第9章 半導(dǎo)體器件

第二部1章半導(dǎo)體二極管和三極管第1章半導(dǎo)體二極管和三極管§1.1半導(dǎo)體的基本知識§1.2PN結(jié)與二極管§1.3半導(dǎo)體三極管§1.4場效應(yīng)管教學要求：理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和放大作用；了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造、工作原理和伏安特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；會分析含有二極管的電路；了解場效應(yīng)管特性§1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。半導(dǎo)體的三個特性

在加熱或光照加強時，半導(dǎo)體的阻值顯著下降，導(dǎo)電能力增強類似于導(dǎo)體。半導(dǎo)體具有熱敏特性和光敏特性是由半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖1-1）所決定的。1.熱敏特性和光敏特性半導(dǎo)體的三個特性

往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。2.摻雜性1.1.1本征半導(dǎo)體

純凈的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體1.本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)（硅）：硅原子外層軌道4個價電子，它與相鄰原子靠得很近，使價電子成為兩個原子公有，形成共價鍵結(jié)構(gòu)。共用電子對2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理1.載流子、自由電子、空穴

載流子：運載電荷的微粒．在絕對溫度T=0K（開爾文）和沒有外界激發(fā)的前提下，本征半導(dǎo)體內(nèi)的價電子全部被束縛在共價鍵中，不能自由運動，被稱為束縛電子，不能參與導(dǎo)電。T光照共價鍵中的某些價電子獲得能量自由電子原共價鍵中的相應(yīng)位置留下空位空穴1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的數(shù)目，本征半導(dǎo)體受熱激發(fā)只產(chǎn)生少量電子空穴對，載流子濃度很低，外加電場作用，電流極其微弱；若在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)，則導(dǎo)電性能大為改觀，摻入百萬分之一的雜質(zhì)，載流子濃度增加1百萬倍。

N型半導(dǎo)體：在純凈半導(dǎo)體中摻入微量的五價元素（如磷）后形成．

P型半導(dǎo)體：在純凈半導(dǎo)體中摻入微量的三價元素（如硼）后形成。摻雜的本證半導(dǎo)體的電流形成過程1.N型半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體

因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。2.P型半導(dǎo)體2.P型半導(dǎo)體

因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體區(qū)別N型半導(dǎo)體在半導(dǎo)體中摻入少量五價的磷元素，在和半導(dǎo)體原子組成共價鍵時，就多出一個電子。這種電子為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體叫電子型半導(dǎo)體，簡稱N型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體在半導(dǎo)體里摻入少量三價的硼元素，和外層電子數(shù)是四個的硅或鍺原子組成共價鍵時，就自然形成一個空穴，這就使半導(dǎo)體中的空穴載流子增多，叫空穴型半導(dǎo)體，簡稱P型半導(dǎo)體。§1.2PN結(jié)與二極管1.PN結(jié)的形成

在一塊純凈的半導(dǎo)體晶片上，采用特殊的摻雜工藝，在兩側(cè)分別摻入三價元素和五價元素。一側(cè)形成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)形成N型半導(dǎo)體。

–––––––––P型+++++++++N型濃度差別多子擴散空間電荷區(qū)當擴散和漂移達到動平衡，即形成PN結(jié)。內(nèi)電場內(nèi)電場少子漂移+++++++++–––––––––+++–––P型區(qū)N型區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場V01.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)正向偏置結(jié)構(gòu)：P區(qū)加正電壓、N區(qū)加負電壓特點：結(jié)電阻很小，正向電流較大PN

結(jié)反向偏置結(jié)構(gòu)：P區(qū)加負電壓、N區(qū)加正電壓特點：結(jié)電阻很高，反向電流很小PN結(jié)正向偏置－－－－++++RE內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散（正向）電流。PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場

外電場變厚NP_內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE1.2.3

半導(dǎo)體二極管1.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。陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a

)點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b

)面接觸型陰極陽極(

d

)符號D二極管導(dǎo)通電路EDPN結(jié)加正向電壓PN結(jié)加反向電壓二極管伏安特性和主要參數(shù)反向擊穿電壓UBRUImAuA擊穿SiSiP+Si雪崩擊穿齊納擊穿反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)導(dǎo)通壓降死區(qū)電壓在高摻雜的情況下，因耗盡層寬度很小，不大的反向電壓就可在耗盡層形成很強的電場，而直接破壞共價鍵，使價電子脫離共價鍵束縛，產(chǎn)生電子—空穴對，致使電流急劇增大，這種擊穿稱為齊納擊穿

在晶體中運行的電子和空穴將不斷的與晶體原子發(fā)生碰撞,通過這樣的碰撞可使束縛在共價鍵中的價電子碰撞出來,產(chǎn)生自由電子-空穴對.新產(chǎn)生的載流子在電場作用下撞出其他價電子,又產(chǎn)生新的自由電子空穴對.如此連鎖反應(yīng)，使得阻擋層中的載流子的數(shù)量雪崩式地增加,流過PN結(jié)的電流就急劇增大,所以這種碰撞電離稱為雪崩擊穿

2.死區(qū)電壓硅管0.5V，鍺管0.1V1.導(dǎo)通壓降硅0.6~0.8V，鍺0.2~0.3V主要參數(shù)1.最大整流電流IOM

二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流，超過IOM二極管的PN結(jié)將過熱而燒斷。2.

