計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)（第2版）半導(dǎo)體器件

計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ) 半導(dǎo)體器件 教學(xué)提示： 半導(dǎo)體器件是構(gòu)成電子線路的基本單元， 掌握半導(dǎo)體器件的基本特性是分析電子線路的基礎(chǔ)。 本章首先討論半導(dǎo)體的特性，然后分別介紹 極管、三極管、場效應(yīng)管 (和晶閘管 )的基本知識。 教學(xué)目的： 型半導(dǎo)體、 2. 掌握半導(dǎo)體二極管、三極管和場效應(yīng)管工作原理、 伏安特性和主要參數(shù)； 3. 了解其它類型的半導(dǎo)體器件。 主要內(nèi)容 半導(dǎo)體與 半導(dǎo)體二極管 半導(dǎo)體三極管 場效應(yīng)管 復(fù)合管 半導(dǎo)體與 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體 . 常用的半導(dǎo)體材料是鍺（ 硅（ 本征半導(dǎo)體 最外層都有四個價電子 ; 每一個價電子都和鄰近原子 的價電子組成一對共價鍵， 形成相互束縛的關(guān)系。 定狀態(tài)。 這時半導(dǎo)體內(nèi)部沒有任何帶電的粒子存在， 半導(dǎo)體材料相當(dāng)于 絕緣體 。 溫度或外界光照影響下， 價電子 電子得到能量，其中少數(shù) 能量較大的 價電子可以擺脫共價鍵的束縛而形成 自由電子 ,這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā) 穴對 : 價電子脫離了共價鍵束縛后，在原共 價鍵中缺少一個應(yīng)有的電子而留下了 “ 空穴 ” ，形成電子空穴對 . “空穴 ” 因失去電子而形成的， 被視為帶單位正電荷 . 帶正電荷的空穴，會吸引相鄰原子上的價電子來填補(bǔ) (復(fù)合 )，而在這個價電子的原來地方留下新的空穴。 空穴 (+)和電子 (-)都是帶電的粒子，稱為載流子 . 空穴和電子的運(yùn)動是雜亂無章的 , 在本征半導(dǎo)體中不構(gòu)成電流。 在外界環(huán)境影響下，電子和空穴 的激發(fā)和復(fù)合是同時 進(jìn)行的，并保持動態(tài)平衡，使電子空穴的濃度保持不變。 隨著溫度的升高，本征激發(fā)會提高電子空穴對濃度。 型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體中空穴 (+)和電子 (-)是等量的而且很少 . 在本征半導(dǎo)體中摻入微量的其它 (雜質(zhì) )元素 ,摻雜后的半導(dǎo)體 質(zhì)半導(dǎo)體。 摻雜的元素不同， 雜質(zhì) )半導(dǎo)體和 N(雜質(zhì) )型半導(dǎo)體。 在本征半導(dǎo)體鍺或硅中摻入五價的磷 (P)或銻 (素，雜質(zhì)原子代替本征半導(dǎo)體晶格中的某些鍺或硅的原子，并提供一個多余價電子，它僅受本身原子核的吸引，只要獲得少量的能量就能掙脫原子核的束縛而成為自由電子。 五價的雜質(zhì)元素提供多余 的價電子，稱此雜質(zhì)為 施主雜質(zhì) 。 摻入施主雜質(zhì)后的半導(dǎo)體中 自由電子的濃度遠(yuǎn)大于空穴， 這樣的半導(dǎo)體稱為 自由電子稱為 多數(shù)載流子 ， 空穴稱為 少數(shù)載流子 . 五價的雜質(zhì)原子由于給出一個 價電子后成為 帶正電荷的離子 , 它是被束縛在半導(dǎo)體晶格中不能移動而不能參與導(dǎo)電。 空穴 在本征半導(dǎo)體鍺或硅中摻入三價的元素 (B)或 ( 三價元素的原子代替本征半導(dǎo)體晶格中（鍺或硅）的原子。 由于三價元素只有三個價電子，使第四對共價鍵留下 “ 空穴 ” ，鄰近原子共價鍵上的電子只需獲得少量的能量就能填補(bǔ)這個空穴， 三價的雜質(zhì)元素的原子能接受電子，故稱為 受主雜質(zhì) 。 摻雜后的半導(dǎo)體中 空穴為多數(shù)載流子 ， 自由電子為少數(shù)載流子 ，這樣的半導(dǎo)體稱為 負(fù)離子 多子空穴 少子電子 型半導(dǎo)體 簡化結(jié)構(gòu) 純凈的半導(dǎo)體晶片上， 一邊摻雜成 一邊摻雜成 如下圖 . 1): 濃度的差異引起載流子 的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動 . 