第六章半導(dǎo)體器件的基本特性第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

第六章半導(dǎo)體器件的基本特性第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)6.1.1本征半導(dǎo)體6.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體第二節(jié)PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管6.2.1異型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象6.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?.2.3半導(dǎo)體二極管6.2.4半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用第三節(jié)半導(dǎo)體晶體管6.3.1晶體管的結(jié)構(gòu)及類型6.3.2晶體管的放大作用6.3.3晶體管的特性曲線6.3.4晶體管的主要參數(shù)第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)按導(dǎo)電的性能可以將物質(zhì)分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。物質(zhì)的導(dǎo)電性能取決于物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)。我們所關(guān)心的不是半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，而是它的原子結(jié)構(gòu)。1.本征半導(dǎo)體(intrinsicsemiconductor)完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料是硅(Si—Silicon)和鍺(Ge—Germaniun)。-4+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價(jià)鍵價(jià)電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴載流子形成與復(fù)合：價(jià)電子獲得能量后擺脫原子核的束縛成為自由電子、空穴對(duì)，當(dāng)自由電子填補(bǔ)空穴后就是復(fù)合。本征半導(dǎo)體載流子的濃度，除與半導(dǎo)體材料本身性質(zhì)有關(guān)外，還與溫度有關(guān)，且ni=pi。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體(impuritysemiconductor)本征半導(dǎo)體中的載流子濃度很低，導(dǎo)電性能也很弱，摻入少量雜質(zhì)，其導(dǎo)電性能將發(fā)生質(zhì)的變化。+4+4+4+4+5+4+4+4+4自由電子施主原子(1)N型半導(dǎo)體(N-typesemiconductor)在半導(dǎo)體中摻入5價(jià)元素，多出的電子不受共價(jià)鍵的約束，僅受到自身原子核的約束，所以只要得到較少的能量就可以成為自由電子。同時(shí)，還會(huì)有些價(jià)電子擺脫共價(jià)鍵約束，形成電子空穴對(duì)。顯然，在這種雜質(zhì)的半導(dǎo)體中自由電子的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴濃度。即nn>>pn故導(dǎo)電主要靠自由電子。自由電子稱為多數(shù)載流子，空穴稱為少數(shù)載流子。多數(shù)載流子的濃度取決于摻雜的濃度，少數(shù)載流子是半導(dǎo)體材料共價(jià)鍵提供的，主要取決于溫度?？梢宰C明電子與空穴的濃度有如下關(guān)系：根據(jù)原子理論中的“不相容”原理--同一能級(jí)中，最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子和賈米·狄拉克分布函數(shù)可以證明以上等式。(2)P型半導(dǎo)體(P-typesemiconductor)在半導(dǎo)體中摻入3價(jià)元素，當(dāng)它與周圍的鍺原子組成共價(jià)鍵時(shí)，在缺少電子的地方形成一個(gè)空穴。其它共價(jià)鍵的電子只需較小的能量就可以擺脫原子核束縛移到此空穴，從而形成新的空穴。顯然在這種摻雜半導(dǎo)體中，空穴的濃度大于自由電子的濃度，所以多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是自由電子。pp>>np

+4+4+4+4+3+4+4+4+4受主原子空穴第二節(jié)PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管在一塊本征半導(dǎo)體上，用工藝的辦法使一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，則在兩種半導(dǎo)體的交界處形成一個(gè)P-N結(jié)。P-N結(jié)是一切半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。1.異型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象擴(kuò)散—濃度差異導(dǎo)致的載流子移動(dòng)P區(qū)N區(qū)自建場(chǎng)耗盡區(qū)P區(qū)空間電荷區(qū)N區(qū)2.PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦云啤陔妶?chǎng)作用下載流子的定向移動(dòng)

UR+-自建場(chǎng)I外電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)

UR-+自建場(chǎng)

