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1、半半 導導 體體 管管 特特 性性 簡簡 介介Date:2001/11/6Prepared By:李彭莉李彭莉1 半半 導導 體體 的的 基基 本本 特特 性性一一.半導體的定義半導體的定義.半導體是一種導電能力介於導體和絕緣體之間,或者說電阻率介於導體與絕緣體之間的物質.如:鍺硅硒及大多數金屬的氧化物,都是半導體.半導體的獨特性能不只在於它的電阻率大小,而且它的電阻率因溫度摻雜和光照會產生顯著變化.利用半導體的特性可制成二极管三极管等多種半導體器件.二二.半導體的獨特性能半導體的獨特性能.1)電阻值隨溫度變化敏感,只要有微弱的溫度升高,電阻值就顯著減少;溫度降低,則阻值就增大.利用半導體的這
2、種性能,就可做成熱敏元件.2)半導體受光照射時,可以大大提高導電能力.利用這一特點,可以制成用於自動控制的光電二极管光敏電阻等.3)在純的半導體材料中,加入极懲量的某些雜質(約百万2分之一),其導電能力就會成百万倍的提高.這一我是半導體最重要的特性,利用這一我可以制成各種不同性質,不同用途的半導體器件,如各種各樣的半導體管.三三.半導體物質的內部結構半導體物質的內部結構.半導體材料硅和鍺原子最外層有4個電子,並與相鄰原子組成共价鍵(如圖1所示)圖1 硅晶體原子結構SiSiSiSiSi3四四.N型半導體和型半導體和P型半導體型半導體.如果在純凈的半導體材料中摻入懲量的雜質.會使半導體的導電性能大
3、大改善.例如,在半導體中摻入少量的五价元素磷,其外層的五個价電子與硅原子的四個价電子組成共价鍵時,就會多出一個電子,這個多出來的電子只受到磷原子核的昅引,不受共价鍵的束縛,因此它受到的束縛力很小,很容易形成自由電子.這種摻入五价元素的半導體,主要靠自由電子導電,叫電子型半導體,簡稱N型半導體.又例如,在半導體中摻入少量的硼,由於硼為三价元素,其最外層的三個价電子與硅原子的四個价電子組成共价鍵時,在共价鍵的結構中便缺少了一個价電子,產生一個空位,即空穴,相鄰硅原子的共价鍵電子就可以過來填補這個空穴,這樣,就可以在硅原子中產生一個空穴,從而使半導體硅中的空穴載流子大大增加.這種摻入三价元素的半導體
4、,主要靠空穴導電,叫空穴型半導體,簡稱P型半導體.圖2為摻入雜質的半導體材料原子結構.4 圖2.摻入雜質的半導體材料原子結構五五.半導體中的電流半導體中的電流 1)漂移電流.在一塊半導體的兩瑞,如果加上電壓,半導體內便產生了電場.在電場的作用下,半導體內的導電電子和空穴,就以多余電子(a)N型半導體SiSiSiSi P填補了的空位空穴(b)P型半導體SiSiSiSi BSi5相反方向移動.載流子有規則的移動,就形成了電流,稱為漂移電流.2)擴散電流 在半導體內,如果載流子分布不均勻,即使沒有電場的,作用也會發生載流子的移動,形成電流,這就是擴散電流.擴散電流與溫度有關.6 PN 結結 一一.P
5、N結的形成結的形成.如果使一塊半導體的一部分是N型的,另一部分是P型的,那么就構成了一個理想的突變結.因為在P區域中有大量的空穴,而在N區域中有大量的電子,形成了載流子的不均勻,因而N區濃度大的載流子就會向P區擴散;而P區濃度大的空穴就會向N區擴散,形成了擴散電流.擴散的結果,使N區的電子減少,在N區一邊就出現了帶正電的原子,即正離子.同樣P區由於空穴減少,會使一邊出現帶負電的負離子.離子質量較大,不會移動.因此,在P區和N區交界處就形成了一個一邊帶正電荷,另一邊帶負電荷的空間電荷區,這就是PN結.如圖3所示.在空間電荷區產生的靜電場稱為內建電場,其電位差稱為勢壘.PN結電場對擴散運動起阻礙作
