第二章常用半导体器件.docx
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第二章常用半导体器件
第二章常用半导体器件
根据物体的导电能力的不同,材料可分为三类:
导体、半导体和绝缘体。
半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料,半导体的电阻率为10-3~10-9cm。
典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别:
当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化;往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时,会使它的导电能力具有可控性;这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。
第一节二极管
一、半导体基本知识
纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。
常用的半导体材料是硅和锗,它们都是四价元素,在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。
把半导体硅的原子结构的简化成如图2-2(b)所示原子结构模型。
当硅或锗材料形成单晶体时,相邻两个原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子,它们一方面围绕自身的原子核运动,另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。
价电子不仅受到自身原子核的作用,同时还受到相邻原子核的吸引。
两个相邻的原子共有一对价电子,组成共价键结构。
图2-2(c)中显示,在晶体中,每个原子都和周围的原子靠共价键的作用紧密地联系起来。
图2-2半导体晶体结构
从共价键晶格结构来看,每个原子外层都具有8个价电子。
但价电子是相邻原子共用,所以稳定性并不能象绝缘体那样好。
受热、光、电磁辐射的影响,共价键中价电子的热运动加剧,一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。
游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位,叫空穴。
由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。
本征激发的结果,造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生,由此本征半导体的电中性被破坏,使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。
由于共价键是定域的,这些带正电的离子不会移动,即不能参与导电,成为晶体中固定不动的带正电离子。
图2-3所示。
图2-3半导体本征激发
由于共价键中其它一些价电子直接跳进空穴,使失电子的原子重新恢复电中性。
价电子填补空穴的现象称为复合。
参与复合的价电子又会留下一个新的空位,而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上,这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同于本征激发下的电荷迁移,如同在会场中,人(代表自由电子)往前运动,座位(代表空穴)向后运动一样。
为区别于本征激发下自由电子载流子的运动,我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。
本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现,同时又不断复合,在一定温度下达到动态平衡,载流子便维持一定数目。
温度愈高,载流子数目愈多,导电性能也就愈好。
所以,温度对半导体器件性能的影响很大。
金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电,而半导体中则是本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴两种载流子同时参与导电。
两种载流子电量相等、符号相反,即自由电子载流子和空穴载流子的运动方向相反。
结论:
本征半导体中电子空穴成对出现,且数量少;半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电;本征半导体导电能力弱,并与温度有关。
本征半导体中载流子数目极少,导电能力仍然很低。
但如果在其中掺入微量的杂质,所形成的杂质半导体的导电性能将大大增强。
由于掺入的杂质不同,杂质半导体可以分为N型和P型两大类。
N型半导体中掺入的杂质为磷或其他五价元素,磷原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时,多余的第五个价电子很容易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子,半导体中的自由电子数目大量增加,自由电子成为多数载流子,空穴则成为少数载流子。
