第1章半導體器件第1章半導體器件

第1節 半導體基礎第2節 半導體二極管第3節 特殊二極管第4節 晶體三極管第5節 場效應管第1章重點PN結的形成及其單向導電性二極管的伏安特性三極管的工作原理與伏安特性第1節半導體基礎一、半導體導體：能夠導電的物質。如：金屬等絕緣體：不導電的物質。如：橡皮、陶瓷、塑料、石英等半導體：導電性能介于導體與絕緣體之間的物質。如硅、鍺、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等熱敏性：加熱時，其導電能力顯著提高。熱敏電阻摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質，其導電能力顯著提高。二極管，三極管等光敏性：光照時，其導電能力顯著提高。光敏電阻現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。GeSi1.本征半導體1432通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。完全純凈的、結構完整的半導體晶體，稱為本征半導體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的共價鍵結構共價鍵電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子Si硅和鍺的晶體結構共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵電子對后，每個原子的最外層電子是8個，這樣構成穩定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規則排列，形成晶體。+4+4+4+4+4+4+4+4本征半導體的導電機理空穴吸引臨近的電子對中的電子來填補，這樣的現象，結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為：空穴也是載流子。載流子：自由電子，空穴。成對出現，成對消失。空穴自由電子束縛電子激發與復合2.雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。使自由電子數目大大增加的雜質半導體稱為N型半導體/電子型半導體。使空穴數目大大增加的雜質半導體稱為P型半導體/空穴型半導體。+4+4+5+4N型半導體多余電子磷原子P型半導體+4+4+3+4空穴硼原子雜質半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體加入硼原子++++++++++++++++++++++++N型半導體加入磷原子1、本征半導體中自由電子和空穴的數量是否相等？為什么？？2、N型半導體中的載流子是什么？自由電子稱為多數載流子（多子），空穴稱為少數載流子（少子）。3、P型半導體中的載流子是什么？自由電子稱為少數載流子（少子），空穴稱為多數載流子（多子）。4、多數載流子由什么決定？少數載流子由什么決定？多子擴散運動少子漂移運動++++P型半導體N型半導體++++++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－內電場E空間電荷區,耗盡層,阻擋層二、PN結的形成接觸→濃度差→多子擴散→界面復合→空間電荷區→形成內電場E方向(N→P)內電場作用a.阻礙多子擴散,但是擴散愈多，E愈強b.利于少子漂移,但漂移愈多，E愈弱最終→動態平衡,穩定→耗盡層/阻擋層/空間電荷區就是PN結

PN結PN結正向偏置/正偏－－－－++++內電場外電場變薄PN+_內電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流，PN結導通。三、PN結的單向導電性PN結反向偏置/反偏－－－－++++內電場外電場變厚NP+_內電場被加強，多子擴散受到抑制。少子漂移得到加強，形成較小的漂移電流，PN結截止。PN結的單向導電性正向偏置 PN結導通反向偏置 PN結截止少子漂移電流(微)(P區高電位、N區低電位)(P區低電位、N區高電位)多子擴散電流（大）引線外殼線觸絲線基片點接觸型PN結面接觸型第2節半導體二極管/二極管一、結構和類型PN結加上引線和管殼，就成為半導體二極管。符號陽極正極陰極負極P區N區二、伏安特性UI導通壓降:硅管0.7V鍺管0.3V反向擊穿電壓UBR線性工作區門坎區/死區反向飽和區反向擊穿區死區電壓硅管0.5V鍺管0.2V三、二極管的主要參數1、最大整流電流IOM長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2、最高反向工作電壓URM允許施加的最高反向電壓，為反向擊穿電壓UBR的一半左右。3、反向電流IR指二極管加反向工作電壓時的反向電流。反向電流越小越好。它受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流比硅管要大幾十到幾百倍。4、最高工作頻率fMrd結電容四、理想二極管含義：正偏時，二極管完全導通（死區電壓為零

，正向電壓降為零，正向電阻為零）相當于二極管短路（對應于開關閉合）

反偏時，二極管完全截止（反向電流為零，反向電阻為無窮大）相當于二極管開路（對應于開關斷開）相當于理想的開關。例1：二極管的應用判斷二極管的通斷1.斷開D,2.求V+,V-,3.比較:V+>V-二級管導通(短路處理)V+<V-二級管截止(斷開處理)