6、用.隨著擴散的發展,空間電荷區會不斷擴大,內電場也就加強,反過來對7+-P區N區空間電荷區電場方向圖3.PN結擴散的阻力也就愈大.另一方面,在P區除多數載流子空穴外,還有少數載流子電子;在N區除多數載流子電子外,還有少數載流子空穴,在電場作用下也要做漂移運動,形成漂移電流.很明顯,內建電場愈強,漂移運動也愈強.但是在一定的條件下,電場的8建立和漂移運動會趨向平衡,使擴散載流子和漂移載流子數量相等,即達到平衡狀態.在一般條件下,鍺PN結的勢壘為0.2V 0.4V,硅PN結的勢為0.6V 0.8V.二.外加電壓對結PN的影響.1.外加正向電壓的作用.如圖4(a)所示.外加電場削弱了PN結電場E內,
7、破壞了擴散+-PNE內E外+-(a)+-PNE內E外-+(b)圖4.在PN結外加電壓圖9與漂移的平衡,使擴散超過漂移,擴散電流大大增加.這時PN結呈現的電阻很小,處於導通狀態 2.外加反向電壓的作用.如圖4樣(b)所示,.外加電場加強了PN結電場E內,它也破壞了擴散與漂移的平衡,使漂移運動增加,而擴散運動更難進行.但是漂移運動是少數載流子運動,所以電流很小.此時PN結所呈現的電阻很大,處於截止狀態.當溫度升高時,反向電流會增加很大,相當於陰擋層擊穿,這叫熱擊穿.一般鍺PN結工作溫度為超過70 80,硅PN結工作溫度可過200.反向電壓也不能無限增大.當反向電壓達到某一數值時,會把晶格中的電子拉
8、出來,使反向電流驟增,PN結也就擊穿.了這個電壓叫反向擊穿電壓.10二二 极极 管管 特特 性性 簡簡 介介11一一.二极管的定義二极管的定義.晶體二极管簡稱“二极管”.它是由一個PN結組成的器件,具有單向導電性能,因此,常用作整流和檢波器件.二极管有兩個電極,接P型半導體的引線叫正极,接N型半導體的引線叫負极.如圖1所示.+-圖1.二极管的結構示意圖與符號 二极管按材料分有鍺二极管硅二极管砷化鎵二极管,前二種應用最廣泛.二极管摟用途分有整流二极管檢波二极管開關二极管穩壓二极管變容二极管發光二极管等.二二.二极管的特性二极管的特性.二极管的主要特性就是具有單向導電性.圖2.3分別為硅和鍺二极管
9、電壓與電流的關係曲線,稱為伏安特性曲線.+-正极負极PNPN結120.61.2正向電壓(V)反向電壓(V)246810120.10.20.3反向電流(mA)正向電流(mA)51015+-+-圖2.硅晶體二极管的伏安特性曲線130.30.6正向電壓(V)反向電壓(V)2468246反向電流(mA)正向電流(mA)204060+-+-圖3.鍺晶體二极管的伏安特性曲線14從圖中可知,二极管端電壓UD=0時,ID=0;當UD0后,出現ID.但起始值很小.當UD超過門限電壓(鍺管為時0.2V 0.4V,硅管為0.6V 0.8V)時,二极管導電,ID便顯著增加,當UDUE,UBUC),集電极-發射极之間的
10、電壓近似為零.截止區和飽和區之間為放大區,.在這個區域里,IC隨IB而變化,而且比IB變化大得多,但與Uce瓣大小基本無關.這正是電流放大作用.同時,在IB=0時,IC不為零,而為某一數值,通常叫它為穿透電流,以ICEO表示.其值受溫度的影響很大.這對工作的穩定很不利.綜上所述,三极管具有兩種作用,即放大區起眷放大作用,而開關作用則是利用截止和飽和狀態.26參數符號名稱定義電流放大系數共基极交流電流放大系數(hfb或)共基极電路中,集電极電流IC與發射极輸入電流Ie的變化量之比,hfb=IC/Ie Ucb=常數共發射极交流電流放大系數hFE(或)共發射极電路中,集電极電流IC與基极電流IB的變
