jù)二極管的工作頻率 分為低頻、高頻等；根據(jù)二極管的功能 分為檢波、整流、開關、變?nèi)荨l(fā)光、光敏、觸發(fā)及隧道二極管等；根據(jù)二極管的功率特性 分為小功率、大功率二極管等； 二、二極管的伏安特性二、二極管的伏安特性既然二極管二極管是由 PN 結結構成的，它自然具有著單向?qū)щ娦浴Ｄ撤N硅二極管的電流電壓關系 (伏安特性)可見圖示：由電壓零點分為正向區(qū)正向區(qū)和反向區(qū)反向區(qū)正向正向 由死區(qū)電壓死區(qū)電壓分為死區(qū)和導通區(qū)；(Si0.5V Ge0.2V)U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)4020反向反向 由擊穿電壓擊穿電壓分為截止區(qū)和擊穿區(qū)；三、二極管的主要參數(shù)三、二極管的主

11、要參數(shù)二極管的特性不僅可用伏安曲線表示，也可用一些數(shù)據(jù)進行說明這些數(shù)據(jù)就是二極管的參數(shù)。二極管的主要參數(shù)有：1. 最大整流電流最大整流電流 IOM 二極管長時間使用所允許通過的最大正向平均電流。2. 反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓 URWM 保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，為反向擊穿電壓的1/2至2/3。3. 反向峰值電流反向峰值電流 IRM 二極管加反向峰值電壓時的反向電流值。該值愈大說明二極管的性能愈差，硅管的此參數(shù)值為微安級以下。例例 如圖由RC構成微分電路，當輸入電壓ui為矩形波時，試畫出輸出電壓uo的波形。(設uc0 =U0)CCRDRLuiuRuouitouRtouoto

12、U 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型二極穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型二極管。它在電路中常用作穩(wěn)定電壓的管。它在電路中常用作穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。作用，故稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管的圖形符號：穩(wěn)壓管的伏安特性：U(V)0.400.8-8-4I (mA)204010-20-1030-12反向正向穩(wěn)壓管的伏安特性曲線與普通二極管類似，只是反向曲線更陡一些。U(V)0.400.8-8-4I (mA)204010-20-1030-12反向正向穩(wěn)壓管的使用：穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)，常見電路如下。U iRU oR L在電路中穩(wěn)壓管是反向聯(lián)接的。當U i大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓時，穩(wěn)壓管被擊穿，電流將增大，電

13、阻R兩端的電壓增大，在一定的電流范圍內(nèi)穩(wěn)壓觀兩端的電壓基本不變，輸出電壓U i等于U z 。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：1.穩(wěn)定電壓Uz 指穩(wěn)壓管正常工作時的端電指穩(wěn)壓管正常工作時的端電壓壓。（其數(shù)值具有分散性）2.穩(wěn)定電流IZ 正常工作的參考電流值。正常工作的參考電流值。低于此值穩(wěn)壓效果差。在不超過額定功率的前提下，高于此值穩(wěn)壓效果好，即工作電流越大穩(wěn)壓效果越好。U(V)0I (mA)反向正向UZIZ3.動態(tài)電阻rZ 穩(wěn)壓管子端電壓和通過其電穩(wěn)壓管子端電壓和通過其電流的變化量之比。流的變化量之比。穩(wěn)壓管的反向伏安特性曲線越陡，則動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓效果越好。U(V)0I (mA)反向正向UZIZZZZI

14、UrIZmaxIZUZ4.最大允許耗散功耗 PZM保證穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最保證穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。大功率損耗。其值為穩(wěn)定電壓和允許的最大電流乘積maxZZZMIUP5.電壓溫度系數(shù) U說明穩(wěn)壓值受溫度影響的參數(shù)。如：穩(wěn)壓管2CW18的電壓溫度系數(shù)為0.095% / C 假如在20 C時的穩(wěn)壓值為11V，當溫度升高到50 C時的穩(wěn)壓值將為V3 .1111)2050(100095. 011特別說明：特別說明：穩(wěn)壓管的電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù)有正負之別。0V6UV6U0V6UUZUZUZ很小因此選用6V左右的穩(wěn)壓管，具有較好的溫度穩(wěn)定性。第四節(jié)第四節(jié) 半導體三極管半導體三極管半導體三