图2-4所示。
P型半导体中掺入的杂质为硼或其他三价元素,硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时,因缺少一个价电子而形成一个空穴,于是半导体中的空穴数目大量增加,空穴成为多数载流子,而自由电子则成为少数载流子。
图2-5所示。
图2-4N型半导体图2-5P型半导体
二、PN结
1、PN结的形成
在一块完整的晶片上,通过一定的掺杂工艺,一边形成P型半导体,另一边形成N型半导体。
P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时,因为P区一侧空穴多,N区一侧电子多,所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。
于是P区中的空穴会向N区扩散,并在N区被电子复合。
而N区中的电子也会向P区扩散,并在P区被空穴复合。
这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。
上述过程如图2-6(a)所示。
结果在界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区,如图2-6(b)所示。
图2-6PN结的形成过程
在电场的作用下,载流子将作漂移运动,它的运动方向与扩散运动的方向相反,阻止扩散运动。
电场的强弱与扩散的程度有关,扩散的越多,电场越强,同时对扩散运动的阻力也越大,当扩散运动与漂移运动相等时,通过界面的载流子为0。
此时,PN结的交界区就形成一个缺少载流子的高阻区,我们又把它称为阻挡层或耗尽层。
2、PN结的单向导电性
(1)PN结外加正向电压。
PN结外加正向电压的接法是P区接电源的正极,N区接电源的负极。
这时外加电压形成电场的方向与自建场的方向相反,从而使阻挡层变窄,扩散作用大于漂移作用,多数载流子向对方区域扩散形成正向电流,方向是从P区指向N区。
如图2-7所示。
这时的PN结处于导通状态,它所呈现的电阻为正向电阻,正向电压越大,电流也越大。
图2-7PN结加正向电压
(2)PN结外加反向电压。
它的接法与正向相反,即P区接电源的负极,N区接电源的正极。
此时的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相同,从而使阻挡层变宽,漂移作用大于扩散作用,少数载流子在电场的作用下,形成漂移电流,它的方向与正向电压的方向相反,所以又称为反向电流。
因反向电流是少数载流子形成,故反向电流很小,即使反向电压再增加,少数载流子也不会增加,反向电压也不会增加,因此它又被称为反向饱和电流。
此时,PN结处于截止状态,呈现的电阻为反向电阻,而且阻值很高。
图2-8PN结加反向电压
由以上我们可以看出:
PN结在正向电压作用下,处于导通状态,在反向电压的作用下,处于截止状态,因此PN结具有单向导电性。
3、PN结的击穿
PN结处于反向偏置时,在一定的电压范围内,流过PN结的电流很小,但电压超过某一数值时,反向电流急剧增加,这种现象我们就称为反向击穿。
击穿形式分为两种:
雪崩击穿和齐纳击穿。
对于硅材料的PN结来说,击穿电压>7v时为雪崩击穿,<4v时为齐纳击穿。
在4v与7v之间,两种击穿都有。
由于击穿破坏了PN结的单向导电性,因此一般使用时要避免。
需要指出的是,发生击穿并不意味着PN结烧坏。
三、二极管的结构与特性
1、二极管的结构与类型
把PN结用管壳封装,然后在P区和N区分别向外引出一个电极,即可构成一个二极管。
P型区的引出线称为正极或阳极,N型区的引出线称为负极或阴极。
单向导电性是二极管的重要特性,即正向导通,反向截止
二极管的结构外形及在电路中的文字符号如图2-9(a)所示,在图2-9(b)所示电路符号中,箭头指向为正向导通电流方向。
半导体二极管有许多种类。
按材料分为锗管、硅管和砷化镓管等。
按结构分为点接触型、面接触型和平面型,见图2-10。
点接触型结电容小,适合高频电路应用,面接触型能通过较大的电流,但结电容较大。
适合整流电路应用,平面型可以根据需要制作成各种类型的二极管。
(a)点接触型(b)面接触型(c)平面型
图2-10二极管类型
2、二极管的伏安特性
半导体二极管的核心是PN结,它的特性就是PN结的特性——单向导电性。
常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。
若以电压为横坐标,电流为纵坐标,用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线连接起来,就构成二极管的伏安特性曲线,如图2-11所示(图中虚线为锗管的伏安特性,实线为硅管的伏安特性)。
其数学表达式为:
图2-11二极管的伏安特性曲线
(1)正向特性
二极管两端加正向电压时,就产生正向电流,当正向电压较小时,正向电流极小(几乎为零),这一部分称为死区,相应的A(A′)点的电压称为死区电压或门槛电压(也称阈值电压),硅管约为0.5V,锗管约为0.1V,如图2-11中OA(OA′)段。
