第一章 半导体器件 (2)

1、课程介绍 模拟电子技术是电子专业的一门专业基础理论课程。模拟电子技术是电子专业的一门专业基础理论课程。 前续课程：电工学。在模电中应用了许多电工学课程的基本前续课程：电工学。在模电中应用了许多电工学课程的基本概念和方法，比如：叠加原理、戴维南定理、二端口网络等概念和方法，比如：叠加原理、戴维南定理、二端口网络等等。等。 后续课程：后续课程：数电数电 一、本课程教学目的和课程性质一、本课程教学目的和课程性质 本课程教学目的是：通过本课程的学习，使学生了解模拟电本课程教学目的是：通过本课程的学习，使学生了解模拟电子技术的发展情况，获得必要的基础理论、基本知识和基本子技术的发展情况，获得必要的基础理

2、论、基本知识和基本技能，启发学生的技能，启发学生的创新意识创新意识，培养学生的，培养学生的创新能力创新能力和和综合素综合素质质，为学习后续课程及从事与本专业有关的工程技术工作和，为学习后续课程及从事与本专业有关的工程技术工作和科学研究工作打下基础。科学研究工作打下基础。课程安排 理论讲授：理论讲授：3232课时课时 实验课时：实验课时：1212课时课时课程考核 平时成绩：平时成绩：15%15% 实验成绩：实验成绩：15%15% 期中成绩：期中成绩：30%30% 期末成绩：期末成绩：40%40%测量技术、测量技术、计算技术、自动控制技术计算技术、自动控制技术 20世纪四十年代：世纪四十年代：晶体

3、管晶体管 晶体管与电子管相比晶体管与电子管相比: 体积小、重量轻、功耗低、寿命长。体积小、重量轻、功耗低、寿命长。 20世纪六十年代：世纪六十年代：集成电路集成电路 SSIMSI LSI VLSI里程碑！里程碑！真空管真空管 通信技术、通信技术、 20世纪初：世纪初： （3 亿个晶体管）亿个晶体管）（4个晶体管）个晶体管）电子技术是在电子技术是在19世纪末叶无线电发明之后才发展世纪末叶无线电发明之后才发展起来的一门重要学科。起来的一门重要学科。发展史发展史第一章第一章半导体器件半导体器件1.1半导体特性半导体特性1.3 双极结型三极管双极结型三极管1.2半导体二极管半导体二极管1. 导体：导体

4、：电阻率电阻率 109 cm 物质。如橡胶、物质。如橡胶、塑料等。塑料等。3. 半导体：半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅( (Si) )和锗和锗( (Ge) )。半导体导电性能是由其原子结构决定的。半导体导电性能是由其原子结构决定的。1.1半导体的特性半导体的特性( (a) )硅的原子结构图硅的原子结构图 价电子价电子硅原子结构硅原子结构最外层电子称最外层电子称价电子价电子锗原子也是锗原子也是 4 价元素价元素图图 1硅原子结构硅原子结构4 价元素的原子常常用价元素的原子常常用+

5、 4 电荷的正离子和周围电荷的正离子和周围 4个价电子表示。个价电子表示。+4( (b) )简化模型简化模型半导体的定义：半导体的定义：将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体半导体。大多数半导体器件所用主要材大多数半导体器件所用主要材料是硅和锗料是硅和锗在硅在硅(或锗或锗)的晶体中的晶体中,原子在空间排列成规则的晶格。原子在空间排列成规则的晶格。晶体中的价电子与共价键1.1.11.1.1、本征半导体、本征半导体带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 1.1.21.1.2、 杂质半导体杂质半导体2. 杂质半导体总体

6、上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。 3. 杂质半导体的表示方法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。1. 杂质半导体杂质半导体载流子的数目载流子的数目要远远高于本征半导体，要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。因而其导电能力大大改善。( (a) )N 型半导体型半导体( (b) ) P 型半导体型半导体图杂质半导体的的简化表示法图杂质半导体的的简化表示法说明：1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管称为反向接法或反向偏置称为反向接法或反向偏置（简称反偏）（简称反偏）反向电流非常小，反向电流非常小，PN结处于截止结处于截止(cut-off)状态。状态。 加反向电压加反向电压

7、IS 对温度十分敏感。对温度十分敏感。1.2.21.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性将将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从 P 区和区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。区分别焊出两根引线作正、负极。n二极管的几种常见结构：二极管的几种常见结构：( (a) )外形图外形图n 半导体二极管又称晶体二极管。半导体二极管又称晶体二极管。( (b) )符号符号二极管的外形和符号二极管的外形和符号半导体二极管的类型：半导体二极管的类型：按按 PN 结结构结结构分：分：有点接触型和面接触型二极管。有点接触型和面接触型二极管。点接触型管子中不允许通过较大

8、的电流，因结电容点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。小，可在高频下工作。面接触型二极管面接触型二极管 PN 结的面积大，允许流过的电流结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。大，但只能在较低频率下工作。按用途划分：按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。按半导体材料分：按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。有硅二极管、锗二极管等。v 二极管的伏安特性二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，在二极管的两端加上电

9、压，测量流过管子的电流，I = f ( (U ) )之间的关系曲线之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550I / mAU / V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反向特性反向特性 50I / mAU / V0.20.4 25510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0二极管的伏安特性二极管的伏安特性当正向电压超过死区电压后，当正向电压超过死区电压后，二极管导通二极管导通,电流与电压关系近似指数关系。电流与电压关系近似指数关系。二极管正向特性曲线死区电压：死区电压：导通压降：导通压降：反偏时，反向

