第二章半导体基本器件

第二章 半导体基本器件第一节 半导体二极管一、半导体基本知识1、半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，通称半导体。如：硅、锗以及大多数金属氧化物和硫化物等。纯净半导体具有以下特殊性能：热敏性温度升高时，半导体的导电能力明显增强。因此,可用来制成热敏元件,如：温度传感器、控制电饭煲的热敏元件等。光敏性-受光线照射时，半导体的导电能力大为增强。因此,可用来制成光敏元件,如：发光管、受光管等。掺杂性-掺入微量杂质,其导电能力提高几十万乃至几百万倍。因此可用来制成半导体器件。2本征半导体(纯净半导体)由单一元素组成,并具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。本征半导体在一定温度下,原子最外层的电子受热激发成为“自由电子（-）”，并留下“空穴（+）”。在外电场作用下,自由电子与空穴向相反方向运动形成电流。自由电子与空穴通称“载流子.半导体受激发成对形成自由电子和空穴的同时,一部分空穴捕获自由电子,称为复合。常温下激发与复合动态平衡时,载流子较少，导电能力很差。温度越高，载流子越多，导电能力越强。3掺杂半导体(型和半导体)+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子N型半导体在本征半导体中掺入微量其它元素,形成两大类杂质半导体.一类是型半导体；另一类是型半导体。 (1)型半导体 在单晶硅或单晶锗中掺入少量价磷原子.磷原子的最外层个价电子与相邻原子形成共价键；另一个价电子受原子束缚很小，很容易激发成自由电子。 在这种杂质半导体中，多数载流子为自由电子（-)，少数载流子为空穴(），故称为电子型半导体或称型半导体。 自由电子导电是型半导体的主要导电形式.+4+4+4+4+4+4+4+4+3空穴P型半导体（2）型半导体 在单晶硅或单晶锗中掺入少量价硼原子。硼原子的最外层个价电子与相邻原子形成共价键;缺一个价电子形成空穴(+）.在这种杂质半导体中，多数载流子为空穴(+），少数载流子为自由电子（），故称为空穴型半导体或称型半导体. 空穴导电是型半导体的主要导电形式。+-+-P区N区空间电荷区内电场注意:虽然在杂质半导体中,型半导体多数载流子为自由电子（-），型半导体多数载流子为空穴（+），但是，从宏观看杂质半导体依然是电中性的。4、结的形成在一块纯净的半导体晶片上，采用特殊工艺方法，向两边分别掺入不同的杂质,便形成型和型半导体。扩散与复合案例一：水中加糖。 说明扩散与复合的概念。强调：形成扩散的原因-浓度差.在界面上区空穴（）向区扩散，留下负离子；区自由电子(-）向区扩散,留下正离子。两种半导体的界面上形成的空间电荷区，称为结。空间电荷区的正、负离子便产生内电场，由区指向区。强调：内电场的两个作用,阻挡多子扩散和推动少子漂移.多数载流子的扩散运动，形成扩散电流。在内电场作用下,少数载流子的漂移运动，形成漂移电流。扩散电流等于漂移电流时,达到动态平衡，净电流为零。此时，空间电荷区内可移动的载流子很少，呈现高电阻率.5、结的单向导电性如图,当区外接电源正极，区外接电源负极时（正向偏置),多数载流子扩散运动加强,空间电荷区变窄，内电场削弱，形成正向电流.正向电压越高，正向电流越大，结处于低阻状态，称为“导通”。如图,当区外接电源正极,区外接电源负极时（反向偏置），内电场增强，空间电荷区变宽，扩散电流被削弱,漂移电流加强,形成反向电流。反向电流是少数载流子的移动，反向电流很小.结处于高阻状态，称为“截止”。