半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

第一章常用半導(dǎo)體器件第一章常用半導(dǎo)體器件§1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識§1.2半導(dǎo)體二極管§1.3晶體三極管§1.4場效應(yīng)管§1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运?、PN結(jié)的電容效應(yīng)一、本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。絕緣體－－惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場強(qiáng)到一定程度時才可能導(dǎo)電。半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運(yùn)動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴

自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復(fù)合。共價鍵一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。動態(tài)平衡兩種載流子

外加電場時，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。溫度升高，熱運(yùn)動加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。熱力學(xué)溫度0K時不導(dǎo)電。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.N型半導(dǎo)體磷（P）

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了？少了？為什么？2.P型半導(dǎo)體硼（B）多數(shù)載流子P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，

在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?/p>

物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。氣體、液體、固體均有之。擴(kuò)散運(yùn)動P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。擴(kuò)散運(yùn)動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。PN結(jié)的形成

因電場作用所產(chǎn)生的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。

參與擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運(yùn)動

由于擴(kuò)散運(yùn)動使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動。PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓截止：耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動，有利于漂移運(yùn)動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。PN結(jié)的單向?qū)щ娦运?、PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢壘電容

PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2.擴(kuò)散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴(kuò)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。結(jié)電容：§1.2半導(dǎo)體二極管一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓二極管

一、二極管的組成將PN結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管

一、二極管的組成點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。

二、二極管的伏安特性及電流方程開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓溫度的電壓當(dāng)量二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。從二極管的伏安特性可以反映出：

1.單向?qū)щ娦?.伏安特性受溫度影響T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線三、二極管的等效電路理想二極管近似分析中最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時UD＝0截止時IS＝0導(dǎo)通時UD＝Uon截止時IS＝0導(dǎo)通時△i與△u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！1.將伏安特性折線化四、二極管的主要參數(shù)最大整流電流ＩＦ：它是二極管允許通過的最大正向平均電流。工作時應(yīng)使平均工作電流小于ＩＦ,如超過ＩＦ,二極管將過熱而燒毀。最大反向工作電壓ＵＲ：這是二極管允許的最大工作電壓。當(dāng)反向電壓超過此值時,二極管可能被擊穿。通常取擊穿電壓的一半作為ＵＲ。四、二極管的主要參數(shù)反向電流ＩＲ：指二極管未擊穿時的反向電流值。此值越小,二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。由于反向電流是由少?shù)載流子形成,所以ＩＲ值受溫度的影響很大。最高工作頻率ｆＭ：ｆＭ的值主要取決于ＰＮ結(jié)結(jié)電容的大小,結(jié)電容越大,則二極管允許的最高工作頻率越低。五、穩(wěn)壓二極管1.伏安特性進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流由一個PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。2.主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流IZ最大功耗PZM＝IZMUZ動態(tài)電阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！限流電阻發(fā)光二極管有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，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。正向電流越大，發(fā)光越強(qiáng)光電二極管在PN結(jié)反向偏置時工作，反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU照度增加§1.3晶體三極管一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號二、晶體管的放大原理三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性四、溫度對晶體管特性的影響五、主要參數(shù)

一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號多子濃度高多子濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個PN結(jié)。小功率管中功率管大功率管二、晶體管的放大原理

擴(kuò)散運(yùn)動形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運(yùn)動形成基極電流IB，漂移運(yùn)動形成集電極電流IC。少數(shù)載流子的運(yùn)動因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴(kuò)散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴(kuò)散電流分配：

IE＝IB＋I(xiàn)C

IE－擴(kuò)散運(yùn)動形成的電流

IB－復(fù)合運(yùn)動形成的電流IC－漂移運(yùn)動形成的電流直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性為什么UCE增大曲線右移？

對于小功率晶體管，UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以取代UCE大于1V的所有輸入特性曲線。為什么像PN結(jié)的伏安特性？為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了？1.輸入特性2.輸出特性對應(yīng)于一個IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。為什么uCE較小時iC隨uCE變化很大？為什么進(jìn)入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)晶體管的三個工作區(qū)域

晶體管工作在放大狀態(tài)時，輸出回路的電流iC幾乎僅僅決定于輸入回路的電流iB，即可將輸出回路等效為電流iB控制的電流源iC。四、溫度對晶體管特性的影響溫度升高時，輸入特性左移，輸出特性上移。五、主要參數(shù)

直流參數(shù)：、、ICBO、ICEOc-e間擊穿電壓最大集電極電流最大集電極耗散功率，PCM＝iCuCE安全工作區(qū)交流參數(shù)：β、α

極限參數(shù)：ICM、PCM、U（BR）CEO1.4場效應(yīng)管1.4.1、結(jié)型場效應(yīng)管1.4.2、絕緣柵型場效應(yīng)管

場效應(yīng)管（FET）利用輸入電壓來控制輸出電流。

僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單極型晶體管。優(yōu)點(diǎn)：輸入電阻大（107Ω

