補(bǔ)充章

1、(1-1),半導(dǎo)體器件基本知識(shí),(1-2),,§1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),1.1 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體,自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱(chēng)為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。,有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱(chēng)為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,另有一類(lèi)物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱(chēng)為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。,(1-3),半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。比如：,當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)

2、電能力明顯變化。-----（熱敏特性、光敏特性）,純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使導(dǎo)電能力明顯改變。-----(摻雜特性),(1-4),1.2 本征半導(dǎo)體,現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。,(1-5),通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。,完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。,在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于

3、四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。,(1-6),硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu),共價(jià)鍵,(1-7),硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),共價(jià)鍵----共用電子對(duì),+4表示除去價(jià)電子后的原子,形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。,(1-8),共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱(chēng)為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。,共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)

4、合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。,(1-9),本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,在絕對(duì)0度（T=0K）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。,在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴。,(1-10),本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,自由電子,空穴,束縛電子,(1-11),本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,,在其

5、它力的作用下，空穴吸引臨近的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為:空穴是載流子。,(1-12),本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。,溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。,(1-13),1.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中

6、摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。,其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子的濃度大大增加。,自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱(chēng)為N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體），空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱(chēng)為P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）。,(1-14),N型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不

7、受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱(chēng)為施主原子。,(1-15),N型半導(dǎo)體,多余電子,磷原子,在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，為施主原子。,(1-16),N型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？,1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。,2、本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。,3、摻雜濃度遠(yuǎn)大

8、于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱(chēng)為多數(shù)載流子（多子），空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子（少子）。,,(1-17),P型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱(chēng)為受主原子。,(1-18),空穴,

9、P型半導(dǎo)體,硼原子,在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，稱(chēng)為受主原子。,(1-19),總 結(jié),1、N型半導(dǎo)體中電子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，本征半導(dǎo)體中受激產(chǎn)生的電子只占少數(shù)。 N型半導(dǎo)體中空穴是少子，少子的遷移也能形成電流，由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。,2、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。,(1-20),雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法,

10、(1-21),§2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管,2.1 PN 結(jié)的形成,在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。,(1-22),,,P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,,,空間電荷區(qū),PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng),(1-23),擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。,內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,(1-24),所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡

11、，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。,(1-25),,,,,空間電荷區(qū),N型區(qū),P型區(qū),,,,,電位V,V0,,(1-26),1、空間電荷區(qū)中沒(méi)有載流子。,2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P中的空穴、N中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。,3、P中的電子和N中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。,請(qǐng)注意,(1-27),2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思是： P區(qū)加正

12、、N區(qū)加負(fù)電壓。,PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思是： P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。,(1-28),PN結(jié)正向偏置,P,N,+,_,內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。,(1-29),PN結(jié)反向偏置,,,,,,,,,,,,,,N,P,+,_,內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。,(1-30),2.3 半導(dǎo)體二極管,(1)、基本結(jié)構(gòu),PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體

13、二極管。,點(diǎn)接觸型,(1-31),面接觸型,(1-32),(2)、伏安特性,,死區(qū)電壓 硅管0.6V,鍺管0.2V。,,導(dǎo)通壓降: 硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。,,反向擊穿電壓U(BR),(1-33),(3)、主要參數(shù),（1）最大整流電流 IOM,二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。,（2）反向擊穿電壓VBR,二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過(guò)熱而燒壞。手冊(cè)上給

14、出的最高反向工作電壓VWRM一般是VBR的一半。,(1-34),（3）反向電流 IR,指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。,以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦园ㄕ?、限幅、保護(hù)等。下面介紹兩個(gè)交流參數(shù)。,(1-35),（4）微變電阻 rD,?vD,rD

15、是二極管特性曲線工作點(diǎn)Q附近電壓的變化與電流的變化之比：,顯然，rD是對(duì)Q附近的微小變化量的電阻。,(1-36),（5）二極管的極間電容,二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。,勢(shì)壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時(shí)，就會(huì)引起積累在勢(shì)壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢(shì)壘電容。,,(1-37),為了形成正向電流（擴(kuò)散電流），注入P區(qū)的少子（電子）在P區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P區(qū)有