-+-RPNI空间电荷区变宽PN结反向偏置+-+-RPNI空间电荷区变窄PN结正向偏置结加正压时导通,加反压时截止，称结的单向导电性。二、二极管的符号及其主要参数1、结构在一个结的两端各接出电极引线，加上管壳密封，就构成是半导体二极管。P N外壳(阴极)(阳极)阳极引线阴极引线+ -图1.7 、类型按工艺分： 点接触型:二极管(锗管）所能通过的电流较小,承受反向电压较低，但其极间电容很小,高频性能较好.这类二极管主要用于高频电路,小功率场合以及作为数字电路中的开关元件。 面接触型:二极管（硅管）所能通过的电流较大，承受反向电压较高,但其极间电容很大,高频性能很差。这类二极管主要用于低频电路、整流电路。按用途分：整流、检波、稳压、光电、开关等等图1.8 二极管符号VD(阴极)+ -按材料分:硅管 多为面接触型；锗管 多为点接触型。3、二极管的符号、二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线描述了结两端电压与流过结电流之间的关系。即反映电压和电流相互关系的图形曲线。0图1.9 二极管的伏安特性曲线 正向导通当加正向电压较小时，结仍处于截止状态，电流几乎为零。当正向电压大于导通电压（开启电压)时，电流随电压增大而明显增大。反向截止当加反向电压时，结处于截止状态,反向电流很小。当反向电压大于击穿电压时，急剧增加，损坏结。工程上，通常取锗管硅管.二极管的特性与其工作环境的温度有很大关系。在室温附近，温度每升高，反向电流约增加一倍，二极管将失去单向导电的特性.5、二极管的主要参数 最大 整 流 电 流-二极管长期工作所允许流过的最大正向平均电流。 最高反向工作电压-允许施加在二极管两端的最大反向电压，通常规定为反向击穿的一半. 反 向 电 流二极管未击穿时的反向电流值。室温时,在规定的反向电压下，测出的反向电流约几十纳安（安)，但受温度影响大。 最高工作频率是工作频率的上限值.当电路的工作频率超过时,二极管失去单向导电性。反向恢复时间是二极管作开关应用时,由导通状态变为截止状态所经历的时间。约几纳秒。二极管由截止状态变为导通状态经历的时间比小。在实际应用中,二极管的有关参数是通过查器件手册获得的。6、稳压二极管 稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，它和普通二极管的区别是：制造工艺不同，它的击穿电压低，反向击穿电流大；工作环境不同，它工作在反向击穿区稳压二极管符号和伏安特性曲线如下图所示。0（a）伏安特性曲线 (b)符号图1.21 稳压二极管的伏安特性曲线和符号 +-由图可见,当反向电流在很大的范围内变化时，其端电压的变化却很小，因而具有稳压作用。 工作时稳压二极管的负极必须接高电位端。、稳压二极管的主要参数稳定电压 指流过规定电流时稳压二极管两端的反向电压值;稳定电流 是稳压二极管稳压工作时所对应的电流值，当工作电流低于时,稳压效果边差，当工作电流低于时，将失去稳压作用;最大耗散功率和最大工作电流 和是为了保证管子不被热击穿而规定的极限参数，由管子允许的最高结温决定,.通常：时，具有负温度系数，即温度上升，下降； 时,具有正温度系数，即温度上升，上升； 时，稳压效果最好。7、发光二极管 发光二极管的简称为，发光二极管通常用化学元素周期表中，族元素的化合物如砷化镓、磷化镓等制成。图1.23 发光二极管电路R+-其特点是：这种二极管通以正向电流时,其内部电子和空穴在复合时,以可见光的形式释放能量.采用不同的材料,可发出红、橙、黄、绿、蓝等颜色的可见光.发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但它的正向导通电压要大于，同时发光的亮度随通过的正向电流增大而增强，.