半导体器件原理简明教程

本文主要介绍半导体器件、、以及场效应管,并阐述有关基本概念及分析方法。内容包括:半导体基础知识、半导体二极管及二极管的应用、稳压二极管及其稳压电路,半导体三极管与场效应管的结构分类、特性曲线等。

一、半导体基础知识

自然界的物质,按照导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三类。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。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。半导体在热激发下产生自由和空穴对的现象称为本征激发。自由电子在运动中与空穴相遇就会填补空穴,使二者同时消失,这种现象称为复合。一定温度下,本征激发产生的自由电子和空穴对,与复合的自由电子和空穴对数目相等,达到动态平衡。

在本征半导体中掺入杂质,可以形成N型半导体和P型半导体。在N型半导体中,自由电子的浓度远大于空穴的浓度,因此自由电子称为多数载流子(简称多子),而其中空穴称为少数载流子(简称少子)。N型半导体主要靠自由电子导电,掺入的杂质越多,自由电子的浓度就越高,导电性能也就越强。在P型半导体中,空穴的浓度远大于自由电子的浓度,因此空穴称为多数载流子(简称多子),而其中自由电子称为少数载流子(简称少子)。P型半导体主要靠空穴导电,掺入的杂质越多,空穴的浓度就越高,导电性能也就越强。对于杂质半导体来说,无论是N型还是P型半导体,从总体上看,仍然保持着电中性。

在PN结中进行着两种载流子的运动:多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动。在无外电场和其他激发作用下,多子的扩散运动和少子的漂移运动达到动态平衡。

当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位,称为加正向电压,简称正偏;反之称为加反向电压,简称反偏。PN加正向电压是导通,加反向电压是截止。因此PN结具有单向导电性。

二、半导体二极管

在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管。由P区引出的电极称为阳极,由N区引出的电极称为阴极。从制造材料上分,二极管可分为硅二极管和锗二极管,按结构分,二极管可分为点接触型、面接触型和平面型三大类。硅管的导通电压一般为0.7V,硅管的导通电压一般为0.3V。在题目有没有说明管子的类型时,一般假设为硅管。

当加二极管上的正向电压较小时,正向电流小,几乎等于零。只有当二极管两端电压超过某一数值Uon时,正向电流才明显增大。将Uon称为死区电压。死区电压与二极管的材料有关。一般硅二极管的死区电压为0.5V左右,锗二极管的死区电压为0.1V左右。

当二极管加反向电压,反向电流很小,而且反向电流不再随着反向电压而增大,即达到了饱和,这个电流称为反向饱和电流,用符号IS表示。

二极管具有单向导电性,加正向电压时处导通状态,加反向电压时处截止状态。利用其单向导性可构成和各种整流电路,把交流电压变成脉动的直流电压。

温度升高,正向特性左移,反向特性下移;室温附近,温度每升高1℃;正向压降减少2—2.5mV;室温附近,温度每升高10℃,反向电流增大一倍。

三、稳压二极管

稳压二极管工作在反向击穿区时具有稳压特性,当工作电流在稳定电流IZ与最大额定电流IZM之间时,它的端电压为稳定电压UZ。

由限流电阻和稳压管可构成稳压电路。当电网波动或负载变化时,利用稳压管的电流调节作用,通过限流电阻R上电压的补偿,达到稳定输出电压的目的。稳压电路的输出电压就是稳压管的稳定电压,因此不可调且输出电流小。

四、半导体三极管

双极型晶体管(BJT)又称半导体三极管、晶体三极管等,简称晶体管。晶体管的基本结构是由两个PN结构成,按PN结的组成方式分为NPN型和PNP型两种,无论NPN还是PNP都有三个区:集电区、基区、发射区。由三个区引现的电极分别称为集电极、基极、发射极。两个PN结分别称为发射结和集电结。

晶体管的结构特点:发射区的掺杂浓度最高;集电区掺杂浓度低于发射区,且面积大;基区很薄,一般在几个微米至几十个微米,且掺杂浓度最低。

输入特性曲线有一个开启电压。硅管的开启电压为0.5V,发射结的导通电压UON为0.6~0.7V;锗管的开启电压为0.2V,发射结的导通电压UON为0.2~0.3V;

晶体管有三个工作区域:截止区、放大区和饱和区。当发射结正向偏置,集电结处于反向偏置时,它工作在放大区。这时,IC只受IB控制,IC=βIB几乎与UCE的大小无关。说明晶体管相当于一个输出电流IC受IB控制的受控电流源。所以晶体管是电流控制器件。三极管工作在放大区时,三个电极之间的关系为:对于NPN型,VC>VB>VE;对于PNP型,VC<VB<VE

