细数晶体管的一生

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        晶体管(transistor)是一种固体半导体器件(包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管等,有时特指双极型器件),具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关,能够基于输入电压控制输出电流。与普通机械开关(如Relay、switch)不同,晶体管利用电讯号来控制自身的开合,而且开关速度可以非常快,实验室中的切换速度可达100GHz以上。

 

        做模拟电路的工程师,都有过使用晶体管(场效应管也是晶体管中的一种)、运放的经验和体会。尤其是在设计时,更会对晶体管的一些电参数进行测试和考量。在测试时,许多人对晶体管电参数的实测值与规格书所提供的规范值,为什么会有很大差异,感到不可思议。

 

        有时,一些工程师会用实测值来要求供应商,也有一些工程师会把一些特殊参数作为常规参数进行处理。这样的后果就是整机产品一致性、重复性差,严重时还会出现达不到设计指标,更有甚者是在生产中出现大量损坏电子元器件的异常。

 

        此时,许多工程师都会把眼光钉住那些损坏的晶体管上,以为是晶体管的质量问题,导致的异常。殊不知晶体管的损坏,只是一个表面现象,而深层次的原因,往往是设计师自己造成的。引起这些问题的原因有很多,对工程师而言,在选用元器件时,对半导体器件电参数的片面理解,或许是个重要因素。说了晶体管中的一些参数的重要性,可能会有人非常好奇,这些晶体管器件内部究竟是如何工作的?

切莫操之过急,且看下文详解。

半导体

材料取自于元素周期表中金属与非金属的交界处。常温下半导体导电性能介于导体与绝缘体之间。


本征半导体

 

                                   本征半导体

纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。(由于不含杂质且为晶体结构,所以导电性比普通半导体差)


        常温下,少数价电子由于热运动获得足够的能量挣脱共价键的束缚成为自由电子。此时,共价键留下一个空位置,即空穴。原子因失去电子而带正电,或者说空穴带正电。在本征半导体外加一个电场,自由电子将定向移动产生电流;同时,价电子会按一定方向去依次填补空穴,相当于空穴也在定向移动,而且是跟电子反向的运动。本征半导体的电流是这两个电流之和。运载电荷的粒子称之为载流子。

        当有一个自由电子的产生,必然会有一个空穴产生,所以自由电子与空穴对是同生同灭。当自由电子在运动中填补了一个空穴,此时两者同时消失,这种现象称之为复合。在一定温度下,两种载流子浓度相同,达到一种动态平衡。当温度升高,热运动会加剧,会有更多的电子挣脱束缚,会导致载流子浓度上升,从而打破这个平衡,温度一定后会再次建立平衡。

杂质半导体

通过扩散工艺,在本征半导体掺入某些元素,称之为杂质半导体。且杂质半导体有以下两种:

一 .N型半导体
在本征半导体加入+5价元素磷,由于加入了最外层为5个电子的元素,在形成共价键后会多出一个电子,这个电子就成了自由电子。因为这个半导体自由电子的个数多于空穴个数,而电子带负电,所以称之为N(negative,负)型半导体。

二 .P型半导体
在本征半导体加入+3价元素硼,由于加入了最外层为3个电子的元素,在形成共价键后会多出一个空位,硅原子的最外层电子会去填补这个空位,从而会多出一个空穴。空穴带正电,所以称之为P(positive,正)型半导体。在N型半导体中,自由电子为多数载流子,空穴为少数载流子;在P型半导体中,空穴为多数载流子,自由电子为少数载流子。


PN结的形成


                                           PN结的形成
        采用某种工艺,可以将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上。由于浓度差,会产生扩散运动。同时,在P区N区交界处,多数载流子浓度降低,P区出现正离子区,N区出现负离子区,内部会产生一个内电场。该电场会产生一个运动去阻止扩散运动,这个运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同,达到动态平衡就形成了PN结。

PN结的单向导电性

 

                                        PN的单向导电性
PN结的电容效应

        PN结存在着等效电容(势垒电容和扩散电容,两者之和称为结电容,具体省略),由于容抗跟频率成反比,当加在PN结上的交流电频率较高时,交流电就可以通过PN结的电容形成通路,PN结会失去单向导电的特性。

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小信号MOSFET:RSQ015N06HZG (新产品)

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小信号MOSFET:RSR030N06HZG (新产品)

 

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