第1章 常用半导体器件

Posted 2020-08-19

1.1 半导体基础知识

　　半导体期间是构成电子电路的基本元件，他们所用的材料是经过特殊加工且性能可控的半导体材料

　　1.1.1 本征半导体 （纯净半导体）

　　纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。

　　一、半导体

　　　　1. 基础知识：物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低阶元素。高价元素是绝缘体。常用半导体材料均为四价元素，入硅、锗等。

　　　　2. 半导体特性：在形成晶体结构的半导体中，人为的掺入特定的杂质元素时，导电性能具有可控性；并且，在光和热辐射条件下，其导电性还有明显的变化；这些特殊的性质就决定了半导体可以制成各种电子期间器件。

　　二、本征半导体的晶体结构

　　　　将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。

　　　　1. 晶格

　　　　2. 共用电子：共价键结构

　　三、本征半导体中的两种载流子

　　　　1. 空穴：常温下少数价电子由于热运动获得足够能量，从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子。同时在共价键中留下一个空位置，称为空穴。

　　　　2. 空穴带正电，自由电子与空穴是成对出现的。

　　　　3. 载流子：运载电荷的粒子称为载流子。导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。

　　　　4. 本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。

　　四、本征半导体中载流子的浓度

　　　　1. 本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象

　　　　2. 复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失的现象

　　　　3. 动态平衡：在一定温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡

　　　　4. 载流子浓度越高，导电性能越好。是环境温度的函数。当温度为0时，本征半导体称为绝缘体。

　　1.1.2 杂质半导体

　　通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。根据杂质元素不同，分为N型半导体和P型半导体。控制掺入杂质元素的浓度，可控制杂质半导体的导电性能。

　　一、N型半导体

　　　　1. 原理：在纯净硅晶体中掺入五阶元素，使之取代晶格中硅原子的位置就形成N型半导体。

　　　　2. 五价元素外层多出一个电子，不受共价键的束缚。自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子）。

　　　　3. 由于杂质原子可以提供电子，故称为施主原子。杂质元素越多，多子的浓度就越高，导电性能越强。

　　二、P型半导体

　　　　1. 原理：在纯净硅晶体中掺入三价元素，如硼，使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。

　　　　2. 空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。

　　　　3. 杂质原子中的空穴吸收电子，故称之为受主原子。

　　1.1.3 PN结

　　采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在他们的交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性。

　　一、PN结形成

　　　　1. 扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度而产生的运动称为扩散运动。

　　　　2. 漂移运动：在电场力的作用下，载流子的运动称漂移运动

　　　　3. 在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结。

　　二、PN结的单向导电性

　　　　如果在PN结的两端外加电压，就将破坏原来的平衡状态。此时，PN结将有电流流过。当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同的导电性能，即单向导电性

　　　　1.PN结外加正向电压时处于导通状态

　　　　　　当电源的正极接到PN结的P端，称PN结外加正向电压\正向接法\正向偏置

　　　　2. PN结外加反向电压时处于截止状态

　　　　　　1. 反向电压：电源的正极接到PN结的N端，且电源的负极接到PN结的P端，称PN结外加反向电压\反向接法\反向偏置

　　　　　　2. 外电场使空间电荷区变宽，加强了内电场，阻止了扩散运动的进行，而加剧漂移运动的进行，形成反向电流，加强了内电场，阻止扩散运动的进行，而加剧漂移运动的进行，形成反向电流，也称为漂移电流。

　　三、PN结的电流方程

　　四、PN结的伏安特性

　　　　1. 正向特性

　　　　2. 反向特性

　　　　3. 反向击穿

　　　　4. 齐纳击穿：在高参杂的情况下，因耗尽层宽度很窄，不大的反向电压就可能在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子-空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。

　　　　5. 雪崩击穿：

　　五、PN结的电容效应

　　　　1. 势垒电容：耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容

　　　　2. 扩散电容：

　　　　　　PN结处于平衡状态时的少子常称为平衡少子。从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子。

　　　　　　扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容器充放电过程相同，这种电容效应应称为扩散电容

　　　　高频时时需要考虑结电容

1.2 半导体二极管

　　将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，简称二极管

　　1.2.2 二极管的伏安特性

　　　　一、二极管与PN结伏安特性的区别

　　　　　　1. 在外加正向电压相同的情况下，二极管正向电流要小于PN结的电流（大电流情况更加明显）

　　　　　　2. 开启电压、击穿电压

　　　　二、温度对二极管伏安特性的影响

　　　　　　温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线将下移

　　1.2.3 二极管的主要参数

　　　　一、最大整流电流

　　　　　　二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流

　　　　二、最高反向工作电压

　　　　三、反向电流

　　　　四、最高工作频率：二级管工作的上限截止频率，超过此值时，由于结电容的作用，二极管将不能很好的体现单向导电性。

　　1.2.4 二极管的等效电路

　　　　能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路，也称为二极管的等效模型

　　　　一、由伏安特性折现化得到的等效电路

　　　　二、二极管的微变等效电路

　　1.2.5 稳压二极管

　　　　是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定电流范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性。用于稳压电源与限幅电路中。