发射结正向偏置、集电结正向偏置时,三极管工作在饱和区。此时IB再增大,IC几乎就不再增大了,晶体管失去了电流放大作用。三极管工作在饱和区时,三个电极之间的关系为:对于NPN型,VB>VC>VE;对于PNP型,VB<VC<VE

发射结反向偏置、集电结反向偏置时,三极管工作在饱和区。三极管工作在截止区时,三个电极之间的关系为:对于NPN型,VB<VE;对于PNP型,VB>VE

晶体管的β随温度的升高将增大,温度每上升1℃,β值增大0.5%~1%,其结果是在相同的IB情况下,集电极电流IC随温度上升而增大。

ICEO是少数载流子漂移运动形成的,它与环境温度关系很大,ICEO随温度上升会急剧增加。温度上升10℃,ICEO将增加一倍。由于硅管的ICEO很小,所以温度对硅管的ICEO影响不大。

和二极管的正向特性一样,温度上升1℃,UCE将下降2~2.5mV。

五、场效应管

场效应晶体管(Field-Effect Transistor ,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。场效应管按结构,可分为结型和绝缘栅型两大类。绝缘栅型场效应晶体管的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离,故有绝缘栅型之称。或者按其金属-氧化物-半导体的材料构成,可称其为MOS管。

场效应晶体管输出特性曲线分成四个区域:可变电阻区、恒流区、击穿区、截止区。

MOSFET与BJT都是半导体晶体管,MOSFET的源极、漏极、栅极分别相当于BJT的发射极、集电极、基极。BJT的集电极电流I C受基极电流I B的控制,是一种电流控制器件;而MOSFET的漏极电流ID受栅-源电压UGS的控制,是一种电压控制元件。但与BJT相比,MOSFET具有输入电阻大、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电少等优点。这些优点使之从20世纪末60年代一诞生就广泛应用于各种电子电路中。另外,MOSFET的制造工艺比较简单,占用芯片面积小,特别适用于制造大规模。

与BJT类似,MOSFET不仅可以通过UGS控制ID实现对信号的放大作用,而且也可以作为开关元件,通过UGS控制其导通或判断,广泛用于开关电路和脉冲数字电路中。

,本文主要介绍半导体器件、、以及场效应管,并阐述有关基本概念及分析方法。内容包括:半导体基础知识、半导体二极管及二极管的应用、稳压二极管及其稳压电路,半导体三极管与场效应管的结构分类、特性曲线等。

一、半导体基础知识

自然界的物质,按照导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三类。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。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。半导体在热激发下产生自由和空穴对的现象称为本征激发。自由电子在运动中与空穴相遇就会填补空穴,使二者同时消失,这种现象称为复合。一定温度下,本征激发产生的自由电子和空穴对,与复合的自由电子和空穴对数目相等,达到动态平衡。

在本征半导体中掺入杂质,可以形成N型半导体和P型半导体。在N型半导体中,自由电子的浓度远大于空穴的浓度,因此自由电子称为多数载流子(简称多子),而其中空穴称为少数载流子(简称少子)。N型半导体主要靠自由电子导电,掺入的杂质越多,自由电子的浓度就越高,导电性能也就越强。在P型半导体中,空穴的浓度远大于自由电子的浓度,因此空穴称为多数载流子(简称多子),而其中自由电子称为少数载流子(简称少子)。P型半导体主要靠空穴导电,掺入的杂质越多,空穴的浓度就越高,导电性能也就越强。对于杂质半导体来说,无论是N型还是P型半导体,从总体上看,仍然保持着电中性。

在PN结中进行着两种载流子的运动:多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动。在无外电场和其他激发作用下,多子的扩散运动和少子的漂移运动达到动态平衡。

当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位,称为加正向电压,简称正偏;反之称为加反向电压,简称反偏。PN加正向电压是导通,加反向电压是截止。因此PN结具有单向导电性。

二、半导体二极管

在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管。由P区引出的电极称为阳极,由N区引出的电极称为阴极。从制造材料上分,二极管可分为硅二极管和锗二极管,按结构分,二极管可分为点接触型、面接触型和平面型三大类。硅管的导通电压一般为0.7V,硅管的导通电压一般为0.3V。在题目有没有说明管子的类型时,一般假设为硅管。

当加二极管上的正向电压较小时,正向电流小,几乎等于零。只有当二极管两端电压超过某一数值Uon时,正向电流才明显增大。将Uon称为死区电压。死区电压与二极管的材料有关。一般硅二极管的死区电压为0.5V左右,锗二极管的死区电压为0.1V左右。