当正向电压超过门槛电压时,正向电流急剧地增大,二极管呈现很小电阻处于导通状态。
硅管的正向导通压降约为0.6~0.7V,锗管约为0.2~0.3V,如图2-11中AB(A/B/)段。
二极管正向导通时,要特别注意它的正向电流不能超过最大值,否则将烧坏PN结。
(2)反向特性
二极管两端加上反向电压时,在开始很大范围内,二极管相当于非常大的电阻,反向电流很小,且不随反向电压而变化。
此时的电流称为反向饱和电流IR,见图2-11中OC<OC′)段。
(3)反向击穿特性
二极管反向电压加到一定数值时,反向电流急剧增大,这种现象称为反向击穿。
此时对应的电压称为反向击穿电压,用UBR表示,如图2-11中CD(C/D′)段。
(4)温度对特性的影响
由于二极管的核心是一个PN结,它的导电性能与温度有关,温度升高时二极管正向特性曲线向左移动,正向压降减小;反向特性曲线向下移动,反向电流增大。
温度每升高10oC,IR增大一倍;温度每升高1oC,正向压降VDF减小(2~2.5)mV。
3、二极管的主要参数
(1)直流参数:
最大整流电流IF;正向压降VDF;反向电流IR;反向击穿电压VBR;直流电阻RD。
(2)交流参数:
交流电阻rd;结电容Cj;最高工作频率fM。
每一型号的二极管,在技术手册中总是以极值给出上述参数。
四、特殊二极管
(1)整流二极管
整流二极管用于整流电路,把交流电换成脉动的直流电。
采用面接触型,结电容较大,故一般工作在3kHz以下。
如图2-11所示二极管整流电路。
也有专门用于高压、高频整流电路的高压整流堆。
二极管半波整流电路二极管全波整流电路
图2-11二极管整流电路
(2)稳压二极管
稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管,其特性和普通二极管类似,但它的反向击穿是可逆的,不会发生“热击穿”,而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直,即反向电压基本不随反向电流变化而变化,这就是稳压二极管的稳压特性。
稳压二极管的主要参数为稳压值UZ和最大稳定电流IZM,稳压值UZ一般取反向击穿电压。
图2-12(a)是稳压二极管电路。
(a)(b)
图2-12稳压二极管电路和稳压二极管V—I特性
(3)变容二极管
变容二极管一般工作于反偏状态,改变其PN结上的反向偏压,即可改变PN结电容量。
反向偏压越高,结电容则越少,。
电压变大电容就变小,在高频自动调谐电路中,用电压去控制变容二极管从而控制电路的谐振频率。
自动选台的电视机就要用到这种电容。
(4)发光二极管
发光二极管能把电能转化为光能,发光二极管正向导通时能发出红、绿、蓝、黄及红外光,可用做指示灯和微光照明。
可以用直流、交流(要考虑反向峰值电压是否会超过反向击穿电压)、脉动电流驱动。
一般发光二极管的正向电阻较小,图2-13所示为几种发光二极管和驱动电路,改变R的大小就可改变发光二极管的亮度。
图2-13发光二极管和驱动电路
(5)光电二极管
光电二极管和发光二极管一样是由一个PN结构成,但它的结面积较大,可接收入射光。
其PN结接反向电压时,在一定频率光的照射下,反向电阻会随光强度的增大而变小,反向电流增大。
光电二极管在光通信中可作为光电转换器件。
它总是工作在反向偏置状态。
第二节三极管
三极管最基本的作用是放大作用,是组成各电子电路的核心器件。
它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号,转换仍然遵循能量守恒,能够把电源的能量转换成信号的能量。
一、三极管的结构与类型
1、三极管的结构
三极管是由三层杂质半导体构成的器件,由于这类三极管内部的电子载流子和空穴载流子同时参与导电,故称为双极型三极管。
它有三个电极,所以又称为半导体三极管、晶体三极管等,也简称为三极管。
三极管内含两个PN结,三个导电区域。
两个PN结分别称作发射结和集电结,发射结和集电结之间为基区。
从三个导电区引出三根电极,分别为集电极c、基极b和发射极e。
图2-14三极管的结构示意图与电路符号
(1)三极管实现电流放大作用的内部结构条件
发射区掺杂浓度很高,以便有足够的载流子供“发射”;为减少载流子在基区的复合机会,基区做得很薄,一般为几个微米,且掺杂浓度较发射极低;集电区体积较大,且为了顺利收集边缘载流子,掺杂浓度很低。
可见,双极型三极管并非是两个PN结的简单组合,而是利用一定的掺杂工艺制作而成。
因此,绝不能用两个二极管来代替,使用时也决不允许把发射极和集电极接反。
(2)三极管实现放大作用的外部条件是发射结电压正向偏置,集电结电压反向偏置。
2、三极管类型
按结构不同可分为NPN型和PNP型;按材料不同可分为硅管和锗管;按照工作频率分可分为高频管、低频管等;按照功率分,可分为大、中、小功率管等。
其封装形式有金属封装、玻璃封装和塑料封装等。
二、三极管电流分配与放大作用
1、三极管电流分配
当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下,管内载流子的运动情况可用图2-15说明。