I外電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)3.半導(dǎo)體二極管

(1)半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)金屬觸絲N型鍺片陽(yáng)極引線陰極引線外殼(a)點(diǎn)接觸型陽(yáng)極引線二氧化硅保護(hù)層

P型硅陰極引線(b)平面型N型硅鋁合金小球陽(yáng)極引線PN結(jié)N型硅金銻合金底座陰極引線(c)面接觸型陽(yáng)極陰極(d)符號(hào)(2)半導(dǎo)體二極管的伏安特性

I(mA)2010-40-2000.40.8U(V)-10-20(nA)(a)硅二極管的伏安特性曲線

I(mA)2010-60-3000.20.4U(V)-10-20(μA)(b)鍺二極管的伏安特性曲線正向特性：門限電壓Uon，硅0.6~0.8V；鍺0.1~0.3V反向特性：反向飽和電流，一般很小。硅nA級(jí)，鍺μA級(jí)擊穿特性：反向電壓達(dá)到某一值后，二極管的電流急劇增加，根據(jù)擊穿的內(nèi)部機(jī)制分為雪崩擊穿和齊納擊穿。雪崩擊穿：低濃度摻雜，在強(qiáng)電場(chǎng)作用，獲得能量的自由電子與原子發(fā)生碰撞將價(jià)電子“打”出共價(jià)鍵，形成更多的載流子；齊納擊穿：高濃度摻雜，阻擋層很窄，無(wú)足夠加速空間，但很窄空間形成的強(qiáng)電場(chǎng)可以將價(jià)電子直接“拉”出來(lái)，使電流急劇增加。(3)半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)①最大整流電流IF。二極管允許通過(guò)的最大正向平均電流。如果電流長(zhǎng)時(shí)間電流超過(guò)此值，二極管會(huì)因過(guò)熱而燒壞。此值取決于結(jié)面積、材料和散熱情況。②最大反向工作電壓UR。二極管允許的最大反向工作電壓。當(dāng)反向電壓超過(guò)此值就可能被擊穿。③反向電流IR。二極管未擊穿時(shí)的反向電流值。此值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩＂茏罡吖ぷ黝l率fM。此值的大小主要取決于結(jié)電容的大小。結(jié)電容越大，允許工作頻率越低。⑤二極管的直流電阻RD。二極管兩端電壓與流過(guò)二極管中電流之比。⑥二極管的交流電阻rd。二極管兩端電壓變化量與流過(guò)二極管中電流變化量之比。

I(mA)

rd8060ΔI40Q

ΔU200U12(V)

I(mA)

RD80Q

6040200U1UF2(V)IF(4)特殊二極管①穩(wěn)壓二極管工作原理：穩(wěn)壓二極管工作在PN結(jié)的擊穿區(qū)。在擊穿區(qū)電壓的微小變化會(huì)引起電流較大范圍的變化，利用這一特性可以起到穩(wěn)定輸出電壓的目的。注意事項(xiàng)：1.穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，因此電源正極接N、負(fù)極接P；2.穩(wěn)壓管與負(fù)載并聯(lián)；3.在穩(wěn)壓電路中必須有限流措施。穩(wěn)壓原理：

IR+R

ILUi

DZ

RL

IZ_I+

0

U-

ΔUΔIUO主要參數(shù)：1.穩(wěn)定電壓UZ：工作在擊穿區(qū)時(shí)的穩(wěn)定工作電壓。是穩(wěn)壓管的關(guān)鍵參數(shù)。2.穩(wěn)定電流IZ：穩(wěn)壓管正常工作時(shí)要求的最小電流。穩(wěn)壓管工作電流通常大于此電流值。3.動(dòng)態(tài)電阻rz：穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)時(shí)兩端電壓變化量與電流變化量之比，此值越小，說(shuō)明穩(wěn)壓性能越好。4.額定功率Pz：是保證穩(wěn)壓管正常工作的關(guān)鍵參數(shù)。5.穩(wěn)壓溫度系數(shù)αz：描述穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓隨溫度而改變情況，一般UZ>7V具有正溫度系數(shù)，在4~7V之間溫度系數(shù)為負(fù)。②變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管主要是利用PN結(jié)內(nèi)耗盡層的空間電荷引起的。由于在耗盡層內(nèi)N區(qū)積聚了正電荷，P區(qū)積聚了負(fù)電荷，形成了與平板電容器結(jié)構(gòu)相似的形式。當(dāng)外加電壓變化時(shí)，空間電荷的增加和減少相當(dāng)于平板電容的沖放電。因此顯示了電容效應(yīng)。變?nèi)荻O管就是利用這一特點(diǎn)而制造的。