当二极管加反向电压,反向电流很小,而且反向电流不再随着反向电压而增大,即达到了饱和,这个电流称为反向饱和电流,用符号IS表示。

二极管具有单向导电性,加正向电压时处导通状态,加反向电压时处截止状态。利用其单向导性可构成和各种整流电路,把交流电压变成脉动的直流电压。

温度升高,正向特性左移,反向特性下移;室温附近,温度每升高1℃;正向压降减少2—2.5mV;室温附近,温度每升高10℃,反向电流增大一倍。

三、稳压二极管

稳压二极管工作在反向击穿区时具有稳压特性,当工作电流在稳定电流IZ与最大额定电流IZM之间时,它的端电压为稳定电压UZ。

由限流电阻和稳压管可构成稳压电路。当电网波动或负载变化时,利用稳压管的电流调节作用,通过限流电阻R上电压的补偿,达到稳定输出电压的目的。稳压电路的输出电压就是稳压管的稳定电压,因此不可调且输出电流小。

四、半导体三极管

双极型晶体管(BJT)又称半导体三极管、晶体三极管等,简称晶体管。晶体管的基本结构是由两个PN结构成,按PN结的组成方式分为NPN型和PNP型两种,无论NPN还是PNP都有三个区:集电区、基区、发射区。由三个区引现的电极分别称为集电极、基极、发射极。两个PN结分别称为发射结和集电结。

晶体管的结构特点:发射区的掺杂浓度最高;集电区掺杂浓度低于发射区,且面积大;基区很薄,一般在几个微米至几十个微米,且掺杂浓度最低。

输入特性曲线有一个开启电压。硅管的开启电压为0.5V,发射结的导通电压UON为0.6~0.7V;锗管的开启电压为0.2V,发射结的导通电压UON为0.2~0.3V;

晶体管有三个工作区域:截止区、放大区和饱和区。当发射结正向偏置,集电结处于反向偏置时,它工作在放大区。这时,IC只受IB控制,IC=βIB几乎与UCE的大小无关。说明晶体管相当于一个输出电流IC受IB控制的受控电流源。所以晶体管是电流控制器件。三极管工作在放大区时,三个电极之间的关系为:对于NPN型,VC>VB>VE;对于PNP型,VC<VB<VE

发射结正向偏置、集电结正向偏置时,三极管工作在饱和区。此时IB再增大,IC几乎就不再增大了,晶体管失去了电流放大作用。三极管工作在饱和区时,三个电极之间的关系为:对于NPN型,VB>VC>VE;对于PNP型,VB<VC<VE

发射结反向偏置、集电结反向偏置时,三极管工作在饱和区。三极管工作在截止区时,三个电极之间的关系为:对于NPN型,VB<VE;对于PNP型,VB>VE

晶体管的β随温度的升高将增大,温度每上升1℃,β值增大0.5%~1%,其结果是在相同的IB情况下,集电极电流IC随温度上升而增大。

ICEO是少数载流子漂移运动形成的,它与环境温度关系很大,ICEO随温度上升会急剧增加。温度上升10℃,ICEO将增加一倍。由于硅管的ICEO很小,所以温度对硅管的ICEO影响不大。

和二极管的正向特性一样,温度上升1℃,UCE将下降2~2.5mV。

五、场效应管

场效应晶体管(Field-Effect Transistor ,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。场效应管按结构,可分为结型和绝缘栅型两大类。绝缘栅型场效应晶体管的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离,故有绝缘栅型之称。或者按其金属-氧化物-半导体的材料构成,可称其为MOS管。

场效应晶体管输出特性曲线分成四个区域:可变电阻区、恒流区、击穿区、截止区。

MOSFET与BJT都是半导体晶体管,MOSFET的源极、漏极、栅极分别相当于BJT的发射极、集电极、基极。BJT的集电极电流I C受基极电流I B的控制,是一种电流控制器件;而MOSFET的漏极电流ID受栅-源电压UGS的控制,是一种电压控制元件。但与BJT相比,MOSFET具有输入电阻大、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电少等优点。这些优点使之从20世纪末60年代一诞生就广泛应用于各种电子电路中。另外,MOSFET的制造工艺比较简单,占用芯片面积小,特别适用于制造大规模。

与BJT类似,MOSFET不仅可以通过UGS控制ID实现对信号的放大作用,而且也可以作为开关元件,通过UGS控制其导通或判断,广泛用于开关电路和脉冲数字电路中。

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