按传输顺序分以下几个过程进行描述。
(1)发射区向基区注入电子
由于e结正偏,因而结两侧多子的扩散占优势,这时发射区电子源源不断地越过e结注入到基区,形成电子注入电流IEN。
与此同时,基区空穴也向发射区注入,形成空穴注入电流IEP。
因为发射区相对基区是重掺杂,基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度,所以满足IEP< 因此,发射极电流IE≈IEN,其方向与电子注入方向相反。 (2)电子在基区中边扩散边复合 注入基区的电子,成为基区中的非平衡电子,它在e结处浓度最大,而在c结处浓度最小(因c结反偏,电子浓度近似为零)。 因此,在基区中形成了非平衡电子的浓度差。 在该浓度差作用下,注入基区的电子将继续向c结扩散。 在扩散过程中,非平衡电子会与基区中的空穴相遇,使部分电子因复合而失去。 但由于基区很薄且空穴浓度又低,所以被复合的电子数极少,而绝大部分电子都能扩散到c结边沿。 基区中与电子复合的空穴由基极电源提供,形成基区复合电流IBN,它是基极电流IB的主要部分。 (3)扩散到集电结的电子被集电区收集 由于集电结反偏,在结内形成了较强的电场,因而,使扩散到c结边沿的电子在该电场作用下漂移到集电区,形成集电区的收集电流ICN。 该电流是构成集电极电流IC的主要部分。 另外,集电区和基区的少子在c结反向电压作用下,向对方漂移形成c结反向饱和电流ICBO,并流过集电极和基极支路,构成IC、IB的另一部分电流。 由以上分析可知,晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间有如下关系: 上式表明,在e结正偏、c结反偏的条件下,晶体管三个电极上的电流不是孤立的,它们能够反映非平衡电子在基区扩散与复合的比例关系。 这一比例关系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定,管子做好后就基本确定了。 反之,一旦知道了这个比例关系,就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系,从而为定量分析晶体管电路提供方便。 为了反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流IBN之间的比例关系,定义共发射极直流电流放大系数为 其含义是: 基区每复合一个电子,则有 个电子扩散到集电区去。 值一般在20~200之间。 确定了 值之后。 因ICBO很小,在忽略其影响时,则有 2、晶体三极管的放大特性曲线 晶体管伏安特性曲线是描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线,它对于了解晶体管的导电特性非常有用。 晶体管有三个电极,通常用其中两个分别作输入、输出端,第三个作公共端,这样可以构成输入和输出两个回路。 实际中,有图2-16所示的三种基本接法,分别称为共发射极、共集电极和共基极接法。 其中,共发射极接法更具代表性,所以我们主要讨论共发射极伏安特性曲线。 晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线。 这两组曲线可以在晶体管特性图示仪的屏幕上直接显示出来,也可以用图2–17电路逐点测出。 (1)共发射极输入特性曲线 共射输入特性曲线是以uCE为参变量时,iB与uBE间的关系曲线,即典型的共发射极输入特性曲线如图2-18所示。 ①在uCE≥1V的条件下,当uBE UBE(on)为晶体管的导通电压或死区电压,硅管约为0.5~0.6V,锗管约为0.1V。 当uBE>UBE(on)时,随着uBE的增大,iB开始按指数规律增加,而后近似按直线上升。 ②当uCE=0时,晶体管相当于两个并联的二极管,所以b,e间加正向电压时,iB很大。 对应的曲线明显左移。 ③当uCE在0~1V之间时,随着uCE的增加,曲线右移。 特别在0 ④当uBE<0时,晶体管截止,iB为反向电流。 若反向电压超过某一值时,e结也会发生反向击穿 (2)共发射极输出特性曲线 共射输出特性曲线是以iB为参变量时,iC与uCE间的关系曲线。 典型的共射输出特性曲线如图2-20所示。 由图可见,输出特性可以划分为三个区域,对应于三种工作状态。 现分别讨论如下。 图2-20共射输出特性曲线 ①放大区。 e结为正偏,c结为反偏的工作区域为放大区。 由图2–20可以看出,在放大区有以下两个特点: a.基极电流iB对集电极电流iC有很强的控制作用,即iB有很小的变化量ΔIB时,iC就会有很大的变化量ΔIC。 为此,用共发射极交流电流放大系数β来表示这种控制能力。 β定义为 反映在特性曲线上,为两条不同IB曲线的间隔。 uCE变化对IC的影响很小。 在特性曲线上表现为,iB一定而uCE增大时,曲线略有上翘(iC略有增大)。 这是因为uCE增大,c结反向电压增大,使c结展宽,所以有效基区宽度变窄,这样基区中电子与空穴复合的机会减少,即iB要减小。 而要保持iB不变,所以iC将略有增大。 这种现象称为基区宽度调制效应,或简称基调效应。 从另一方面看,由于基调效应很微弱,uCE在很大范围内变化时IC基本不变。 