擴(kuò)散從 區(qū)的交界處開始。 空穴擴(kuò)散到 在 電子擴(kuò)散到 2)空間電荷區(qū) : 在 區(qū)的交界附近形成一個不能移動的正、負(fù)離子的空間電荷區(qū)稱為 3) 由正、負(fù)離子組成的空間電荷區(qū) ,其電場是由 區(qū)， 即 (見上頁圖 ) 內(nèi)電場力阻礙多子的擴(kuò)散，有利于雙方少子向?qū)Ψ竭\(yùn)動 (飄移 運(yùn)動 )。飄移運(yùn)動所形成的電流稱為飄移電流。 4)動態(tài)平衡 少子的飄移運(yùn)動 (復(fù)合對方的離子 )會使空間電荷區(qū)變窄， 消弱了內(nèi)電場。使內(nèi)電場力減小，又有利于擴(kuò)散的進(jìn)行。 擴(kuò)散 空間電荷區(qū) 內(nèi)電場力 飄移運(yùn)動 消弱了內(nèi)電場 動態(tài)平衡 間電荷區(qū)穩(wěn)定 (1)如圖 區(qū)接電源的正極， 外電場消弱了內(nèi)電場，使 變窄，破壞了原動態(tài)平衡，多子的 擴(kuò)散大于少子的飄移，外電路可測 到一個正向電流 I，此時稱為 . 電阻 . 會有不同的導(dǎo)電特性。 (2): 如圖 . 外電場增強(qiáng)了內(nèi)電場 ， 使 破壞了原有的 動態(tài)平衡 ， 加強(qiáng)子的飄移運(yùn)動 。 少子的數(shù)量很少 少子的 飄移運(yùn)動產(chǎn)生的電流很小 ， 可忽略不計(jì) ， 此時稱為 電阻 。 (3) 正向?qū)ǎ?反向截止 。 半導(dǎo)體二極管 基本結(jié)構(gòu) 一個 加上外殼 封裝 ,如右圖 (a)。 半導(dǎo)體二極管用圖 (b)符號表示 . 加工工藝不同 ,二極管 類型 : 點(diǎn)接觸型二極管 : 過電流小。結(jié)電容小，多用于 高頻與開關(guān)電路。點(diǎn)接觸型二極管多是鍺管。 面接觸型二極管 : 通過大的電流，工作頻率低， 多用于整流電路。此類管一般是硅管。 伏安特性 伏安特性曲線 : 是指流過二極管的電流和二極管兩端電 壓之間的關(guān)系曲線，如下圖。 流過二極管的電流才隨電壓的 增加而呈指數(shù)式大 導(dǎo)通區(qū) 死區(qū) )電壓。 鍺管 :硅管 : 使二極管上有明顯的電流流過，鍺管正向電壓應(yīng)取 ( ; 硅管正向電壓應(yīng)取 (， 這個電壓稱為二極管導(dǎo)通電壓 向?qū)▔航?)。 死區(qū) 導(dǎo)通區(qū) 1): 二極管加反偏置電壓時 ， 只有少數(shù)載流子的飄移運(yùn)動產(chǎn)生微 小的反向電流 ，稱為反向飽和電流 極管反向截止 。 2) 當(dāng)反向電壓加大到某一數(shù)值時 ， 反向電流將會急劇增加 ， 稱為反向擊穿 ， 該反向電壓稱為反向擊穿電壓 這時 ， 二極管失去單向?qū)щ姷奶匦?。 主要參數(shù) 大正向平均電流 . 的極限參數(shù) 。 向?qū)щ娦阅芎脡牡闹笜?biāo) . 穩(wěn)壓二極管 (左圖 ) 當(dāng)二極管兩端的反向電壓加大到一定程時 , 反向電流急劇增加大 極管反向擊穿特性 . 在這區(qū)間里，反向電流在很大范圍內(nèi)變化， 而二極管兩端電壓基本不變。 采用特殊的工藝可制作成穩(wěn)壓二極管， 它在電路中能起到穩(wěn)壓的作用。工作在反向穿 狀態(tài)下，它的反向擊穿是可逆的。 (1)穩(wěn)定電壓 是穩(wěn)壓二極管正常工作時的穩(wěn)壓 值 (2)穩(wěn)定電流 常穩(wěn)壓時的最小工作電流 。 (3)動態(tài)電阻 穩(wěn)壓性能越好 . 正向特性 反向特性 V I 半導(dǎo)體三極管 三極管的基本結(jié)構(gòu) 一塊半導(dǎo)體基片上摻雜形成三個區(qū)。由 區(qū)的排列不同， 三極管分成兩類： 圖 (a)和 (b)所示。 三個區(qū) 兩個結(jié) 三個極 三極管的電流放大作用 。 發(fā)射結(jié)有明顯的電流流過， 鍺管正向電壓應(yīng) ( ; 硅管正向電壓應(yīng) (， (正向?qū)▔航?)。 。 三極管 (要實(shí)現(xiàn)放大的 條件 :如圖 (a)所示 。 E (1)電子向基區(qū)擴(kuò)散形成電流 (2)空穴，向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散形成電流 (3)兩者的電流方向相同，形成發(fā)射極電流 E = (1)電流 絕大多數(shù)都能穿越基區(qū)到達(dá)集電結(jié)附近。 (2)區(qū)和集電區(qū)的少子互向?qū)Ψ斤h移，形 成飄移電流 為反向電流。 (3) 上已知 :基區(qū)中多子 空穴，向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散形成電流 4) 組成基極電流 (5 C (1) 集結(jié)在集電結(jié)附近發(fā)射區(qū)發(fā)射過來的大量電子 , 被 流向 形成 (2)上已知 :基區(qū)和集電區(qū)中少子飄移 ， 產(chǎn)生飄移電流 3) 集電極電流 : - + (5 C 已知 :式 (5 (5 (5下 : (5 (5 - + (5而 (5(5得 即 : 析可看出： 發(fā)射極電流 把三極管看成一個結(jié)點(diǎn) ， 根據(jù)基爾霍夫電流定律 ， 則可寫成 : 將 由于 , 稱為直流 放大 倍數(shù) 同樣可寫成電流變化量比 : 稱為交流放大倍數(shù) 在實(shí)際中 ， 兩個放大倍數(shù)在數(shù)值上很接近 ， 常相互替換 . 可看出 :當(dāng) 很小的變化時，就會控制 很大變化 . B I I 在上述分析的圖 (a)電路中 : 發(fā)射極是基極回路 (輸入回路 )和集電極回路 (輸出回路 )共有 ， 此電路的接法稱為共發(fā)射極電路 。 所以這里的電流放大系數(shù)的全稱應(yīng)為共發(fā)射極電流放大系數(shù) ， 簡稱為電流放大系數(shù) 。 對于具體的某個三極管 ， 它一旦制作完成 ，其電流放大系數(shù)就確定了而不會改變 。 三極管伏安特性曲線 伏安特性曲線包括輸入特性曲線和輸出特性曲線 見圖 )或用晶體管圖示儀獲得 。 輸入回路 輸出回路 輸入回路的函數(shù)關(guān)系式： f (發(fā)射極之間的電壓 基極回路中基極電流 發(fā)射極間電壓 右圖所示 。 集電結(jié)加有反向偏置電壓 : 輸入特性曲線和二極管的伏安特性曲線相同 (1)死區(qū) : 死區(qū) 導(dǎo)通區(qū) 基極電流 集電極回路中 發(fā)射極間電壓 函數(shù)關(guān)系式為 : f ( 常數(shù) 完整的輸出特性曲線如右圖 . 輸出特性曲線分成三個工作區(qū)域 : 截止區(qū)： 飽和區(qū)： 放大區(qū)： 代表三極管的三個不同的工作狀態(tài) 。 放大區(qū) 輸出特性曲線 (1)截止區(qū)： 位于輸出特性曲線的最下端 ， 三極管的兩個結(jié)都處于反向偏置狀態(tài) ， 即 正向偏置 ， 集電結(jié) ( 可看出： 的關(guān)系 。 和工作狀態(tài) ， 一般認(rèn)為：當(dāng) 極 型的襯底相連接 . 在靠 近絕緣層表面 應(yīng)負(fù)電荷隨著 生 N+型 層 兩個 N+型區(qū)之間形 成了一條 形成 稱為開啟電壓 (2)區(qū)中的電子就會沿 著導(dǎo)電溝道到達(dá)漏極，形成漏極電流 加大 電溝道加寬，導(dǎo)電能力增 強(qiáng)， 曲線 ,反映了 GS(，溝道形成，加上 生且會隨著 (3)隨著 電溝道加寬，導(dǎo)電能力增強(qiáng)， 輸出特性曲線可分成三個區(qū) : 在 區(qū)中 :當(dāng) GS(， 為可變線性電阻區(qū) 在 區(qū)中 : 而是維持在某一個數(shù)值上， 稱為恒流區(qū)。 呈現(xiàn)出很大的輸出電阻 在不同的柵源電壓下，漏極的電流是呈線性增大的 跨導(dǎo) 效應(yīng)管是電壓控制器件 。 跨導(dǎo) - 柵源電壓對漏極電流控制能力的強(qiáng)弱 。 在 數(shù)時 ， 單位為西 門子 ， 符號為 S， 一般為毫西 ( 常數(shù)結(jié)型場效應(yīng)管 如右圖 5所示 : (1)在一低摻雜的 摻 雜成兩個高濃度的 P+區(qū) ， 形成兩 個 P+N 結(jié)耗盡層 。 (2)將兩個 P+區(qū)連接在一起 ， 作為控 制柵極(G). (3) 即 源極 (S)和漏極 (D). 形成一個 如果采用 控制柵極為 N+區(qū) ， 則成為 它們的符號如下圖所示 。 (右圖 ) (1)， ， 則 的電子 ， 在電場力的作用下 ， 就會 沿著兩個 P+區(qū)所形成的中間通道 (稱為 ， 從源極 (S)向漏極 (D)移動 ， 在外電路形成漏極電流 (2)在 之間加上反向偏置 (1， 所以 21極管 2復(fù)合的結(jié)果 : 復(fù)合的結(jié)果是放大系數(shù)增大了 ， 但它的穿透電流也是同數(shù)量級地增