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文檔簡介
1、第1章普通半導體器件,1.1半導體基礎知識1.2半導體二極管1.3雙極晶體管1.4場效應晶體管,本征半導體,雜質半導體,與半導體有關的基本概念,自由電子,空穴,N型半導體,P型半導體,多數(shù)載流子,少數(shù)載流子,施主雜質,受主雜質,和自然物質可根據(jù)其導電性分為導體,半導體和絕緣體。常用的半導體材料是硅和鍺。半導體的導電性介于導體和絕緣體之間。半導體器件是電子電路的基本元件,其材料是經過特殊加工的具有可控性質的半導體材料。從導電性的角度來看,半導體既不能很好地傳導電流,也不能可靠地隔離電流。半導體主要有以下重要特性:(1.1)半導體的基本知識,熱敏特性,(2)光敏特性,和(3)摻雜特性。電子元件由半
2、導體材料制成,不是因為它的導電性介于導體和絕緣體之間,而是因為它的導電性會隨著溫度、光照或摻雜雜質的變化而顯著變化,這就是半導體的熱敏性、光敏性和摻雜特性。例如,純半導體硅,當溫度從30升高到40時,電阻率降低一半;然而,當溫度從30上升到100時,銅的電阻率不到一倍。在另一個例子中,室溫下純硅的電阻率為2.14105厘米。如果將濃度為百萬分之一的磷原子摻雜到純硅中,硅的純度仍然可以達到99.9999,但是其電阻率下降到0.2厘米,幾乎是原來的百萬分之一??梢钥闯?,當半導體被加熱或摻雜有雜質時,電導率將改變。人們可以利用半導體的熱敏和光敏特性制作各種熱敏元件和光敏元件,利用摻雜特性制作的P結是
3、各種半導體器件的主要組成部分。本征半導體具有晶體結構的純半導體。它在物理結構上是單晶。在現(xiàn)代電子學中,最常用的半導體是硅和鍺,它們的最外層電子(價電子)都是四個。1.本征半導體,本征硅和鍺的共價鍵結構,圖1-1硅和鍺(a)硅的原子結構模型;鍺;(c)原子簡化模型,共價鍵中的兩個電子在共價鍵中緊密結合,這稱為結合電子。常溫下束縛電子很難脫離共價鍵而成為自由電子,所以本征半導體中的自由電子很少,所以本征半導體的導電性很差,這與環(huán)境溫度密切相關。半導體材料特性對溫度的敏感性使得制造熱敏和光敏器件成為可能,這也是半導體器件溫度穩(wěn)定性差的原因。共價鍵形成后,每個原子最外層的電子是八個,形成一個穩(wěn)定的結構
4、。共價鍵具有很強的結合力,使原子排列規(guī)則并形成晶體。圖1.1.2電子-空穴對的產生和空穴的運動,本征半導體中的兩種載流子:自由電子和空穴,空穴共價鍵中的空位??昭ǖ倪\動是通過相鄰共價鍵中的價電子依次填充空穴來實現(xiàn)的??昭ǖ亩ㄏ蜻\動形成空穴流。本征半導體中的電流是電子電流和空穴電流的總和(而只有自由電子在導體中傳導)。固有激發(fā)半導體在熱沖擊下產生自由電子-空穴對。復合自由電子來填充空穴,同時使它們消失。在本征半導體中,有兩個相反的激發(fā)和復合過程。當溫度不變時,這兩種狀態(tài)達到動態(tài)平衡,即本征激發(fā)產生的電子-空穴對的數(shù)量等于復合電子-空穴對的數(shù)量。這種狀態(tài)稱為動態(tài)平衡狀態(tài)(熱平衡)。半導體中自由電子
5、和空穴的數(shù)量分別用ni和pi的濃度(單位體積的載流子數(shù)量)表示。處于熱平衡的本征半導體具有一定的載流子濃度和自由電子濃度雜質主要是三價或五價元素。摻雜雜質的本征半導體稱為雜質半導體。n型半導體是摻雜有五價雜質元素(如磷)的半導體。(主要載流子是電子和電子半導體)P型半導體是摻雜有三價雜質元素(如硼)的半導體。(主要載流子是空穴和空穴半導體),(1)N型半導體,因為五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵,而額外的價電子因為不受共價鍵的束縛而容易形成自由電子。在n型半導體中,自由電子是主要由雜質原子提供的多數(shù)載流子;空穴是由熱激發(fā)形成的少數(shù)載流子。氮型半導體的導電性