反向擊穿電壓UBR

二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。3.最大反向飽和電流IRM

這個電流愈小二極管的單向?qū)щ娦杂?。溫升時，IRM增大。二極管電路分析方法導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V

分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若

V陽

>V陰或

UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若

V陽

<V陰或

UD為負(反向偏置)，二極管截止

若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零，反向截止時二極管相當于斷開。定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)二極管的應(yīng)用

利用二極管的單向?qū)щ娦裕蓪崿F(xiàn)整流、限幅、鉗位、檢波、保護、開關(guān)等。1.整流電路

整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娮饔茫瑢⒔涣麟娮兂芍绷麟姷碾娐?。RLuiuouiuott限幅電路限幅電路是限制輸出信號幅度的電路。數(shù)字邏輯電路電路解：（a）當A端和B端均為的3V的高電位時，DA、DB都處于正向?qū)顟B(tài)，輸出3V，即為高電平。（b）當A端為的低電位，B端為的高電位時，DA兩端的電位差較DB大比優(yōu)先導(dǎo)通，輸出為0V，為低電平。（c）當A端和B端均為的低電位時，都處于正向?qū)顟B(tài)，輸出為0V，即為低電平。[例1-3]電路如圖所示，它有兩個輸入端（A、B）和一個輸出端（L），令A(yù)、B兩端對應(yīng)三組不同的輸入電位值：（a）；（b）；（c）。試求L點對應(yīng)的電位并分析輸入輸出的數(shù)字邏輯關(guān)系。檢波電路檢波電路是把信號從已調(diào)波中檢出來的電路。§1.2.4特殊二極管2.伏安特性

穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓

穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。1.符號

_+UIZIZmaxUZIZUZI曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管的參數(shù)（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin（2）電壓溫度系數(shù)U（%/℃）（3）動態(tài)電阻（1）穩(wěn)定電壓UZ:分散性（5）最大允許功耗[例1-4]

設(shè)計一個穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓電路。已知輸入電壓，要求負載流，輸出電壓。解圖1-16是一個簡單的利用穩(wěn)壓二極管實現(xiàn)的穩(wěn)壓電路。因為要求輸出電壓U0=4.7V，也就是說選用穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值為Uz=4.7V。假設(shè)從器件手冊中查到該管的穩(wěn)定電流Iz=10mA，則因此，可以取標稱值為的電阻。圖示電路可以獲得穩(wěn)壓值為的輸出。發(fā)光二極管、光電二極管、光電耦合器1.發(fā)光二極管：有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光。2.光電二極管：光照增強時，外加反偏壓作用下，反向電流增加。3.光電耦合器：如果把發(fā)光二極管和光電二極管組合構(gòu)成二極管型光電耦合器件?！?.3半導(dǎo)體三極管三極管在模擬電子電路中其主要作用是構(gòu)成放大電路★三極管的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：三個區(qū)、二個結(jié)、三個極。發(fā)射結(jié)集電結(jié)BEC發(fā)射極基極集電極NPN型NNPNPN型１半導(dǎo)體三極管的類型NPN（硅管多，3D系列）PNP（鍺管多，3A系列）BECIBIEICBECIBIEIC注意：三極管的符號短粗線代表基極,發(fā)射極的箭頭方向,即發(fā)射極電流的實際方向。２電流分配和放大原理三極管放大條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。1.發(fā)射區(qū)發(fā)射電子形成IE

2.基區(qū)復(fù)合電子形成IB

3.集電區(qū)收集電子形成ICIE＝IB＋IC

；IC＝βIB

IE＝IB＋IC＝IB＋βIB＝(1＋β)IB

三極管的電流放大作用的實質(zhì)是以很小的IB控制較大的IC1.3.3特性曲線（共射連接）1.輸入特性曲線IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VUCE=0VUCE=0.5V

輸入特性曲線——

iB=f(vBE)

vCE=const

輸出特性曲線——

iC=f(vCE)

iB=const輸出特性定義：IB為常數(shù),①放大區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。特點：IC＝IB

，IC僅由IB決定。②截止區(qū)條件：兩個PN結(jié)均反偏。特點是IB＝0、IC＝ICEO≈0，無放大作用。③飽和區(qū)條件：兩個PN結(jié)均正偏。特點：UCE≤1V，有IB和IC

，但IC≠IB。IC已不受IB控制，無放大作用。例題例：

=50，USC

=12V，RB

=70k，RC

=6k當USB

=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE提示：據(jù)三極管三個區(qū)的特點判斷1.電流放大系數(shù)共射：若IC>>ICEO

則交流放大系數(shù)用表示三極管的主要參數(shù)vCE(V)iC(A)4321024682.31.5ICIBQ100806040iB=20(A)若滿足條件：ICEO很小時，可忽略；管子工作在線性區(qū)。共基：（2）穿透電流ICEO（3）集電極最大允許電流ICM（4）集電極最大允許耗散功率PCM

(5)反向擊穿電壓U(BR)CEO1.3.5三極管的微變等效電路1.分析的前提：小信號在小信號的作用下，工作在恒流區(qū)的三極管可以用一個如圖（a）線性有源兩端口網(wǎng)絡(luò)來等效．小信號時近似為線性輸入端等效為電阻輸出端等效為恒流源1.4場效應(yīng)管三極管稱電流控制元件；場效應(yīng)管稱電壓控制元件。場效應(yīng)管具有輸入電阻高（最高可達108Ω）、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、耗電省等優(yōu)點。1.4.1

絕緣柵場效應(yīng)管（1）結(jié)構(gòu)與符號（2）伏安特性和主要參數(shù)使場效應(yīng)管剛開始形成導(dǎo)電溝道的臨界電壓UGS（th），稱為開啟電壓。

當UGS的負值達到某一數(shù)值UGS（off）時，導(dǎo)電溝道消失，這一臨界電壓UGS（off）稱為夾斷電壓。場效應(yīng)管的主要參數(shù)：增強型MOS管的開啟電壓UGS（th），耗盡型MOS管的夾斷電壓UGS（off）低頻跨導(dǎo)轉(zhuǎn)移特性曲線1.4.2

結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)2．工作原理使ID≈0時的UGS反偏電壓，稱為該