电路与电子技术 4 半导体器件.pdf

第4章半导体器件4.1 半导体基础知识4.2 半导体二极菅4.3 半导体三极管4.4 场效应管Z)4.1半导体基础知识自然界的物体根据其导电能力（电阻率）的不同，可划分为导体、绝缘体和半导体。半导体（Semiconductor）导电性能介于导体与绝缘体之间典型的半导体有硅Si、楮Ge以及碑化镇（GaAs）等。4.1.1 本征半导体晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价键中的两个电子，称为价电子。本征半导体的导电机理价电子在获得一定能量（温度升高 或受光照）后，即可挣脱共价键的 束缚，成为自由电子（带负电），同时留下一个空位，称为空穴（带 正电）。这一现象称为本征激发。温度愈高，晶体中产生的自由 电子和空穴便愈多。在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而 在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当 于正电荷的移动）。本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流自由电子作定向运动f电子电流价电子递补空穴f空穴电流 可以自由移动的带电粒子自由电子和空穴都称为载流子。注意：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。4.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素），形成杂质半导体。在常温下即可变1 LN型半导体 身饕工一掺入五价元素加，自由电子导电成为这种半 导体的主要导电方式，称为N 型半导体。磷原子 在N型半导体中自由电子是多数_）.a 口工 包八r载流子，空穴是少数载流子。2.P型半导体空穴掺入三价元素掺杂后空穴数目大量增 力口，空穴导电成为这种半 导体的主要导电方式，称 为P型半导体。在P型半导体中空穴是多 子，自由电子是少子。无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。fl 小结1、N型半导体中电子是多子，主要是由掺杂引起,空穴是少子，由本征激发产生.2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。3、不管掺杂的是P型半导体还是N型半导体，其中载 流子的数量远远多于本征半导体，因而杂质半导体的 导电能力比本征半导体强。杂质半导体的示意表示法3E1.在杂质半导体中多子的数量主要取决h（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量主要取决五士（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量 c（a.减少、b.不变、C.增多）。4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是上一 N型半导体中的电流主要是a（a.电子电流、b.空穴电流）4.1.3 PN结1.PN结的形成内电场越强，漂移运 动越强，而漂移使空间 少子的漂移运动电荷区变薄0P型半导体二内导体I OyGGGGiGG o O O O,GGGGIGGO O O O IGGGGh o O O O IGGGGIGG O O O O I,扩散和漂移 这一对相反的 运动最终达到 动态平衡，空 间电荷区的厚尸形成空间电荷区差。二身子的扩散运动度固定不变。扩散的结果使空 间电荷区变宽。空间电荷区就是PN结PN结的形成在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程：因浓度差多子的扩散运动f 由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场J J内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡空间电荷区的厚度固定不变 口 形成PN结V园2.PN结的单向导电性PN结加正向电压（正向偏置）VPVNPN结变窄。*G G G!GO。O-1-GGGGGJG!P 一,%十一内电场 NA外电场削弱了内电场 的作用，PN结 电阻减小，多 子的扩散加强,形成较大的扩 散电流。PN结正偏时，正向电流较大，PN结处于导通状态。3EPN结加正向电压（正偏,即Vp Vj特点：低电阻大的正向扩散电流3EPN结加反向电压（反向偏置）vPvNPN结变宽GGG：G。o o,GGGiG GO O O IG：e qqO O O|内电场被加强,PN结电阻增大,内电场 外电场N阻止多子扩散,有利于少子漂 移。由于少子 数量很少，形 成很小的反向 电流。PN结反偏时，反向电流较小，PN结处于截止状态。