2016.10.24 halvledere - pdf v.01 - DIODE TRANSISTOR SEMICONDUCTOR - Sven Åge Eriksen -...

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  • Fifth Edition, last update March 29, 2009

  • 2

  • Lessons In Electric Circuits, Volume III

    Semiconductors

    By Tony R. Kuphaldt

    Fifth Edition, last update March 29, 2009

  • i

    c2000-2015, Tony R. Kuphaldt

    This book is published under the terms and conditions of the Design Science License. Theseterms and conditions allow for free copying, distribution, and/or modification of this documentby the general public. The full Design Science License text is included in the last chapter.

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    Available in its entirety as part of the Open Book Project collection at:

    openbookproject.net/electricCircuits

    PRINTING HISTORY

    First Edition: Printed in June of 2000. Plain-ASCII illustrations for universal computerreadability.

    Second Edition: Printed in September of 2000. Illustrations reworked in standard graphic(eps and jpeg) format. Source files translated to Texinfo format for easy online and printedpublication.

    Third Edition: Printed in January 2002. Source files translated to SubML format. SubMLis a simple markup language designed to easily convert to other markups like LATEX,HTML, or DocBook using nothing but search-and-replace substitutions.

    Fourth Edition: Printed in December 2002. New sections added, and error correctionsmade, since third edition.

    Fith Edition: Printed in July 2007. New sections added, and error corrections made,format change.

    http://openbookproject.net/electricCircuits

  • ii

  • Contents

    1 AMPLIFIERS AND ACTIVE DEVICES 1

    1.1 From electric to electronic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Active versus passive devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4 Amplifier gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.5 Decibels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.6 Absolute dB scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.7 Attenuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

    2 SOLID-STATE DEVICE THEORY 27

    2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2 Quantum physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.3 Valence and Crystal structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.4 Band theory of solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.5 Electrons and holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502.6 The P-N junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.7 Junction diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.8 Bipolar junction transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.9 Junction field-effect transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652.10 Insulated-gate field-effect transistors (MOSFET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702.11 Thyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732.12 Semiconductor manufacturing techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752.13 Superconducting devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 802.14 Quantum devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 832.15 Semiconductor devices in SPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

    3 DIODES AND RECTIFIERS 97

    3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983.2 Meter check of a diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1033.3 Diode ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1073.4 Rectifier circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1083.5 Peak detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1153.6 Clipper circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

    iii

  • iv CONTENTS

    3.7 Clamper circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1213.8 Voltage multipliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1233.9 Inductor commutating circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1303.10 Diode switching circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1323.11 Zener diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1353.12 Special-purpose diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1433.13 Other diode technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1633.14 SPICE models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

    4 BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS 175

    4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1764.2 The transistor as a switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1784.3 Meter check of a transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1814.4 Active mode operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1854.5 The common-emitter amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1914.6 The common-collector amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2044.7 The common-base amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2124.8 The cascode amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2204.9 Biasing techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2244.10 Biasing calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2374.11 Input and output coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2494.12 Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2584.13 Amplifier impedances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2654.14 Current mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2664.15 Transistor ratings and packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2714.16 BJT quirks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

    5 JUNCTION FIELD-EFFECT TRANSISTORS 283

    5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2835.2 The transistor as a switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2855.3 Meter check of a transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2885.4 Active-mode operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2905.5 The common-source amplifier PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2995.6 The common-drain amplifier PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3005.7 The common-gate amplifier PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3005.8 Biasing techniques PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3005.9 Transistor ratings and packages PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3015.10 JFET quirks PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

    6 INSULATED-GATE FIELD-EFFECT TRANSISTORS 303

    6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3036.2 Depletion-type IGFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3046.3 Enhancement-type IGFETs PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3136.4 Active-mode operation PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

  • CONTENTS v

    6.5 The common-source amplifier PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3146.6 The common-drain amplifier PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3146.7 The common-gate amplifier PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3146.8 Biasing techniques PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3146.9 Transistor ratings and packages PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3146.10 IGFET quirks PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3156.11 MESFETs PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3156.12 IGBTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

    7 THYRISTORS 319

    7.1 Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3197.2 Gas discharge tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3207.3 The Shockley Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3247.4 The DIAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .