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1、 1 1 第一章半导体器件 1 2 第一章半导体器件 1 1半导体的基本知识 1 2PN结及半导体二极管 1 3特殊二极管 1 4半导体三极管 1 5场效应晶体管 1 3 1 1 1导体 半导体和绝缘体 导体 自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 绝缘体 有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 1 1半导体的基本知识 1 4 半导体的导电机理不同于其它物质 所以它具有不同于其它物质的特点 例如 当受外界热和光的作用时 它的导电能力明显变化 往纯净的半导体中掺入
2、某些杂质 会使它的导电能力明显改变 1 5 1 1 2本征半导体 一 本征半导体的结构特点 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体 现代电子学中 用的最多的半导体是硅和锗 它们的最外层电子 价电子 都是四个 1 6 本征半导体 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 在硅和锗晶体中 原子按四角形系统组成晶体点阵 每个原子都处在正四面体的中心 而四个其它原子位于四面体的顶点 每个原子与其相临的原子之间形成共价键 共用一对价电子 1 7 硅和锗的共价键结构 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 1 8 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为束缚电子 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子
3、 因此本征半导体中的自由电子很少 所以本征半导体的导电能力很弱 形成共价键后 每个原子的最外层电子是八个 构成稳定结构 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 1 9 二 本征半导体的导电机理 在绝对0度 T 0K 和没有外界激发时 价电子完全被共价键束缚着 本征半导体中没有可以运动的带电粒子 即载流子 它的导电能力为0 相当于绝缘体 在常温下 由于热激发 使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚 成为自由电子 同时共价键上留下一个空位 称为空穴 1 载流子 自由电子和空穴 1 10 自由电子 空穴 束缚电子 1 11 2 本征半导体的导电机理 在其它力的作用下 空穴吸引附近的电子
4、来填补 这样的结果相当于空穴的迁移 而空穴的迁移相当于正电荷的移动 因此可以认为空穴是载流子 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 即自由电子和空穴 1 12 温度越高 载流子的浓度越高 因此本征半导体的导电能力越强 温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素 这是半导体的一大特点 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 本征半导体中电流由两部分组成 1 自由电子移动产生的电流 2 空穴移动产生的电流 1 13 1 1 3杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 就会使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加 P型半导体 空穴浓度大大增加的杂质半导体 也称为
5、空穴半导体 N型半导体 自由电子浓度大大增加的杂质半导体 也称为 电子半导体 1 14 一 N型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 或锑 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代 磷原子的最外层有五个价电子 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键 必定多出一个电子 这个电子几乎不受束缚 很容易被激发而成为自由电子 这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子 每个磷原子给出一个电子 称为施主原子 1 15 多余电子 磷原子 N型半导体中的载流子是什么 1 由施主原子提供的电子 浓度与施主原子相同 2 本征半导体中成对产生的电子和空穴 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以 自由电子浓度远大于空
6、穴浓度 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 1 16 二 P型半导体 空穴 硼原子 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 1 17 三 杂质半导体的示意表示法 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流 但由于数量的关系 起导电作用的主要是多子 近似认为多子与杂质浓度相等 1 18 2 1 1PN结的形成 在同一片半导体基片上 分别制造P型半导体和N型半导体 经过载流子的扩散 在它们的交界面处就形成了PN结 1 2PN结及半导体二极管 1 19 P型半导体 N型半导体 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽 空间电荷区越宽 内电场越强 就使漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 1 2
7、0 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡 相当于两个区之间没有电荷运动 空间电荷区的厚度固定不变 1 21 空间电荷区 N型区 P型区 电位V V0 1 22 1 空间电荷区中没有载流子 2 空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴 N区中的电子 都是多子 向对方运动 扩散运动 3 P区中的电子和N区中的空穴 都是少 数量有限 因此由它们形成的电流很小 注意 1 23 2 1 2PN结的单向导电性 PN结加上正向电压 正向偏置的意思都是 P区加正 N区加负电压 PN结加上反向电压 反向偏置的意思都是 P区加负 N区加正电压 1 24 一 PN结正向偏置 P N 内电场被削弱 多子的扩散加强能够形
8、成较大的扩散电流 1 25 二 PN结反向偏置 N P 内电场被被加强 多子的扩散受抑制 少子漂移加强 但少子数量有限 只能形成较小的反向电流 R E 1 26 2 1 3半导体二极管 一 基本结构 PN结加上管壳和引线 就成为半导体二极管 点接触型 面接触型 1 27 二 伏安特性 死区电压硅管0 6V 锗管0 2V 导通压降 硅管0 6 0 7V 锗管0 2 0 3V 反向击穿电压UBR 1 28 三 主要参数 1 最大整流电流IOM 二极管长期使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 2 反向击穿电压UBR 二极管反向击穿时的电压值 击穿时反向电流剧增 二极管的单向导电性被破坏 甚至过热
9、而烧坏 手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半 1 29 3 反向电流IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流 反向电流大 说明管子的单向导电性差 因此反向电流越小越好 反向电流受温度的影响 温度越高反向电流越大 硅管的反向电流较小 锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍 以上均是二极管的直流参数 二极管的应用是主要利用它的单向导电性 主要应用于整流 限幅 保护等等 下面介绍两个交流参数 1 30 4 微变电阻rD uD rD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比 显然 rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻 1 31 5 二极管的极间电容 二极管的两极之间有
10、电容 此电容由两部分组成 势垒电容CB和扩散电容CD 势垒电容 势垒区是积累空间电荷的区域 当电压变化时 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化 这样所表现出的电容是势垒电容 扩散电容 为了形成正向电流 扩散电流 注入P区的少子 电子 在P区有浓度差 越靠近PN结浓度越大 即在P区有电子的积累 同理 在N区有空穴的积累 正向电流大 积累的电荷多 这样所产生的电容就是扩散电容CD 1 32 CB在正向和反向偏置时均不能忽略 而反向偏置时 由于载流子数目很少 扩散电容可忽略 PN结高频小信号时的等效电路 势垒电容和扩散电容的综合效应 1 33 二极管 死区电压 0 5V 正向压降 0 7V 硅二极管
11、 理想二极管 死区电压 0 正向压降 0 二极管的应用举例1 二极管半波整流 1 34 二极管的应用举例2 1 35 1 3 1稳压二极管 U IZ 稳压误差 曲线越陡 电压越稳定 UZ 1 3特殊二极管 1 36 4 稳定电流IZ 最大 最小稳定电流Izmax Izmin 5 最大允许功耗 稳压二极管的参数 1 稳定电压UZ 3 动态电阻 1 37 负载电阻 要求当输入电压由正常值发生 20 波动时 负载电压基本不变 稳压二极管的应用举例 稳压管的技术参数 解 令输入电压达到上限时 流过稳压管的电流为Izmax 求 电阻R和输入电压ui的正常值 方程1 1 38 令输入电压降到下限时 流过稳
12、压管的电流为Izmin 方程2 联立方程1 2 可解得 1 39 1 3 2光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升 1 40 1 3 3发光二极管 有正向电流流过时 发出一定波长范围的光 目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光 它的电特性与一般二极管类似 1 41 1 4 1基本结构 基极 发射极 集电极 NPN型 PNP型 1 4半导体三极管 1 42 基区 较薄 掺杂浓度低 集电区 面积较大 发射区 掺杂浓度较高 1 43 发射结 集电结 1 44 1 4 2电流放大原理 EB RB EC 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IBE 多数扩散到集电结 发射结正偏 发射区电子
13、不断向基区扩散 形成发射极电流IE 1 45 EB RB EC 集电结反偏 有少子形成的反向电流ICBO 从发射区扩散来的电子作为基区的少子 漂移进入集电结而被收集 形成ICE 1 46 IB IBE ICBO IBE 1 47 ICE与IBE之比称为电流放大倍数 要使三极管能放大电流 必须使发射结正偏 集电结反偏 1 48 NPN型三极管 PNP型三极管 1 49 1 4 3特性曲线 IC V UCE UBE RB IB EC EB 实验线路 1 50 一 输入特性 工作压降 硅管UBE 0 6 0 7V 锗管UBE 0 2 0 3V 死区电压 硅管0 5V 锗管0 2V 1 51 二 输出
14、特性 IC mA 此区域满足IC IB称为线性区 放大区 当UCE大于一定的数值时 IC只与IB有关 IC IB 1 52 此区域中UCE UBE 集电结正偏 IB IC UCE 0 3V称为饱和区 1 53 此区域中 IB 0 IC ICEO UBE 死区电压 称为截止区 1 54 输出特性三个区域的特点 放大区 发射结正偏 集电结反偏 即 IC IB 且 IC IB 2 饱和区 发射结正偏 集电结正偏 即 UCE UBE IB IC UCE 0 3V 3 截止区 UBE 死区电压 IB 0 IC ICEO 0 1 55 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2
15、V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 当USB 2V时 IB 0 IC 0 IC最大饱和电流 Q位于截止区 1 56 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 IC ICmax 2mA Q位于放大区 USB 2V时 1 57 USB 5V时 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 Q位于饱和区 此时IC和IB已不是 倍的关系 1 58 三 主要参数 前面的电路中 三极管的发射极是输入输出的公共点 称为共射接法 相应地还有共基 共集接法 共射直流
16、电流放大倍数 工作于动态的三极管 真正的信号是叠加在直流上的交流信号 基极电流的变化量为 IB 相应的集电极电流变化为 IC 则交流电流放大倍数为 1 电流放大倍数 和 1 59 例 UCE 6V时 IB 40 A IC 1 5mA IB 60 A IC 2 3mA 在以后的计算中 一般作近似处理 1 60 2 集 基极反向截止电流ICBO ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流 受温度的变化影响 1 61 B E C N N P ICBO进入N区 形成IBE 根据放大关系 由于IBE的存在 必有电流 IBE 集电结反偏有ICBO 3 集 射极反向截止电流ICEO ICEO受温度影响很大 当温度上升时 ICEO增加很快 所以IC也相应增加 三极管的温度特性较差 1 62 4 集电极最大电流ICM 集电极电流IC上升会导致三极管的 值的下降 当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM 5 集 射极反向击穿电压 当集 射极之间的电压UCE超过一定的数值时 三极管就会被击穿 手册上给出的数值是25 C 基极开路时的击穿电压U BR CEO 1 63 6 集电极最大允许功耗P