3EPN结加反向电压（反偏，即VpVj特点：高电阻很小的反向漂移电流在一定的温度条件下，由本征 激发决定的少子浓度是一定的,故少子形成的漂移电流是恒定 的，基本上与所加反向电压的 大小无关，这个电流也称为反 向饱和电流口。温度越高少子的数目越多，反向电流将增大。3E当PN结的反向电压增加到一定数 值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。电击穿可逆热击穿不可逆反向击穿电压反向击穿区3EPN结的性质-PN结的单向导电性PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现离电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单 向导电性。3E4.2半导体二极管2D+%PN结构示意图阴极常见的二极管封装形式口普通二极管的符大功率二极管封装形式3E4.2.1 二极管的结构与类型a)点接触型结面积小、结电容 小、正向电流小。用 于检波和变频等高频 电路。(b)面接触型结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流 整流电路。金属触丝N型楮片阳极引线*I(a)点接触型外壳N型硅铝合金小球阳极引线阴极引线U底座PN结金睇合金(b)面接触型N阴极引线(c)平面型用于集成电路制作工艺中 用于高频整流和开关电路中o PN结结面积可大可小,O阳极引线I 二氧化硅保护层P型硅阴极引线(C)平面型国产二极管命名方法举例:2 C P 10序号普通型（Z表示整流二极管）面接触型硅管（A表示点接触型错管）二极管3E4.2.2二极管的伏安特性特点：非线性反向击穿 电压U(BR),r正向特性P件N导通压降U一反向电流 在一定电压 范围内保持、常数。耀:逐猿蟀鳌承蟀鳏 反向特性 t祗袁袁袁我:掇羲亵袁禽意:巡;外加电压大于反向击 穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。A U死区电压硅管0.7 V错管0.3V、硅管0.5 V错管0.1V外加电压大于死区电 压二极管才能导通。3E二极管的伏安特性可用下式表示）=人（。5/收一1）其中：7s-反向饱和电流6-温度的电压当量且在曲温下（7 300K）kTVT=0.026V=26 mV+R伏安特性曲线q3E二极管的伏安特性受温度的影响较大。304.2.3二极管的主要参数(1):大整流电流/F二极管长时间工作时允许流过的最大正向平均电流。(2)最高反向工作电压Urm指二极管在使用时允许加的最高反向电压，一般取二极管 反向击穿电压的1/2。(3)反向饱和电流4指二极管工作在反向截止状态时的电流。3E二极管的广I特性的建模将指数模型小=八心伤-1）分段线性化,等效模型。1.理想模型得到二极管特性的开关正向偏置时 的电路模型特点：死区电压=0正向导通压降=0反向饱和电流二0+PdO-OO-O（加0，门）=0）反向偏置时 的电路模型+0DO-O O-O限幅电路例：已知：u.=18sin6)t V 二极管是理想的，试画 出U。波形。解：/二%；阴=8V%8V,二极管导通,48V“L/Z=1OV%=12VK=200 QR|izui DzZ 勺 Uz Rl7 E”=12mAUO4mm=2mA7?L=2kQ(1.5 kQ 4 kQ)设稳压管能够稳压，贝卜。=il=mo/Rl=L/z/Rl=10/2=5(mA)i=(&)仅=(12-10)/0.2=10(mA)G=i iL=10-5=5(mA)满足/zmin-Zmax所以假设正确，电路能稳压3E JuR|iz Iui DzZ 勺 UzrJI Uo(2)若负载电阻变化范围为1.5 kQ4kQ假设稳压管能够稳压，则当 KL=L5 kQ,iL=l0/L5=6.7(mA),rz=10-6.7=3.3mA当2?L=4kQ,iL=10/4=2.5(mA),iz=10-2.5=7.5 mA仍然满足 IzminW/zW/zmax所以假设正确，电路能稳压3EA光电二极管：反向电流随光照强度的增加而上升。符号光电二极管 发光二极管发光二极管：有正向电流流过时，发出一定波长范围的光 正向电压比一般二极管高，电流为几几十mA384.3 率导体三极管4.3.1 三极管的结构与特点半导体三极管有两种类型:NPN型和PNP型。发射机e b基板发射区集电结 b基区集电区集电结 C结发射结E结，P发射结PO C集电极PNP型三极管的结构与符号发射结/结构特点:集电区：、面积最大集电结面积大N集电极C?基区：最薄，掺杂浓度最低基极bPf心.AL Z4-发射结NEA发射极集电极和发射极能互换么?发射区：掺I杂浓度最高J4.3.2三极管的电流放大原理L三极管放大的外部条件 发射结正偏、集电结反偏 从电位的角度看：NPN发射结正偏 4%集电结反偏%PNP发射结正偏集电结反偏吃%/PNP管子吃 味VN PN结反偏：VPVN3E2.