～1012Ω）、噪音低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、可以在比較低的電源下工作等等。類型①結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）②絕緣柵型場效應(yīng)管（MOS管）增強(qiáng)型N溝道P溝道耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道場效應(yīng)管1.4.1、結(jié)型場效應(yīng)管1、JFET的結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)①N溝道管②P溝道管類型

N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)NsN區(qū)與P區(qū)交界面形成兩個耗盡層由N區(qū)引出源極s由N區(qū)引出漏極d將兩個高摻雜的P區(qū)連接在一起引出柵極ggdP+P+導(dǎo)電溝道符號外部條件①柵—源間加負(fù)向電壓②漏—源間加正向電壓工作原理+RgRdVDDVGG_vDSvGS+_iD（1）柵-源電壓uGS對導(dǎo)電溝道寬度的控制作用uGS＝0VVP<uGS<0VuGS≤VP

夾斷電壓Vp溝道最寬溝道變窄溝道消失（2）當(dāng)uGS一定時（Vp<uGS≤0），漏-源電壓uDS對漏極電流iD的影響uGD>VPuGD=VP預(yù)夾斷預(yù)夾斷前：d-s間呈電阻特性

uDSiD增大iD與uDS無關(guān)，幾乎只由uGS決定恒流特性預(yù)夾斷后：uGD<VP導(dǎo)電溝道電阻增大抵消iD不變（3）當(dāng)uGD<Vp時,uGS對iD的控制作用在uGD<Vp，即uDS>uGS-Vp時,當(dāng)uDS為一常量時，對應(yīng)于確定的uGS，就有確定的iD。可以通過改變uGS來控制iD的大小。漏極電流受柵-源電壓的控制電壓控制元件總結(jié)

1、場效應(yīng)管是電壓控制元件。

2、當(dāng)uDS增加，使uDS=uGS-Vp時，d—s間預(yù)夾斷。

3、預(yù)夾斷前，uDS<uGS-Vp

，對應(yīng)于不同的uDS

，d—s間等效成不同阻值的電阻。

4、預(yù)夾斷后，uDS>uGS-Vp

，iD幾乎只取決于uGS，與uDS無關(guān)，d—s間可視為受uGS控制的電流源。問題為什么柵-源之間必須加負(fù)電壓？2、JFET的特性曲線輸出特性曲線（一族曲線）uGD=Vp

（或uDS=uGS–Vp

）漏極飽和電流IDSS夾斷電壓VP外部條件可變電阻區(qū)A）Vp<uGS≤0B）uDS<uGS–Vp特點(diǎn)：iD∝uDS

（uGS一定）（或uGD>Vp

）恒流區(qū)外部條件A）Vp<uGS≤

0B）uDS>uGS–Vp特點(diǎn)：iD變化

B）uDS變化iD

幾乎不變（或uGD<Vp

）A）uGS變化

夾斷區(qū)（截止區(qū)）外部條件：uGS<Vp特點(diǎn)：iD≈0轉(zhuǎn)移特性曲線VP電流方程(Vp<uGS≤0，uDS>uGS-Vp)注意P溝道管VP3、JFET的主要參數(shù)直流參數(shù)夾斷電壓VP漏極飽和電流IDSS直流輸入電阻RGS（結(jié)型管：RGS>107Ω）交流參數(shù)低頻跨導(dǎo)gm恒流區(qū)時說明（1）gm是轉(zhuǎn)移特性曲線上靜態(tài)工作點(diǎn)處切線的斜率。VP輸出電阻rd（2）gm是反映FET放大能力的一個重要參數(shù)。rd反映了uDS對iD的影響。極限參數(shù)最大允許耗散功率：PDM

最大漏-源電壓：V(BR)DS最大柵-源電壓：V(BR)GS【例】場效應(yīng)管各級電位如圖所示，問JFET各工作在什么區(qū)？dgs6V(b)Vp=-5V-2Vdgs8V(a)Vp=-3V-5V夾斷區(qū)恒流區(qū)特點(diǎn)：輸入電阻高（Ri>1012Ω）、溫度穩(wěn)定好、易集成化MOS管的類型增強(qiáng)型N溝道P溝道耗盡型N溝道P溝道1.4.2、絕緣柵型場效應(yīng)管又稱：MOS管1、增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)

N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本結(jié)構(gòu)N+N+以P型硅為襯底Bdgs二氧化硅絕緣保護(hù)層兩端擴(kuò)散出兩個高濃度的N區(qū)N區(qū)與P型襯底之間形成兩個PN結(jié)由襯底引出電極B由高濃度的N區(qū)引出的源極s由另一高濃度N區(qū)引出的漏極d由二氧化硅層表面直接引出柵極g雜質(zhì)濃度較低MOS管襯底一般與源極相連使用。

符號工作原理當(dāng)uGS=0時，iD=0當(dāng)uGS>0時，uGS對導(dǎo)電溝道的控制作用若uGS>0（正柵源電壓）耗盡層開啟電壓VT：