常用半導(dǎo)體器件

第8章常用半導(dǎo)體器件

8.1

半導(dǎo)體的基本知識(shí)

8.2

PN

結(jié)及半導(dǎo)體二極管

8.3

特殊二極管

8.4

雙極型晶體管

8.5

場效應(yīng)晶體管1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。8.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)物體根據(jù)導(dǎo)電能力的不同，可以分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三種類型。

2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如：當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。8.1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性31.本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體?，F(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)。本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖將鍺或硅材料提純后形成的完全純凈、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體就是本征半導(dǎo)體。

4共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。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)。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。+4+4+4+45本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對(duì)0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。6半導(dǎo)體中的自由電子和空穴本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。7溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。

2.空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。82.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)，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大大增加。P型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。N型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。9a、N型半導(dǎo)體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，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(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)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。10N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2.本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。

N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖11b、P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，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(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)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。

P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖12c、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。131.PN

結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N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PN結(jié)。8.1.2PN結(jié)14P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場E漂移運(yùn)動(dòng)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)越寬。內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。15漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場E所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。16－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0171.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴.N區(qū)

中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。3.P

區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:182.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓。

PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是：

P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。191外加正向電壓使PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)呈現(xiàn)低阻導(dǎo)通狀態(tài)，通過PN結(jié)的電流基本是多子的擴(kuò)散電流——正向電流–+變窄PN內(nèi)電場方向外電場方向RI內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。202外加反向電壓使PN結(jié)截止

PN結(jié)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過PN結(jié)的電流是少子的漂移電流

----反向電流特點(diǎn):受溫度影響大原因:反向電流是靠熱激發(fā)產(chǎn)生的少子形成的+

-變寬PN內(nèi)電場方向外電場方向RI=0內(nèi)電場被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。218.2

半導(dǎo)體二極管8.2.1二極管的結(jié)構(gòu)和伏安特性PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線外殼線觸絲線基片點(diǎn)接觸型PN結(jié)面接觸型PN二極管的電路符號(hào)：1.二極管的結(jié)構(gòu)22

2、二極管的伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR238.2.2二極管的參數(shù)1.最大整流電流

IPM二極管長期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^熱而燒壞。手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓URM一般是UBR的一半。243.反向飽和電流

IR指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個(gè)交流參數(shù)。254.動(dòng)態(tài)電阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對(duì)Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。268.2.3二極管的等效模型在一定條件下，用線性元件所組成的電路等效二極管的功能稱為二極管的等效模型

。二極管的等效模型(a)理想型(b)恒壓源型(c)折線型273.3.1

穩(wěn)壓二極管UIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+-UZ動(dòng)態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。8.3特殊二極管28（3）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（4）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓

UZ（2）動(dòng)態(tài)電阻29負(fù)載電阻。要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓基本不變。穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax

。求：電阻R和輸入電壓ui

的正常值?！匠?30令輸入電壓降到下限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin

?！匠?uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程1、2，可解得：318.3.2發(fā)光二極管有正向電流流過時(shí)，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。328.3.3光敏二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU照度增加338.4.1

晶體管的結(jié)構(gòu)8.4雙極型晶體管(a)(b)三極管類型及符號(hào)(a)NPN型(b)PNP型34基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：集電區(qū)：面積最大358.4.2晶體管的電流放大原理BECNNPEBRBECIE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。IBE進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE

，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。36用載流子在晶體管內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來解釋。外部條件：發(fā)射結(jié)加正向電壓；集電結(jié)加反向電壓。UBE>0,UBC<0,UBC=UBE-UCE,UBE<UCERBEC++__EBEBCNNP8.4.2晶體管的電流放大原理37發(fā)射結(jié)正偏擴(kuò)散強(qiáng)E區(qū)多子（自由電子）到B區(qū)B區(qū)多子（空穴）到E區(qū)穿過發(fā)射結(jié)的電流主要是電子流形成發(fā)射極電流IEIE是由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的1發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子，形成發(fā)射極電流IE。382電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合，形成基極電流IBE區(qū)電子到基區(qū)B后，有兩種運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散IEC復(fù)合IEB同時(shí)基區(qū)中的電子被EB拉走形成IBIEB=IB時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成穩(wěn)定的基極電流IBIB是由復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的RBEC++__EBEBC393集電極收集電子，形成集電極電流IC集電結(jié)反偏阻礙C區(qū)中的多子（自由電子）擴(kuò)散，同時(shí)收集E區(qū)擴(kuò)散過來的電子有助于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，有反向飽和電流ICBO形成集電極電流ICRBEC++__EBEBC40RBEC++__EBEBCICIBIEICBOIBEIEC41IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBE

ICE與IBE之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)集－射極穿透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則

ICICE0428.4.3

晶體管的伏安特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

實(shí)驗(yàn)線路431.