自建場(chǎng)平衡時(shí)阻擋層形成

耗盡區(qū)P區(qū)空間電荷區(qū)N區(qū)③光電二極管利用某些對(duì)光敏感的半導(dǎo)體制成的二極管。光的強(qiáng)弱會(huì)引起反向電流的變化，換句話說(shuō)，反向電流的大小，表明了外界光的強(qiáng)弱。

I(μA)-10–8–6–4–2無(wú)光照0U(V)照度-50增大akak

I受光面④發(fā)光二極管發(fā)光二極管是利用某些材料有電流流過(guò)時(shí)會(huì)發(fā)出不同波長(zhǎng)的光而制成的。發(fā)光二極管經(jīng)常用來(lái)作為指示、裝飾等顯示作用，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到。4.半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用范圍很廣，利用二極管的單相導(dǎo)電特性，可組成整流、檢波、鉗位、限幅、開關(guān)等電路。利用二極管的其他特性，可使其應(yīng)用在穩(wěn)壓、變?nèi)?、溫度補(bǔ)償?shù)确矫妗?/p>

(1)整流電路

u20T/2T3T/22Tt

TD+io++~220Vu2

RL

uo---半波整流uo,io

0T/2T3T/22Tt

Ta++D4

D1~220V

u2

cb-io-D3

D2+

d

uo-橋式整流uo,io0T/2T3T/22Tt(2)二極管限幅電路二極管限幅電路主要作用是限制輸出電壓幅度，以適應(yīng)不同要求，特別是經(jīng)常用于保護(hù)電路中的器件。

+R+

D1

D2ui

uo5V5V--

ui5V0t-5V

uo5V0t-5V第三節(jié)半導(dǎo)體三極管三極管是組成各種電子電路的核心器件。外形如圖。1.三極管的結(jié)構(gòu)及類型用工藝的辦法將兩個(gè)PN結(jié)背靠背地連接起來(lái)組成三極管。如果將兩個(gè)二極管背靠背地連接起來(lái)會(huì)怎樣呢？

c

b幾微米幾百微米

eNNP

集電極c集電結(jié)c

c集電區(qū)

b

b基極b基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射結(jié)e

e發(fā)射極e

N

NPNPN型PNP型

3AX813AX13DG13AD102.三極管的放大作用為了分析理解方便，我們均以NPN管為例，PNP管的工作原理與之完全相同。內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

①發(fā)射區(qū)重?fù)诫s。作用是向基區(qū)注入載流子。②基區(qū)低摻雜且很薄。作用是傳輸控制載流子。③集電區(qū)面積很大。作用是收集載流子。外部條件：外部電源應(yīng)保證發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)反向偏置。(1)載流子傳輸過(guò)程①發(fā)射。由于發(fā)射結(jié)正向偏置，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子--電子注入到基區(qū)，形成發(fā)射極電流IE。當(dāng)然也有基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，只是這部分電流很小，一般忽略不計(jì)。②擴(kuò)散與復(fù)合。從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子，在發(fā)射結(jié)附近濃度很高，由于集電結(jié)反向偏置，在集電結(jié)處的電子幾乎為0，濃度差將使注入到基區(qū)的電子向集電結(jié)擴(kuò)散。在擴(kuò)散的過(guò)程中，有一部分電子將與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成基極電流IBN。由于基區(qū)摻雜濃度低且很薄，所以復(fù)合電子數(shù)很少，大部分電子擴(kuò)散到集電結(jié)處。③收集。由于集電結(jié)反向偏置，擴(kuò)散到集電結(jié)處的電子將在反向偏置的作用下很快漂移到集電區(qū)，被集電區(qū)收集，形成電流ICN。此外，由于集電結(jié)反向偏置，集電區(qū)與基區(qū)的少數(shù)載流子會(huì)形成反向飽和電流ICBO