6、主要取決于自由電子。摻雜的雜質越多,多重態(tài)(自由電子)的濃度越高,導電性越強。提供自由電子的五價雜質原子由于帶正電荷而變成正離子,所以五價雜質原子也被稱為施主原子。圖1.1.3氮型半導體,多余電子,硅原子,磷原子,(2)磷型半導體,因為三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時缺少價電子,在共價鍵中留下一個空穴。在p型半導體中,空穴是主要通過摻雜形成的多數(shù)載流子;自由電子是由熱激發(fā)形成的少數(shù)載流子。p型半導體主要通過空穴導電。摻雜的雜質越多,多重態(tài)(空穴)的濃度越高,導電性越強。雜質原子中的空穴很容易捕獲電子,使雜質原子變成負離子。因此,三價雜質原子也稱為受體原子。圖1.1.4 P型半導體、硼原子、硅
7、原子和空穴被認為具有一個單位的正電荷,可以移動。對于雜質半導體,多重態(tài)的濃度越高,少數(shù)載流子的濃度越低。多形性物質的濃度大約等于摻雜物質的濃度,因此它幾乎不受溫度的影響;少數(shù)載流子是由本征激發(fā)形成的,因此雖然其濃度很低,但對溫度非常敏感,這將影響半導體器件的性能。摻雜雜質對本征半導體的導電性有很大影響。一些典型數(shù)據(jù)如下:上述三種濃度依次相差106/cm3。(3)雜質對半導體導電性的影響;(1)PN結的形成:在同一半導體襯底上制作P型半導體和N型半導體,通過載流子的擴散和漂移在它們的界面形成pn結。1.1.3 PN結,半導體器件的核心是PN結。半導體二極管是單個PN結;半導體三極管有兩個PN結;
8、場效應晶體管的基本結構也是PN結。圖1 . 1 . 5pn結的形成。在動態(tài)平衡中,內部電場產生的電位差稱為內置電位差Uho。在室溫下,鍺的超高值為0.20.3伏,硅的超高值為0.50.7伏。在本征半導體的兩側,不同的雜質被擴散以分別形成氮型半導體和磷型半導體。此時,將在氮型半導體和磷型半導體的接合表面上形成以下物理過程:由于濃度差,空間電荷區(qū)形成內部電場,這促進了少數(shù)載流子漂移并防止多載流子擴散。最后,多載流子擴散和少數(shù)載流子漂移實現(xiàn)了動態(tài)平衡。多重態(tài)的擴散運動通過雜質離子形成一個空間電荷區(qū)。第二,PN結的單向導電性:正向導通和反向截止。圖1.1.6當PN結在直流電壓下導通時,內部電場減弱,使
9、擴散加強,擴散漂移,正向電流大。圖1.1.7當PN結在反向電壓下關閉時,內部電場增強并阻止擴散進行,有少量漂移,反向電流非常小。PN結加直流電壓時,電阻低,正向擴散電流大。當反向電壓施加到PN結時,它具有高電阻和小的反向漂移電流??梢缘贸鼋Y論,PN結具有單向導電性。3.PN j的電流方程V.PN結的電容效應:當改變施加到PN結的電壓時,PN結將呈現(xiàn)電容效應。(當電壓變化時,有一個電荷積累和放電的過程。)勢壘電容:相當于耗盡層寬度變化的電容。Cb是由空間電荷的積累引起的。在正向偏置中,勢壘電容Cb是主要因素。當直流電壓增加時,PN結變窄,空間電荷量減少,相當于PN結放電;當施加的直流電壓降低時,
10、PN結變寬,空間電荷量增加,這相當于PN結充電;變容二極管,圖1 . 1 . 12 p區(qū)少數(shù)載流子濃度分布曲線,這在反向偏置電壓變化時也有同樣的效果。從理論上推導出,這里是介電常數(shù),S是PN結面積,D是PN結寬度。擴散電容CD和CD是由PN結直流電壓變化時擴散過程中大部分載流子的積累引起的。在反向偏置中,擴散電容Cd是主要因素。當PN結正向偏置時,大多數(shù)載流子相互擴散,成為“少數(shù)載流子”(稱為“不平衡少數(shù)載流子”)。當正向偏置電壓改變時,這些少數(shù)載流子也有積累和放電的過程。根據(jù)理論分析,非對稱結的臨界電壓為:臨界電壓為溫度的電壓當量,為26mv在常溫下;是非平衡少數(shù)載流子的壽命;I是正向電流。
11、注意:1 .PN結的結電容Cj=Cb Cd。2.Cb和Cd在結構上與PN結并聯(lián),CdCb和Cd在正向偏置中起作用;Cb在反向偏置下工作。3.Cb和Cd的存在破壞了單向性。返回,1.2.1。幾種常見的半導體二極管結構,PN結加封裝和引線,成為半導體二極管。1.2半導體二極管,幾種形狀的二極管,幾種常見的二極管結構,二極管的物理圖片,圖1.2.3溫度對二極管伏安特性的影響,1.2.2。二極管的伏安特性,(1)最大整流電流IF指二極管長時間連續(xù)工作時允許通過的最大正向平均電流。在實際應用中,二極管的平均電流不能超過這個值。(2)最大反向工作電壓UR UR是指二極管使用時允許施加的最大反向電壓,通常取