11、化量之比,hFE=IC/IBUce=常數與的關係=/(1-);=/(1+)極限參數集電極-發射极反向截止電流ICEO基极開路(IB=0),集電極-發射极的反向電壓為規定時的集電極電流.集電極-基极反向截止電流ICBO發射极開路(IE=0),集電極-基极間加規定反向電壓時的集電極電流.集電極-基极反向擊穿電壓BVCBO它是當發射极開路時的集電結的反向擊穿電壓三三.半導體三极管的主要參數半導體三极管的主要參數.27參數符號名稱定義極限參數集電極-發射极反向擊穿電壓BVCEO它是當基极斷開時,集電極與發射极之間的擊穿電壓.集電極最大允許電流ICM當參數變化不超過規定值時,集電極最大允許承受的最大電流
12、,一般把hFE減小到規定值的2/3時的IC值.集電極最大允許耗散功率PCM保證參數在規定範圍內變化,集電結上允許損耗功率的最大值.輸入輸出電阻輸出電阻rce在共射极接法時,rce=UceIcIb=常數或Ib=028參數符號名稱定義輸入輸出電阻輸入電阻rbe輸入電阻是晶體管輸出端冰短路,即 Uce=0時,b-e极間的電阻,低頻小功率晶體管的rbe=300+(1+)26Ie()rbe=UbeIbUce=常數29場場 效效 應應 管管 特特 性性 簡簡 介介30一一.場效應管場效應管(FET)的定義的定義.場效應管(FET)是一種電壓控制的半導體器件,即管子的電流受控於柵极電壓.場效應管根據結構和工
13、作原理的不同分為絕緣柵型(又稱MOS管或MOSFET)和結型JFET)兩類.與半導體三极管相比,它具有輸入電阻高製造工藝簡單特別適合大規模集成等許多優點,因此在放大器振蕩器及集成電路中得到了廣泛的應用.目前應用最廣泛的是MOSFET.二二.MOSFET的基本特性的基本特性.MOSFET有三個電极,即源极(S)柵极(G)與漏极(D),且分為 N-溝道和P-溝道兩種.源極跨在兩個半導體區上,N-溝道管箭頭向左,表示載流子電子從源極出發,P-溝道管箭頭向右表示載流子空穴從源極出發.絕緣柵极有耗盡型和增強型之分,如表1所示,當VGS=0時,源极與漏极之間存在導電溝31 類型N型P型耗盡型增強型DSGB
14、DSGBDSGBDSGB表表1.MOSFET分類分類32的,稱為耗盡型場效應管.如果必須在 VGS 0的情況下才存在導電溝的,則稱為增強型場效應管.三三.MOSFET的基本參數的基本參數.表表2.MOSFET主要參數主要參數符號名稱定義BVDS漏源擊穿電壓主要由漏极PN結的雪骨崩擊穿能力柵极對溝道體區和漏區反向偏置結耗盡層電場分布的器件各部分界面的電場分布決定的.它隨溫度變化,在一定範圍內大約結溫度升高10,BVDS值增加1%,故結溫上升,耐壓值上升.(雙二极型晶體管則相反)VDS漏源電壓是漏區和溝道體區PN結上的反偏電壓,此電壓決定了器件的最高工作電壓.IDS飽和漏源電流是指在VDS為恒流區
15、內某一固定數值的條件下,柵源之間短路(VGS=0)的漏极電流.33符號名稱定義VGS(th)閥值電壓 將漏极短接條件下ID等於1毫安時的柵极電壓定義為閥值電壓.一般說,短溝道場效應器件的漏結和源結空間電荷區對閥值電壓的影響是不容忽視的.閥值電壓一般在1.5V 5V之間.結溫對閥值電壓有影響,大約結溫升高45,閥值電壓下降10%,溫度系數約為-6.7mV/.R(DS)ON導通電阻 漏极特性曲線斜率的導數,即一般導通電阻R(DS)ON小,耐壓VDSS高的管子較好,VDSS值高,受溫度影響大,R(DS)ON愈小的器件,製作的開關效率愈高,但BVDS高的管子,R(DS)ON也大,所以限制了MOSFET在高反壓開關電源中的應用.1R(DS)ON=IDVGS 34符號名稱定義gm跨導指的是漏极電流的變化量與柵-漏間電壓(輸入電壓)VGS變化量之比.表示柵-漏電壓對漏极電流的控制能力的大小,表達式為CISS輸入電容 這三個极間分布電容統稱為雜散電容,它直接影響電路的頻率響應,它們直越小,越有利於器件頻率特性的提高.CISS=CGS+CGD;COSS=CDS+CGD;CRSS=CGDCRSS反饋電容COSS輸出電容gm=IDVGS35