工作电流一般为几毫安到几十毫安，典型值为左右。为能稳定可靠地工作，其反向击穿电压应在以下。发光二极管常用来作显示器件,除单个使用外，特可做成七段或矩阵列显示器。8、光电二极管 光电二极管的结构与普通二极管类似，使用时，光电二极管的结工作在反向偏置状态。其特点是：它的反向电流随光照强度的增加而上升，即它的反向电流与光的照度图1.24 光电二极管符号成正比。灵敏度的典型值为(勒克斯为照度的单位)数量级。 光电二极管可用来测量光的强度，大面积的光电二极管可用来作能源，即光电池。9、隧道二极管隧道二极管是采用砷化镓（GaAs）和锑化镓(aSb)等材料混合制成的半导体二极管，其优点是开关特性好，速度快、工作频率高；缺点是热稳定性较差。一般应用于某些开关电路或高频振荡等电路中。五、变容二极管变容二极管的作用变容二极管是利用N结之间电容可变的原理制成的半导体器件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。 第二节 半导体三极管一、 半导体三极管的基本结构和符号1、 三极管的基本结构、结构 双极型三极管是通过一定的工艺方法，使两个背靠背,共用一个中性区而构成的。由于结之间的相互影响，使晶体三极管具有放大作用，从而使得结的应用发生了质的变化。结构特点： 基区: 最薄,掺杂最少,多子浓度最低； 作用: 传递和控制载流子。射区： 掺杂最多,多子浓度最大; 作用： 发射多子。集区: 掺杂较多，多子浓度较大; 作用: 收集载流子.集电区的截面积大于发射区的截面积.、类型 按材料分：硅、锗;按管芯结构分：平面型硅管居多，合金型-锗管居多；按结构形式分:型硅管居多， 型锗管居多;按频率范围分：高频、低频;按功率大小分:大、中、小。2、符号bceNPN型bcePNP型二。三极管的电流放大原理三极管放大时必须具备的外部条件型 ;型.2、三极管内部载流子的传输过程 发射区向基区发射电子的过程： 因,结在正向电压的作用下,扩散运动增强，发射区的多子(自由电子）不断向基区扩散，并不断由电源得到补充,形成发射极电流;电子在基区的扩散和复合过程: 由于基区很薄且掺杂浓度最低，因此由发射区不断扩散够来的多子(自由电子)仅有很少部分与基区的空穴复合,形成基极电流；电子被集电区收集的过程： 由于基区很薄且掺杂浓度最低）,且仅有很少部分的电子被基区的空穴复合掉,而绝大多数的电子都能扩散到集电结的边缘，由于集电结反偏，对基区扩散来的电子有很强的吸引力，使这些自由电子几乎全部漂移过集电结而形成集电极电流。+RCcbeICIEIBVCcVBBRBICBOICNIBNNPN图2.3 三极管内部载流子的运动情况可见，三极管在外加正向电压的作用下，发射区向基区注入自由电子绝大部分都扩散到了集电区形成集电极电流，仅有很少部分电子在基区符合形成了基极电流。显然,发射极电流是由和共同构成，即 当发射极正向偏置电压改变时,发射区注入基区载流子数量将跟随改变,必然会引起基极电流的改变，而基极电流的很小改变，又将引起集电极电流产生较大的变化，通常用集电极电流与基极电流之比来反映三极管的放大能力，称为三极管共发射极电路的直流电流放大系数。当三极管制成后，值也就确定了。根据上面的关系，又得:这个公式,是利用估算法进行近似求解的常用公式。基极电流的很小改变，引起集电极电流产生较大的变化，这就是三极管的电流放大作用.或者说,三极管放大的实质是：通过基极电流对集电极电流的控制作用来实现电流放大的。思考问题：人们常说的三极管放大,是指它的电压放大能力，为什么？例 在一个放大电路中，测得某三极管三个电极的对地电位分别为：、，试判断该晶体管是型还是型，是硅管还是锗管，并确定三个电极.