因此,当IB一定时,集电极电流具有恒流特性。 ②饱和区。 e结和c结均处于正偏的区域为饱和区。 通常把uCE=uBE(即c结零偏)的情况称为临界饱和,对应点的轨迹为临界饱和线。 (3)温度对晶体管特性曲线的影响 温度对晶体管的uBE、ICBO和β有不容忽视的影响。 其中,uBE、ICBO随温度变化的规律与PN结相同,即温度每升高1℃,uBE减小2~2.5mV;温度每升高10℃,ICBO增大一倍。 温度对β的影响表现为,β随温度的升高而增大,变化规律是: 温度每升高1℃,β值增大0.5%~1%(即Δβ/βT≈(0.5~1)%/℃)。 三、晶体管主要参数 1、集电极最大允许电流IC ICM一般指β下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流。 当iC>ICM时,虽然管子不致于损坏,但β值已经明显减小。 因此,晶体管线性运用时,iC不应超过ICM。 2、集电极最大允许耗散功率PCM 晶体管工作在放大状态时,c结承受着较高的反向电压,同时流过较大的电流。 因此,在c结上要消耗一定的功率,从而导致c结发热,结温升高。 当结温过高时,管子的性能下降,甚至会烧坏管子,因此需要规定一个功耗限额。 PCM与管芯的材料、大小、散热条件及环境温度等因素有关。 一个管子的PCM如已确定,则由PCM=IC·UCE可知,PCM在输出特性上为一条IC与UCE乘积为定值PCM的双曲线,称为PCM功耗线。 如图2-21所示。 图2-21晶体管的安全工作区 3、击穿电压。 U(BR)CBO指发射极开路时,集电极—基极间的反向击穿电压;U(BR)CEO指基极开路时,集电极—发射极间的反向击穿电压。 U(BR)CEO 普通晶体管该电压值比较小,只有几伏。 第三节场效应管 双极型晶体管放大工作时,其输入回路的PN结必须处于正向偏置,因此输入电阻很低,这是晶体的一个严重缺点。 场效应管(简称FET)属于单极型三极管,它是利用电场来控制管内电流,输入端的PN结工作于反向偏置或输入端处于绝缘状态,具有输入电阻高(108~109Ω)、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点,现已成为双极型晶体管的强大竞争者。 场效应管按结构分为结型场效应管(JFET)和金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)两类。 一、结型场效应管 1、结型场效应管的结构和符号 结型场效应管是利用半导体内的电场效应工作的,分N沟道和P沟道两种。 在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区。 并将它们连在一起,所引出的电极叫栅极G,N型半导体的两端分别引出两个电极,一个称为漏极D,一个称为源极S。 P区和N区的交界面形成耗尽层,漏极和源极间的非耗尽层区域称为导电沟道。 由于D、S间存在电流通道,故称为N沟道结型场效应管。 P沟道结型场效应管是在一块P型半导体的两侧分别扩散出两个N型区,结构与N沟道型类似。 它们的结构和电路符号如图2-22所示。 图2-22结型场效应管的结构和符号 2、结型场效应管的工作原理 图2-23栅-源电压对沟道的控制作用 (1)在栅源间加负电压EG,令ED=0 当EG=0时,为平衡PN结,耗尽层最窄,导电沟道最宽;当EG↑时,PN结反偏,耗尽层变宽,导电沟道变窄,沟道电阻增大,如图2-23(a)所示;当EG↑到一定值时,沟道会完全合拢。 沟道电阻无穷大,此时EG的值为夹断电压,如图2-23(b)所示。 因此,栅源电压控制沟道电阻,进而改变漏极D与源极S之间的电流(如同漏斗一样,控制漏斗的口径,改变通过漏斗孔的流量)。 (2)在栅源间加负电压EG,令ED≠0 ED的存在,使得漏极D附近的电位高,而源极S附近的电位低,即沿N型导电沟道从漏极到源极形成一定的电位梯度,这样靠近漏极附近的PN结所加的反向偏置电压大,耗尽层宽;靠近源极附近的PN结反偏电压小,耗尽层窄,导电沟道成为一个楔形 3、结型场效应管的特性曲线 (a)转移特性曲线(b)输出特性曲线 图2-24结型场效应管的特性曲线 (1)转移特性曲线 转移特性曲线是在一定的漏-源电压UDS下,栅-源电压UGS与漏极电流ID之间的关系。 当UGS=0V时,此时的ID称为饱和漏极电流IDSS,使ID接近于零的栅极电压称为夹断电压UGS(off)。 如图2-24(a)所示。 ID=IDSS(1−UGS/UP)2(当UP≤UGS≤0) (2)输出特性曲线 也称为漏极特性曲线,它是在UGS一定时,UDS和ID之间的关系曲线。 可分为三个区域: 可变电阻区、恒流区和击穿区,如图2-4(b)所示。 可变电阻区是因为在UDS<|UP|的区域,ID随UDS线性变化,而且其电阻随UGS增大而减小,呈现出可变电阻特性。 恒流区中,当UDS进一步增大时,ID基本不随UDS的变化而变化,只受UGS的控制而呈线性变化,即图2-24(b)中的恒流区,这也是场效应管在模拟电子电路中的主要工作区域。 把UDS一定时,漏极电流变化量ΔID与栅-源极电压变
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