12、UR=1/2U(BR)。如果二極管超過這個值,就有反向擊穿的危險。(3)反向電流IR指二極管未擊穿時的反向電流值。該值越小,二極管的單向導電性越好。(4)最高工作頻率調頻最高工作頻率主要由PN結的電容決定。當工作頻率超過fM時,二極管的單向導電性會惡化。1.2.3 .二極管的主要參數(shù),1.2.4。二極管的等效電路,(a)理想二極管,(b)正向導通時的恒定端電壓,(c)正向導通時端電壓與電流之間的線性關系,圖2伏安特性斷線得到的等效電路。二極管的微變化等效電路,及其在小范圍正向特性下工作時的正向特性即根據(jù)獲得的Q點微變化電導,然后在常溫(T=300K)下,得到交流小信號的等效模型,例1。二極管是
13、理想的二極管:導通電壓為0,正向壓降為0。二極管半波整流,開關電路,電路如圖所示,二極管是理想的二極管。得到AO的電壓值u AO。解決方法:先斷開D,以O為參考電位,即O點為0V。d陽極的電位為6V,陰極的電位為12V。陽極電位高于陰極電位,當連接時,d正向導通。導通后,D的電壓降等于零,即A點的電位是D陽極的電位。因此,AO的電壓值為6V。齊納二極管工作在反向擊穿狀態(tài),當工作電流IZ在Izmax和Izmin之間時,兩端電壓近似恒定,正向與二極管相同,工作電流,穩(wěn)定電壓,1.2.5齊納二極管,(1)穩(wěn)定電壓UZ,(2)動態(tài)電阻rZ,在穩(wěn)壓管規(guī)定的反向工作電流IZ下對應的反向工作電壓。,rZ=U
14、Z /IZ,(3)最大耗散功率PZM,(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin,(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù):=UZ/T,2。穩(wěn)壓二極管、穩(wěn)壓電路、#的主要參數(shù)有哪些穩(wěn)壓條件?#不添加r可以嗎?#上述電路ui是振幅大于UZ的正弦波。uo的波形是什么?UO=正常電壓穩(wěn)定期間的UZ。從圖1-17可以看出,當ui和rl改變時,UZ的電流應該滿足IZminIZmin,也就是說,當ui=uimax和rl=rlmax時,UZ的電流最大,應該滿足。限流電阻r的取值范圍是,如果獲得了RminRmax,則意味著在給定的條件下,此時有必要修改使用條件或重新選擇容量較大的齊納二極管。返回,1.3晶體管
15、(BJT),圖1.3.1晶體管的幾種常見形狀,雙極結型晶體管(BJT),氮磷型,磷磷型,結構和分類兩個PN結,三個引腳,兩種類型:氮磷型和磷磷磷型。1.3.1晶體管、集電極結、發(fā)射極結和BJT符號的結構和類型。由于PN結之間的相互影響,BJT呈現(xiàn)出不同于單個PN結的特性,并具有電流放大效應?;鶇^(qū):薄,低摻雜濃度,集電極區(qū):大面積,發(fā)射極區(qū):高摻雜濃度,結構特征,BJT放大的內部條件,以及發(fā)射極區(qū)的最高摻雜濃度;集電極區(qū)的摻雜濃度低于發(fā)射極區(qū)的摻雜濃度,面積大;基極區(qū)非常薄,通常在幾微米到幾十微米的范圍內,并且摻雜濃度最低。管芯結構的截面圖發(fā)射極結被正向偏置,發(fā)射極區(qū)域中的電子連續(xù)擴散到基極區(qū)域
16、,形成發(fā)射極電流ie。少數(shù)進入P區(qū)的電子與基極區(qū)的空穴復合形成電流IB,大部分電子擴散到集電極結。BJT放大的外部條件:發(fā)射極結的正向偏置,集電極結的反向偏置,Rc,1.3.2晶體管的電流放大,1。晶體管、EB、RB、Ec內載流子的移動,由于集電極結的反向偏置,從基極區(qū)擴散的電子漂移到集電極結并被收集形成集成電路。三極管放大電流的必要條件是發(fā)射極結的正向偏置和集電極結的反向偏置。工業(yè)工程=工業(yè)集成電路。根據(jù)KCL IE=IB IC,Rc,II。晶體管的電流分布運動關系,讓=集成電路/集成電路為共基極電流放大系數(shù)1 (0.90.99),根據(jù)KCL,集成電路=集成電路,讓=集成電路/集成電路為共發(fā)射極電流放大系數(shù)1 (10100)。一般來說,放大電路最好使用3080。第三章。晶體管的共發(fā)射極電流放大系數(shù),因為IC=IE,IB=IE IC=IE IE,所以=IC/IB=IE/(IE)=(1-),即與NPN管的關系,
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