　　　　一、稳压管的伏安特性

　　　　二、主要参数

　　　　　　1. 稳定电压：在规定电流下稳压管的反向击穿电压

　　　　　　2. 稳定电流：稳压管工作在稳压状态时的参考电流

　　　　　　3. 额定功耗：稳定电压与最大稳定电流的乘积

　　　　　　4. 动态电阻：工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比。越小越好

　　　　　　5. 温度洗漱：温度没变化1度稳压值的变化量

　　　　　　由于稳压管的反向电流小于I(min)时不稳压，大于I(max)时会因超过额定功耗而损坏，所以在稳压管电路中必须串联一个电阻来限制电流，从而保证稳压管正常工作，称这个电阻为限流电阻。

　　1.2.6 其他类型二极管

　　　　一、发光二极管

　　　　　　1. 包括可见光、不可见光、激光等不同类型。其发光颜色取决于所用材料，可制作称各种形状。

　　　　　　2. 具有单向导电性，只有当外加的正向电压使得正向电流足够大时才发光，它的正向电压比普通二极管大。正向电压越大，发光越强

　　　　　　3. 特点：驱动电压极低，功耗小，寿命长，可靠性高等优点广泛用于显示电路

　　　　三、光电二极管

　　　　　　是远红外线接收管，是一种光能与电能进行转换的期间。

1.3 晶体三极管

　　晶体三极管中有两种带有不同极性电荷的载流子参与导电，故称之为双极性晶体管，又称为半导体三极管，简称晶体管。

　　1.3.1 晶体管的结构及类型

　　　　1. 根据不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，就构成了晶体管

　　　　2. 位于中间的P区称为基区，它很薄且杂质浓度低，位于上层的N区是发射区，掺杂浓度高，下层的N区时极电区，面积大。所引出的电极分别是：基极、发射极、集电极

　　1.3.2 晶体管的电流放大作用

　　　　1. 放大是对模拟信号最基本的处理，晶体管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出。

　　　　2. 由于发射极是两个回路的公共端，故称该电路为共射放大电路。使晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置

　　　　3. 晶体管的电流分配关系：Ie = Ic + Ib

　　　　4. 共射电流放大系数

　　1.3.3 晶体管的共射特性曲线

　　　　一、输入特性曲线

　　　　　　描述管压降Uce一定的情况下，基极电流Ib与发射结压降Ube之间的函数关系

　　　　二、输出特性曲线

　　　　　　描述基极电流为常量时，集电极电流与管压降之间的函数关系

　　　　　　1. 截止区：发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置。

　　　　　　2. 放大区：发射结正向偏置且集电结反向偏置

　　　　　　3. 饱和区：发射结与集电结均处于正向偏置

　　1.3.4 晶体管的主要参数

　　　　一、直流参数

　　　　　　1. 共射直流电流放大系数

　　　　　　2. 共基直流放大系数

　　　　　　3. 极间反向电流：同一型号的管子反向电流越小，性能越稳定

　　　　二、交流参数

　　　　　　1. 共射交流电流放大系数

　　　　　　2. 共基交流电流放大系数

　　　　　　3. 特征频率：使共射电流放大系数的数值下降到1的信号频率称为特征频率

　　　　三、极限参数

　　　　　　1. 最大集电极耗散功率

　　　　　　2. 最大集电极电流

　　　　　　3. 极间反向击穿电压：晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压称为极间反向击穿电压

　　1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响

　　　　由于半导体材料的热敏性，晶体管的参数几乎都与温度有关。对于电子电路，如果不能解决温度稳定性问题，将不能使其使用！

　　　　一、温度对Icbo影响

　　　　　　温度升高Icbo增大，硅管比锗管受温度的影响要小

　　　　二、温度对输入特性的影响

　　　　　　Ube不变，则当温度升高时ib将增大，反之ib减小

　　　　三、温度对输出特性的影响

　　　　　　温度升高时，集电极电流增大

1.4 场效应管

　　场效应管（FET）是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管

　　优点：体积小、重量轻、寿命长、输入回路内阻高，噪声低、热稳定好、抗辐射能力强、比二极管省电

　　1.4.1 结型场效应管：分为N沟道和P沟道，栅极g、漏极d、源极s

1.5 单结晶体管和晶闸管

　　1.5.1 单结晶体管

　　　　在一个低掺杂的N型硅棒上利用扩散工艺形成一个高参杂P区，在P区与N区接触面形成PN结，就构成单结晶体管

　　1.5.2 晶闸管

　　　　晶体闸流管简称为晶闸管，也称为硅可控元件，是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件，多用于可控整流，逆变，调压等电路，也作为无触点开关

1.6 集成电路中的元件

　　集成电路采用一定的制造工艺，将晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容等许多元件组成的具有完整功能的电路制作在同一块半导体基片上，然后加以封装所构成的半导体器件。由于其元件密度高，体积小，功能强，功耗低，外部连线及焊点少，从而大大提高了电子设备的可靠性和灵活性，实现了元件、电路与系统的紧密结合