各电极电流关系及电流放大作用%(mA)00.020.040.060.080.10，c（mA）0.0010.7 01.5 02.303.103.954(mA)0.0010.7 21.5 42.363.184.051）IJIb近似等于一个常数2），E=，B+，C,，C，B，把基极电流及的微小变化能够引起集电极电流及较 大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的 变化，是CCCS器件。3.三极管内部载流子的运动/X集电结反偏，有少子形成的、反向电流从B0 0 J基区空穴向发 射区的扩散可 忽略。形成Tqe。P|EE6进入p区的电子 少部分与基区的 空穴复合，形成 电流4e，多数扩 I散到集电结。y从基区扩散来的、电子大部分在集 电结电场作用下 漂移进入集电区，发射结正偏，发射 1区电子不断向基区 扩散，形成发射极 r电流4。X_ _3E各电流关系：/E=/B+kC=CE+CBO，B=，BE，CBO，CE与4E之比称为共发射极 电流放大倍数=，CE=一，CB0，BE A+%B0生人二/人+(1+/CBOBl B+CEO若，B=0,则/冷&。集一射极穿透电流，温度Tf&。个忽略心。，有/e“g+B）4（常用公式）BK4.3.3三极管的共射特性曲线即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子 内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线：1）直观地分析管子的工作状态2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的 电路重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线3E测量晶体管特性的实验线路共发射极电路发射极是输入回路、输出回路的公共端3El输入特性zB=/（rBE）|Uce=常数特点:非线性SB2.输出特性/c=/（Uce）3常数 输出特性曲线通常分三个工作E：AZc(mA)放大区在放大区有/c=p/B,也称为线性区，具有恒 流特性。在放大区，发射结正偏、集电结反偏。3E（2）截止区0以下区域为截止区，有（=&。0。在截止区，发射结反偏，集电结反偏。截止区（3）饱和区当UceUbe时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，发射结、集电结均正偏。A/c(mA)饱和区IOOjliA80M60M特点：zcpzB深度饱和时：硅管UcesQ03V,错管Uces*01V。40M20M_/6=0等效:21o369a0输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏 特点：HHb，旦 Zc=Wb饱和区：发射结正偏，集电结正偏 特点：Ic VB VEPNP 型：VCVBVE(3)确定材料硅管：发射结导通压降0.7 V左右错管：发射结导通压降0.3V左右a0例3设工作于线性放大状态的三极管各管脚对地 的电位如下所示，试判断各管脚所属的电极，该 管是错管还是硅管？是NPN型还是PNP型？硅管PNP锚管 PNP3S4.3.4三极管的主要参数三极管的参数是设计电路、选用晶体管的依据。1.电流放大系数p、P当晶体管接成发射极电路时：直流电流放大系数 交流电流放大系数I AZP=f 拧注意：O AO而夕的含义不同，但在特性曲线近于平行等 距并且Go较小的情况下，两者数值接近。常用晶体管的/值在20200之间。例：在 Uce=6 V时，在 Qi 点/b=40jllA,/c=1.5 mA；在 Q2点/b=60liA,Jc=2.3mA oA，c（mA）在Qi点，有 加力孺=37.5 由Qi和备点，得=40“AZb 0.06-0.04在以后的计算中，一般作近似处理：/二瓦2.集-基极反向饱和电流/CB0Q（B0是由少数载流子的 漂移运动所形成的电流,受温度的影响大。温度 T f，CBC）T3.集-射极反向饱和电流（穿透电流）/CE0+I遭uA0Go受温度的影响大。温度Tf/CEOT，所以，C也相应增加。三极管的温度特性较差。，CEO=（1+/）4CBO3E晶体管参数与温度的关系1、温度每增加10,，CBO增大一倍。硅管优于错管。2、温度每升高1,Ube将减小-(22.5)mV,即晶体管具有负温度系数。3、温度每升高1,月增加0.5%1.0%。极限参数1.集电极最大允许电流/cm集电极电流左上升会导致三极管的胃值的下降，当B值下 降到正常值的三分之二时的集电极电流即为/CMo2.集-射极反向击穿电压U（br）ceo当集一射极之间的电压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久、基极开路时的击 穿电压U（br）CEO 密集电极最大允许耗散功耗PCMCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高 会烧坏三极管。Pc=，c Uce cm硅管允许结温约为150。e情管约为7090汽。aa由三个极限参数可画出三极管的安全工作区