五、二極管電路分析例2：二極管的應用：求ID1.判斷二極管是否導通？方法：先斷開二極管，再求電壓U。2.求ID2.72.78.72.7例3：二極管的應用已知兩個二極管的管壓降均為0.7V，求UF。搶先(優先)導通第3節特殊二極管穩壓誤差u0

iUZUZIZ+-曲線越陡，電壓越穩定特點：1、通常工作在反向擊穿區；2、反向擊穿特性較陡。伏安特性1.穩壓二極管/穩壓管主要參數1、穩定電壓UZ2、穩定電流IZ；最大穩定電流IZM3、電壓溫度系數Ctv4、最大允許功耗PZM=UZIZM；5、動態電阻rZ(越小輸出電壓越穩定)I穩壓管穩壓電路RLR整流濾波電路~220VUZIILIZUiUOIU思考題1、本征半導體是如何導電的？2、N型半導體中的多數載流子是什么？P型半導體呢？3、多數載流子與什么有關？少數載流子呢？4、PN結加什么電壓使空間電荷區變窄？有利于什么運動？5、穩壓二極管與普通二極管的區別在哪里？6、二極管的死區電壓是什么的反映？7、半導體器件的性能為什么受溫度的影響比較大？8、什么叫PN結的單向導電性？9、怎樣用萬用表判斷二極管的極性？10、二極管能否起穩壓作用？如能，舉例說明。第4節晶體三極管/晶體管/三極管一.基本結構、分類、符號BECNNP基極發射極集電極NPN型PNP集電極基極發射極BCEPNP型BECNNP基極發射極集電極基區：較薄，摻雜濃度低集電區：體積大，摻雜濃度低發射區：摻雜濃度高集電結發射結晶體管放大的外部條件：發射結正偏；集電結反偏。晶體管放大的內部條件：進入基區的電子少部分與基區的空穴復合，形成基極電流IB，多數擴散到集電結附近。二.晶體管的電流放大作用BECNNPEcIEEBRBICIBRC發射結正偏，發射區電子向基區擴散，形成發射極電流IE。從基區擴散來的電子作為基區的少子，漂移進入集電區，形成集電極電流IC。~

~

BECIBIEICPNP型三極管BECIBIEICNPN型三極管電流實際方向

實驗電路三、晶體管的特性曲線線性工作區工作壓降：硅管UBE0.7V鍺管UBE0.3V死區死區電壓：硅管0.5V鍺管0.2V1、輸入特性曲線（同二極管）IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V常數

當UCE大于一定的數值時，IC基本只與IB有關，IC=IB。2、輸出特性曲線條件：發射結正偏,集電結反偏。功能：電流放大

IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A放大區常數

IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AUCEUBE,集電結正偏，IC

<IB

，稱為飽和區。條件：發射結正偏集電結正偏飽和區UCES

硅管：0.3V鍺管：0.1V功能：RCE≈0近似電子開關接通

IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AIB=0,IC=ICEOUBE<死區電壓，稱為截止區。條件：發射結反偏集電結反偏IB=0截止區功能：RCE≈∞

近似電子開關斷開

例1.已知EC=10V,EB=5V,UBE=0.7V,RC=3kΩ，RB=200kΩ，β=100.求：1）IB，IC.

判斷三極管是否處于放大狀態.2）當RB=100kΩ時，三極管是否處于放大狀態？解：1）說明發射結正偏，集電結反偏，故三極管處于放大狀態。2).集電極臨界飽和電流：基極臨界飽和電流：當RB=100kΩ時，基極電流：故三極管處于飽和狀態。例2.測得在放大狀態的兩個三極管的電位分別為：2.5V、3.2V、9V和－0.7V、－1V、－6V，試判斷這兩個三極管的類型和管腳。解：三極管在放大狀態。說明發射結正偏，集電結反偏。對NPN：UBE>0、UCB>

0。說明VC>VB

>

VENPN型三極管一般為硅管UBE=0.7V，PNP型三極管一般為鍺管UBE=－0.3VBECBEC對PNP：UBE<

0、UCB<

0。則為VC<VB

<

VENPN型硅管PNP型鍺管四、主要參數1.電流放大系數β=(IC/IB≈IC/IB)(一般20-100)2.集-基反向飽和電流ICBO (CB之間PN結反向電流)3.穿透電流ICEO=(1+β)ICBO

ICUCEICUCE=PCMICMUCEO安全工作區4.集電極最大電流 ICM5.集射反向擊穿電壓 UCEO6.集電極最大耗散功率 PCM五.溫度對三極管參數影響第5節場效應管場效應管與三極管不同，它只由多子導電，稱為單極型晶體管。它是電壓控制器件。其輸入阻抗高，溫度穩定性好。場效應管結型絕緣柵型N溝道MOS管P溝道MOS管增強型耗盡型N溝道MOS管P溝道MOS管N溝道MOS管P溝道MOS管一、絕緣柵型場效應管的基本結構PN+GSDBN+N溝道NP+GSDBP+P溝道N溝道P型半導體:襯底,摻雜濃度低,引出B叫襯底引線N型半導體:摻雜濃度高,引出D叫漏極,S叫源極二氧化硅絕緣層,上為金屬鋁膜,引出G叫柵極PNNGSDGSDN溝道增強型N溝道耗盡型GSDPNNGSD予埋了導電溝道NPPGSDGSDP溝道增強型P溝道耗盡型GSDNPPGSD予埋了導電溝道UGS=0時D-S間相當于兩個PN結二、MOS