电子技术基础知识(半导体器件)

第1讲第1章半导体器件1.1半导体的基础知识，P型硅，N型硅1.2PN结及半导体二极管1.3稳压二极管1.4半导体三极管1.5场效应管1.1.1本征半导体现代电子学中，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。Si硅原子Ge锗原子§1.1半导体的基本知识通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。在硅和锗晶体中，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。硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子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，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。+4+4+4+41.1.2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。载流子：电子，空穴N型半导体（主要载流子为电子[-]，电子半导体）P型半导体（主要载流子为空穴[+]，空穴半导体）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，其中四个与相临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。硅或锗+少量磷N型半导体N型半导体多余电子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSiP型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。硅或锗+少量硼P型半导体空穴P型半导体硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体10.2.1PN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P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动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。1.2.2PN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。PN结正向偏置－－－－++++内电场减弱，使扩散加强，扩散飘移，正向电流大空间电荷区变薄PN+_正向电流PN结反向偏置－－－－++++空间电荷区变厚NP+_++++－－－－内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流很小，A级1.2.3半导体二极管(1)、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PNPN符号阳极阴极(2)、伏安特性UI导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压U(BR)死区电压硅管0.5V,锗管0.2V。UIE+-反向漏电流（很小，A级）（3）静态电阻Rd，动态电阻rDUQIQUS+-R静态工作点Q（UQ，IQ）（3）静态电阻Rd，动态电阻rDiuIQUQQIQUQ静态电阻：Rd=UQ/IQ（非线性）动态电阻：rD=UQ/IQ在工作点Q附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为微变等效电阻例1：二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuOuiuott二极管半波整流例2：二极管的应用RRLuiuRuotttuiuRuo利用二极管的特性可以作半波整流和产生正负脉冲§1.3稳压二极管IZmax+-稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流IZ在Izmax和Izmin之间时,其两端电压近似为常数正向同二极管稳定电流稳定电压例：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200。若负载电阻变化范围为1.5k~4k，是否还能稳压？RLuiuORDZiiziLUZUZW=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用稳压二极管考察是否稳压的标准：Imax~Imin稳压值§1.4半导体三极管1.4.1基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型BECNPN型三极管BECPNP型三极管三极管符号NPNCBEPNPCBEBECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极+++++++++++++__________________________+++++++++++++1.4.2电流放大原理BECNNPEBRBEc发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。IE1进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB，多数扩散到集电结。IBBECNNPEBRBEcIE从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。IC2ICIB要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。静态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数=IC/IBIC=IB动态电流放大倍数IB：IB+IBIC：IC+IC=IC/IB一般认为：==，近似为一常数，值范围：20~100IC=IB1.4.3特性曲线ICmAAVVUCEUBERBIBUSCUSB实验线路(共发射极接法)CBERCIB与UBE的关系曲线（同二极管）（1）输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V死区电压，硅管0.5V工作压降：硅管UBE0.7V（2）输出特性(IC与UCE的关系曲线)IC(mA)1234UCE(V)3691240A60AQQ’=IC/IB=2mA/40A=50=IC/IB=(3-2)mA/(60-40)A=50=IC/IB=3mA/60A=50输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB,且IC=IB。此区域称为线性放大区。此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE死区电压,，称为截止区。输出特性三个区域的特点:(1)放大区BE结正偏，BC结反偏，IC=IB,且IC=IB(2)饱和区BE结正偏，BC结正偏，即UCEUBE，IBIC，UCE0.3V(3)截止区UBE死区电压，IB=0，IC=ICEO0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？USB=-2V，IB=0，IC=0，Q位于截止区USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019mAIC=IB=500.019=0.95mAICS=2mA，Q位于放大区IC最大饱和电流ICS=(USC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mAICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEICUCEIBUSCRBUSBCBERC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？USB=5V，IB=(USB-UBE)/RB=(5-0.7)/70=0.061mAIC=IB=500.061=3.05mAICS=2mA，Q位于饱和区(实际上，此时IC和IB已不是的关系）三极管的技术数据：（自学）（1）电流放大倍数（2）集-射间穿透电流ICEO（3）集-射间反向击穿电压UCEO(BR)（4）集电极最大电流ICM（5）集电极最大允许功耗PCM§1.5场效应晶体管场效应管与晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种:N沟道P沟道耗尽型增强型耗尽型增强型MOS绝缘栅场效应管（N沟道）（1）结构PNNGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层金属铝N导电沟道未预留N沟道增强型预留N沟道耗尽型PNNGSDGSDN沟道增强型（2）符号N沟道耗尽型GSD栅极漏极源极耗尽型N沟道MOS管的特性曲线IDmAVUDSUGS实验线路(共源极接法)GSD输出特性曲线UGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V夹断电压UP=-2V固定一个UDS，画出ID和UGS的关系曲线，称为转移特性曲线耗尽型N沟道MOS管的特性曲线转移特性曲线0IDUGSUP夹断电压跨导gmUGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V=ID/UGS=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/VUGSID本课重点（1）二极管的特性曲线，静态电阻，动态电阻。（2）稳压二极管的特性曲线及稳压计算。（3）晶体管的特性曲线，三个工作区域，电流放大倍数。（4）N沟道MOS绝缘栅场效应管的特性曲线，跨导。