16、電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。,這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容CD。,(1-38),CB在正向和反向偏置時(shí)均不能忽略。而反向偏置時(shí)，載流子很少，擴(kuò)散電容可忽略。,PN結(jié)高頻小信號(hào)時(shí)的等效電路：,勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng),(1-39),例：二極管的應(yīng)用：,uo,(1-40),§3 特殊二極管,3.1 穩(wěn)壓二極管,U,UZ,IZ,穩(wěn)壓誤差,曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。,-,(1-41),穩(wěn)壓二極管的參

17、數(shù),（1）穩(wěn)定電壓 UZ,（3）動(dòng)態(tài)電阻,(1-42),（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、 Izmian。,（5）最大允許功耗,(1-43),3.2 光電二極管,反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。,(1-44),3.3 發(fā)光二極管,有正向電流流過(guò)時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見(jiàn)波段的光，它的電特性與一般二極管類(lèi)似。,(1-45),§4 半導(dǎo)體三極管,4.1 基本

18、結(jié)構(gòu),基極,發(fā)射極,集電極,NPN型,PNP型,(1-46),基區(qū)：較薄，摻雜濃度低,集電區(qū)：面積較大,發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：,(1-47),發(fā)射結(jié),集電結(jié),(1-48),4.2 電流放大原理,,,,EB,RB,Ec,發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。,1,進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE ，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。,(1-49),,,,EB,RB,Ec,集電結(jié)反偏，有少子形成的反

19、向電流ICBO。,從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。,2,(1-50),IB=IBE-ICBO?IBE,3,(1-51),4,ICE與IBE之比稱(chēng)為電流放大倍數(shù),要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。,(1-52),NPN型三極管,PNP型三極管,(1-53),4.3 特性曲線,IC,實(shí)驗(yàn)線路,(1-54),（1）輸入特性,,死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。,,工作壓降： 硅管

20、UBE?0.6~0.7V,鍺管UBE?0.2~0.3V。,(1-55),（2）輸出特性,IC(mA ),,,,,,,,此區(qū)域滿足IC=?IB稱(chēng)為線性區(qū)（放大區(qū)）。,當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時(shí)，IC只與IB有關(guān)，IC=?IB。,(1-56),,此區(qū)域中UCE?UBE,集電結(jié)正偏，?IB>IC，UCE?0.3V稱(chēng)為飽和區(qū)。,(1-57),,此區(qū)域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE< 死區(qū)電壓，稱(chēng)為截止區(qū)。,(1-58),（

21、3）主要參數(shù),前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點(diǎn)，稱(chēng)為共射接法，相應(yīng)地還有共基、共集接法。,共射直流電流放大倍數(shù)：,1.電流放大倍數(shù) ? 和 ?,,(1-59),工作于動(dòng)態(tài)的三極管，真正的信號(hào)是疊加在直流上的交流信號(hào)?；鶚O電流的變化量為?IB，相應(yīng)的集電極電流變化為?IC，則交流電流放大倍數(shù)為：,(1-60),例：UCE=6V時(shí)：IB=40?A, IC=1.5mA； IB=60 ?A, IC=2.3mA。,在以后的計(jì)算

22、中，一般作近似處理：?=,(1-61),2.集-基極反向截止電流ICBO,ICBO是集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。,(1-62),3.集-射極反向截止電流ICEO,(1-63),,,,,,,B,E,C,N,N,P,,,,ICBO進(jìn)入N區(qū)，形成IBE。,根據(jù)放大關(guān)系，由于IBE的存在，必有電流? IBE。,集電結(jié)反偏有ICBO,例如：,(1-64),4.集電極最大電流ICM,集電極電流IC上升會(huì)導(dǎo)致三極管的?值的

23、下降，當(dāng)?值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為ICM。,所以集電極電流應(yīng)為：IC= ? IB+ICEO,而ICEO受溫度影響很大，當(dāng)溫度上升時(shí)，ICEO增加很快，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。,(1-65),5.集-射極反向擊穿電壓,當(dāng)集---射極之間的電壓UCE超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)，三極管就會(huì)被擊穿。手冊(cè)上給出的數(shù)值是25?C、基極開(kāi)路時(shí)的擊穿電壓U(BR)CEO。,(1-66),6.集電極最大允許功耗PCM,集電極電流