15、極管半導體三極管(晶體管晶體管)是最重要的一種半導體器件。是最重要的一種半導體器件。廣泛應用于各種電子電路中。廣泛應用于各種電子電路中。一、 基本結構晶體管最常見的結構有平面型和合金型兩種。平面型都是硅管、合金型主要是鍺管。它們都具有NPN或PNP的三層兩結三層兩結的結構，因而又有NPN和PNP兩類晶體管。其三層分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，并引出發(fā)發(fā)射極射極(E)、基極基極(B)和集電極集電極(C)三個電極。三層之間的兩個PN結結分別稱為發(fā)射結發(fā)射結和集電結集電結。本節(jié)介紹晶體管的結構、特性及參數(shù)的內(nèi)容。N型硅型硅P型型N型型二氧化硅保護膜CBEN型鍺銦球銦球P型P型CEB平面型結構合金型結

16、構NNP發(fā)射結發(fā)射結集電結集電結發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)EBCNPP發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)發(fā)射結發(fā)射結集電結集電結EBCBECBEC二二、 電流分配和放大原理電流分配和放大原理NPN型和PNP型晶體管的工作原理相似，本章只討論前者。如圖，對NPN型晶體管加EB和EC兩個電源，接成共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法構成兩個回路。通過實驗及測量結果，得：(1). BCEIII(2). IC(或IE)比IB大得多，(如表中第三、四列數(shù)據(jù))5.3704.050.1BCII3.3806.030.2IIBCIB(mA) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC(mA) 0.001

17、0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE(mA) 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.054002. 080. 004. 006. 050. 130. 2IIBC(4). 要使晶體管起放大作用，發(fā)射結必須正向偏置、集電結必須反向偏置具有放大作用的外具有放大作用的外部條件部條件。這就是晶體管的電流放大作用，IB的微小變化可以引起IC的較大變化(第三列與第四列的電流增量比)。 IB(mA) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC(mA) 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE(mA) 0.001 0.72 1.54 2.3

18、6 3.18 4.05(3). 當IB=0(基極開路)時，也很小(約為1微安以下)。1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子電流放大作用原理 內(nèi)部載流子運動規(guī)律發(fā)射結處于正向偏置，摻雜濃度較高的發(fā)射區(qū)向基區(qū)進行多子擴散。放大作用的內(nèi)部條件放大作用的內(nèi)部條件： 基區(qū)很薄且摻雜濃度很低。2、電子在基區(qū)的擴散和復合電子在基區(qū)的擴散和復合基區(qū)厚度很小，電子在基區(qū)繼續(xù)向集電結擴散。（但有少部分與空穴復合而形成IBE IB）3.電區(qū)收集擴散電子電區(qū)收集擴散電子集電結為反向偏置使內(nèi)電場內(nèi)電場增強，對從基區(qū)擴散進入集電結的電子具有加速作用而把電子收集到集電區(qū)，形成集電極電流(ICE IC)。由電流分配關系

19、示意圖可知發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入的電子電流IE將分成兩部分ICE和IBE，它們的比值為BCCBOBCBOCBECEIIIIIIII它表示晶體管的電流放大能力，稱為電流放大系數(shù)。 在晶體管中，不僅IC比IB大很多；當IB有微小變化時還會引起IC的較大變化。根據(jù)晶體管放大的外部條件，發(fā)射結必須正向偏置，集電結必須反向偏置。則對于NPN型晶體管0BEU0CEU且BECEUU對于PNP型晶體管0BEU0CEU且BECEUU三、 特性曲線 晶體管的特性曲線是表示一只晶體管各電極電壓與電流之間關系的曲線。是應用晶體管和分析放大電路的重要依據(jù)。最常用的是共發(fā)射極共發(fā)射極接法的輸入特性曲線輸入特性曲線和輸出輸出特性曲線，特性曲線，實驗測繪是得到特性曲線的方法之一。特性曲線的測量電路見右圖。AVmAVECRBIBUCEUBEICEB用晶體管特性圖示儀也可直接測量及顯示晶體管的各個特性曲特性曲線。線。1. 輸入特性曲線輸入特性曲線輸入特性曲線輸入特性曲線當UCE為常數(shù)時的IB與UBE之間的關系曲線。(參見右圖)00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1V3DG6的輸