第一步,找出基极极.由放大的外部条件知，无论是何种类型的三极管，电位居中的肯定是基极-极，即本题的是基极。第二步，找出射极-极和管子的材料。依据是结正向导通时的值，本题中,即本题的是射极，同时知，此管是锗管。第三步，找出集极极。显然本题的必然是集极。第四步,判断管子的类型。依据三极管放大的外部条件和前面判断出来的三个电极之间的关系知，此管是型三极管。例 在某放大电路中接有一个不知型号的三极管，测得它的三个管脚的对地电位分别为：、，试判断该晶体管的三个电极，并说明管子的类型，是硅管还是锗管.解题思路:同上题。三、晶体三极管的特性曲线 三极管各电极电流与电压之间的关系可用伏安特性曲线来表示.、输入特性曲线 ,常数由图可见，三极管的输入特性曲线与二极管的形状基本相同.2、输出特性曲线由图可见，三极管的输出特性曲线有以下特点:（1）截止区条件：,三极管处于截止状态。极与极，极与极之间都近似开路。（2）放大区条件：（硅管，锗管)，发射结正向偏置,集电结反向偏置。满足: 式中：-共发射极电流放大系数（放大倍数）。（）饱和区条件：,发射结正向偏置，集电结也正向偏置。 硅管的； 锗管的 工作于饱和区三极管没有电流放大作用.此时的称为饱和压降。流入极和极的电流称为饱和电流和。且.公式是判断某个三极管是否进入饱和区的基本公式。四、晶体三极管的主要参数1、电流放大系数(1)共发射极电流放大系数直流电流放大系数:，手册中常用表示。2、三极管的极限参数集电极最大允许电流。 集电极允许通过的最大电流。当时，三极管被损坏。最大功率。 集电极允许的最大功率。超过允许功耗，三极管因过热被损坏。反向击穿电压五、共射放大电路的分析 1、分析的原则:先静后动。 2、分析的目的：静态，当时的工作状态， 目的是为了确定静态值-，,。 动态,当时的工作状态， 目的是为了确定动态值-，。 3、分析的步骤:画出直流通路直流电流通过的路径。方法是将电路中所有的电容元件开路即得.画出交流通路交流信号通过的路径。方法是将电路中所有的电容元件和直流电源短路即得.求解直流和交流参数。、直流分析工程近似分析法（估算法) 利用公式求解放大电路直流通路静态值的方法。共发射极放大电路的组成+-+-+-+-T基本共射放大电路(直流电源）：使发射结正偏,集电结反偏；向负载和各元件提供功率；、(耦合电容）:隔直流、通交流； （基极偏置电阻）：提供合适的基极电流；（集电极负载电阻)：使电流放大电压放大;输入回路:，得，即当和确定以后，便为固定值，所以常将这种电路称为固定式偏置放大电路，其中称为固定偏置电流,称为固定偏置电阻.输出回路：，得, 由可求得则、即为点值。例1、已知,，求点值。例2、已知，,，求、。断开放大电路中的所有电容，即得到直流通路,如下图所示,此电路又称为分压偏置式工作点稳定直电流通路。电路工作要求: 该电路交流信号的输入、输出回路均以发射极为公共通路，故称为共射放大电路。求静态工作点的方法,， 。例题 电路如图所示，已知三极管,，,， ,，,。求工作点“”;解：，,估算法：优点是方便、快捷。 缺点是信号电压过大时会产生失真. 适合于要求不高的场合。、交流分析小信号等效电路分析法（微变等效）微变等效:把非线性元件组成的电路等效成一个线性电路进行分析。等效条件:交流小信号；等效基础：交流通路：等效依据:交流信号很小时,三极管的动态参数呈线性变化，此时，三极管各极交流电压、电流的关系近似为线性关系。适用范围：小信号交流分量的分析。输入回路：交流小信号时，、之间的发射结对输入信号呈现一定的动态电阻.，式中:,三极管输出端交流短路时的输入电阻。其值与三极管的静态工作点有关。,三极管基区体电阻. 