Ic

c

ICNRc

ICBO

N

b

UCCP

IB

IBN

RB

IE

N

UBB

IEe(2擊)電幅流分誰(shuí)配三極迅管實(shí)贊質(zhì)上幫是一暫個(gè)電或流分羞配器鉗，它偵把發(fā)衛(wèi)射極聽注入回的電匙子按損一定訂比例研分配肌給集金電極掛和基困極。臉晶體新管制洗成以抵后，寧這種眾比例宰就確墓定了聚。用銀一組母參數(shù)虜來(lái)描職述這盛種分斧配規(guī)葵律。共基撫極直京流電躍流放敵大系照數(shù)：發(fā)射之極直甘流放暴大系舊數(shù)：

Ic

c

ICNRc

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N

b

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IB

IBN

RB

IE

N

UBB

IEe若三舊極管?；鶚O椅開路揪，則IB=0陣，故有：ICE駱O為基燒極開哥路三橋極管數(shù)的集欄電極順電流臣，常銳稱為蠢穿透墾電流片。交流劃放大捎系數(shù)余是指岡電流刻變化劑量之基比。3.吐三蹤蝶極管致的三于種連閉接方翼式三極江管共增有三柜個(gè)極王，輸鋼入、部輸出晶各一穗個(gè)極訪，第勇三個(gè)享極是潮輸入往、輸鞏出回占路的喘公共底端，勝根據(jù)冊(cè)公共塌端的樸不同蛛，三板極管廚的可賓以分批為共拆基極籍、發(fā)語(yǔ)射極婆和集聚電極治三種趟連接滑方式踩。

IeIcce

bIcbIeecIbIbIbbIeeIcc(a)共基極(b)共發(fā)射極(c)共集電極4.夠三哲極管演的特汪性曲氣線三極形管外香部極璃間電樂壓與扮電流瓶的相艘互關(guān)演系稱蛙為三友極管脂的特卷性曲膽線。亞特性楊曲線胸比較襲直觀斧地反蝕映了泄各極為電壓棗與電轉(zhuǎn)流之挺間的竭關(guān)系礎(chǔ)。(1邪)輸團(tuán)入特油性即在UCE不變叔時(shí)，拐輸入處回路襪的IB與電市壓UBE之間淡的關(guān)趙系曲滲線。

iC

iBRC

RBiEUCCUBBib/μA

00.20.40.60.8UBE

輸入特性UCE=0VUCE≥1V80604020ic(mA)放大區(qū)飽和區(qū)

IB=60μA

IB=50μA

IB=40μAIB=30μAIB=20μAIB=10μA

IB=00UCE截止區(qū)輸出特性(2版)輸愈出特嚼性即在IB一定俊時(shí)，鞠輸出仍回路殘的IC與電遼壓UCE之間榆的關(guān)鉆系曲耍線。IB一定橋時(shí)，挑對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)一族償輸出嫁曲線片中的一條。該巷條曲青線分說(shuō)為三界階段女：上唱升、推轉(zhuǎn)折翼和平款坦。當(dāng)UCE很小切時(shí)，羅集電貧區(qū)收柜集電摧子的載能力克不夠忠，UCE的改存變對(duì)IC影響識(shí)很大把。當(dāng)UCE>1編V后，欠集電折區(qū)收得集電誓子能蘇力恢燭復(fù)正健常，UCE再增揪加，IC的增貪加趨拘勢(shì)減擋