輸入特性特點(diǎn):非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。正常工作時(shí)發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO8.4.3

晶體管的伏安特性曲線442.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個(gè)工作區(qū)：(1)放大區(qū)在放大區(qū)有IC=IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。45IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB<0以下區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)，有IC0

。在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于截止?fàn)顟B(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)

當(dāng)UCEUBE時(shí)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IBIC，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。

深度飽和時(shí)，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。46輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。即：IC=IB,且

IC

=

IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區(qū)：

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO

0

47例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)USB

=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？當(dāng)USB

=-2V時(shí)：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大飽和電流：Q位于截止區(qū)

48例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)USB

=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？IC<

ICmax

(=2mA)

，

Q位于放大區(qū)。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB

=2V時(shí)：49USB

=5V時(shí):例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)USB

=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ位于飽和區(qū)，此時(shí)IC和IB

已不是倍的關(guān)系。508.4.4晶體管的主要參數(shù)前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點(diǎn)，稱為共射接法，相應(yīng)地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數(shù)：工作于動(dòng)態(tài)的三極管，真正的信號(hào)是疊加在直流上的交流信號(hào)。基極電流的變化量為IB，相應(yīng)的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數(shù)為：1.電流放大倍數(shù)和

51例：UCE=6V時(shí)：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計(jì)算中，一般作近似處理：=522.集-基極反向截止電流ICBOAICBOICBO是集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。53BECNNPICBOICEO=

IBE+ICBO

IBEIBEICBO進(jìn)入N區(qū)，形成IBE。根據(jù)放大關(guān)系，由于IBE的存在，必有電流IBE。集電結(jié)反偏有ICBO3.集-射極反向截止電流ICEOICEO受溫度影響很大，當(dāng)溫度上升時(shí)，ICEO增加很快，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。544.集電極最大電流ICM集電極電流IC上升會(huì)導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為ICM。5.集-射極反向擊穿電壓當(dāng)集---射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時(shí)，三極管就會(huì)被擊穿。手冊(cè)上給出的數(shù)值是25C、基極開路時(shí)的擊穿電壓U(BR)CEO。556.集電極最大允許功耗PCM集電極電流IC

流過三極管，所發(fā)出的焦耳熱為：PC=ICUCE必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，所以PC

有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)568.4.5特殊三極管1.光電三極管1.達(dá)林頓三極管57場效應(yīng)管與雙極型晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵型場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管有兩種:8.5場效應(yīng)晶體管588.5.1絕緣柵型場效應(yīng)管1、N溝道增強(qiáng)型MOS管PNNGSDP型基底兩個(gè)N區(qū)SiO2絕緣層導(dǎo)電溝道金屬鋁GSDN溝道增強(qiáng)型a、N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)59N溝道耗盡型PNNGSD予埋了導(dǎo)電溝道GSD60NPPGSDGSDP溝道增強(qiáng)型61P溝道耗盡型NPPGSDGSD予埋了導(dǎo)電溝道62b、MOS管的工作原理以N溝道增強(qiáng)型為例PNNGSDUDSUGSUGS=0時(shí)D-S間相當(dāng)于兩個(gè)反接的PN結(jié)ID=0對(duì)應(yīng)截止區(qū)63PNNGSDUDSUGSUGS>0時(shí)UGS足夠大時(shí)（UGS>VT）感應(yīng)出足夠多電子，這里出現(xiàn)以電子導(dǎo)電為主的N型導(dǎo)電溝道。感應(yīng)出電子VT稱為閾值電壓64UGS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-S連接起來，UGS越大此電阻越小。PNNGSDUDSUGS65PNNGSDUDSUGS當(dāng)UDS不太大時(shí)，導(dǎo)電溝道在兩個(gè)N區(qū)