对于低频小功率管.输入端口:从输入端看进去，相当于电阻。输出端口:从输出端看进去,相当于一个受控制的电流源。 ,相当于参数模型中的。电压放大倍数，输入电阻：；输出电阻：；例题1、电路如图所示，已知三极管,，,， ,，。求： ,;解:第三节 场效应管 由空穴和自由电子两种载流子共同参与导电的半导体器件统称为双极型器件。若由空穴或自由电子中的一种载流子参与导电的半导体器件统称为单极型器件。 单双极型三极管又称场效应管，它有如下特点: 输入电阻非常高，可达； 噪声低；热稳定性好； 抗辐射能力强; 寿命长。根据场效应管的结构不同又分为结型场效应管和金属氧化物半导体场效应管两种类型。结型场效应管主要用于模拟电路，而金属氧化物半导体场效应管则主要用于数字集成电路.管制造工艺简单;集成度高;成本和功耗低等优点，而广泛应用于中、大规模集成电路之中。本书主要介绍管。一、管的分类管有增强型和耗尽型两类，每类又分沟道和沟道两种，它们的工作原理相同，因此，这里以增强型沟道管为例进行讨论。、增强型沟道管 结构与符号源极栅极漏极P型衬底N+N+衬底引线层耗尽层金属铝（b）DGSBbce图 增强型沟道管的结构与符号(a) 结构 (b) 符号 (a)结构特点: 以一块掺杂浓度较低的型硅片作基片(衬底)； 在衬底上面的左、右两侧利用扩散的方法形成两个高掺杂的区，并用金属铝分别引出源极和漏极两个电极； 在硅片表面生一层薄 绝缘层(约左右)。在漏、源极之间的绝缘层上喷金属铝引出栅极。 由于栅极与源极、漏极均无接触，故称为绝缘栅极.图中衬底极的箭头方向是加正向偏置时的电流方向.(2）工作原理 对导电沟道的影响： 当时，、之间为两个背对背的结，、之间无电流通过，处于高组状态;当外加电压满足(为开启电压）时,、之间产生一个由栅极指向型衬底的垂直电场，吸引区中电子形成离子区(耗尽层）；当时,衬底中少子电子被吸引到衬底表面,形成型导电沟道。 越大沟道越厚。 对的影响：、之间的电位差使沟道呈楔形，增大,靠近漏极端的沟道厚度变薄.当，漏极附近反型层消失，产生预夹断。预夹断发生之前，增大，也增大；预夹断之后，增大，不变.（3）转移特性曲线 与的关系曲线称为增强型场效应管的转移特性曲线。转移函数为：,常数.(）输出特性曲线 以为参变量,描述漏极电流与漏源电压之间关系的曲线称为场效应管输出特性曲线。输出 函数为： ,常数。 可变电阻区：，较小随线性变化，直到预夹断. 饱和(放大区) :较大，受控制具有放大能力 ，而与无关；加在耗尽层上，沟道电阻不变。 截止区:全夹断，失去放大能力。2、耗尽型沟道 （1）结构和符号 绝缘层中掺入正离子在时已形成沟道;在、之间加正电压时形成，时全夹断。（2)转移特性曲线和输出特性曲线 当时，在、之间加上正向电压(）,就会形成较大的漏极电流，该电流称为漏极饱和电流，用表示，当由零值正向增大时，反型层增厚，导电能力增强,更大；反之，当由零值向负值增大时，反型层变薄,减小,直到负向增大到某一数值时,反型层消失，场效应管截止。使反型层消失的栅源电压称为夹断电压，用表示。其转移函数为:，三场效应管的主要参数 1、直流参数 (1）开启电压：当时,管子导通，受控制。（)输入电阻:高值电阻，一般为。2、交流参数（低频或中频交流小信号参数)（）跨导:常数 手册中的值只有参考意义。具体应用时应根据测得的输出特性确定具体工作点上的值. （2）导通电阻：常数 在恒流区导通电阻很大。 (3)极间电容： 场效应管的三个极间电容都很小,约皮法拉级（)。但管子的开关速度及电路的工作频率上限与极间电容有关。、极限参数（1）最大漏极电流.(2）击穿电压。(3）最大允许耗散功率。文中如有不足，请您见谅！68 / 21