10、电流值很小，反偏时，反向电流值很小，反向电阻很大，反向电阻很大，反向电压超过反向电压超过UBR则被击穿。则被击穿。结论：结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管方程：二极管方程：式中：式中： IS为反向饱和电流；为反向饱和电流；UT 是温度电压当量，常是温度电压当量，常温下温下UT近似为近似为26mV。)1(TS- - UUeII击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。结论：结论：二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现二极管具有单向导电性。加正向

11、电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。呈现很大的反向电阻，如同开关断开。从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。属于非线性器件。1.2.3 1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流 IF指二极管长期运行时，指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。允许通过管子的最大正向平均电流。IF的数值是

12、由二极管允许的温升所限定。的数值是由二极管允许的温升所限定。 反向工作峰值电压反向工作峰值电压 UR工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为的一半定为UR 。室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。流过管子的反向电流。通常希望通常希望IR值愈小愈好。值愈小愈好。 IR受温度的影响很大。受温度的影响很大。 最高工作频率最高工作频率 fM值主要决定于结结电容的大小。

13、值主要决定于结结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。 反向峰值电流反向峰值电流 IR1.2.4稳压管稳压管稳压管是一种面接触型二极管，与二极管不同之处：稳压管是一种面接触型二极管，与二极管不同之处：1.采用特殊工艺，击穿状态不致损坏；采用特殊工艺，击穿状态不致损坏；2.击穿是可逆的。击穿是可逆的。符号及特性曲线如下图所示：符号及特性曲线如下图所示：O稳压管的伏安特性和符号minZImaxZI1. 稳定电压稳定电压UZ，稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。，稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。2. 稳定电流稳定电流Iz ，稳压管正常

14、工作时的参考电流。，稳压管正常工作时的参考电流。3. 额定功耗额定功耗Pz ，电流流过稳压管时消耗的功率。，电流流过稳压管时消耗的功率。4. 动态内阻动态内阻rz ，稳压管两端电压和电流的变化量之比。，稳压管两端电压和电流的变化量之比。 rz= U / I使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：稳压管电路1. 稳压管必须工作在稳压管必须工作在反向击穿区，反向击穿区，2. 稳压管应与负载稳压管应与负载RL并联，并联，3. 必须限制流过稳压必须限制流过稳压管的电流管的电流IZ ，不能不能超过规定值超过规定值，以免，以免因过热而烧毁管子。因过热而烧毁管子。例例 有两个

15、稳压管有两个稳压管 VD1 和和 VD2 ，它们的稳压值为，它们的稳压值为UZ1 = 6V，UZ2 = 8V，正向导通压降均为正向导通压降均为 UD = 0.6 V，将，将它们串联可得到几种稳压值。它们串联可得到几种稳压值。1 发光二极管发光二极管有正向电流流过时，发出一定有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。它的电特性与一般二极管类似。其他类型的二极管其他类型的二极管2 光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加

16、照度增加三极管的外形如下图所示。三极管的外形如下图所示。三极管的外形三极管的外形1.3双极结型三极管双极结型三极管1.3.1三极管的结构及类型三极管的结构及类型一、一、 三极管的结构三极管的结构NPN型三极管的结构和符号常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。型。三极管的结构图三极管的结构图( (a) )平面型平面型( (NPN) )( (b) )合金型合金型( (PNP) )NecNPb二氧化硅二氧化硅becPNPe 发射极，发射极，b 基 极 ，基 极 ， c 集电极。集电极。平面型平面型( (NPN) )三极管制作工艺三极管制作工艺Nc

17、SiO2b硼杂质扩散硼杂质扩散e磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散PN在在 N 型硅片型硅片( (集电区集电区) )氧化膜上刻一个窗口，将氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成硼杂质进行扩散形成 P 型型( (基区基区) )，再在，再在 P 型区型区上刻窗口，将磷杂质进行上刻窗口，将磷杂质进行扩散形成扩散形成N型的发射区。型的发射区。引出三个电极即可。引出三个电极即可。合金型三极管制作工艺：合金型三极管制作工艺：在在 N 型锗片型锗片( (基区基区) )两边各置两边各置一个铟球，加温铟被熔化并与一个铟球，加温铟被熔化并与 N

18、型锗接触，冷却后形成两型锗接触，冷却后形成两个个 P 型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。以以 NPN 型三极管为例讨论型三极管为例讨论三极管中的两个三极管中的两个 PN 结结cNNPebbec表面看表面看三极管若实三极管若实现放大，必须从现放大，必须从三极管内部结构三极管内部结构和和外部所加电源外部所加电源的极性的极性来保证。来保证。不具备不具备放大作用放大作用1.3.2、三极管的电流放大作用、三极管的电流放大作用 一、三极管内部结构要求：一、三极管内部结构要求：NNPebcNNNPPP1. 发射区高掺杂。发射区高掺杂。2. 基区做得很薄基区做得很

19、薄。通常只有。通常只有几微米到几十微米，而且几微米到几十微米，而且掺杂较掺杂较少少。三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使：外加电源的极性应使发射发射结处于正向偏置结处于正向偏置状态，而状态，而集电结处于反向偏置集电结处于反向偏置状态。状态。3. 集电区面积大。集电区面积大。EEBRBRC二、三极管中载流子的运动和电流分配关系二、三极管中载流子的运动和电流分配关系 即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。是分析放大电路的

20、依据。 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线输出输出回路回路输入输入回路回路+UCE- -1 1、三极管的特性曲线、三极管的特性曲线特性曲线是选用三极管的主要依据，可从半导体器特性曲线是选用三极管的主要依据，可从半导体器件手册查得。件手册查得。IBUCE三极管共射特性曲线测试电路三极管共射特性曲线测试电路ICVCCRbVBBcebRcV- -+ +V- -+ + A- -+ + +- -mA 输入特性：输入特性：输出特性：输出特性：常数常数 B)(CECIUfI常数常数 CE)(BEBUUfI+UCE- -+UCE- -IBIBIBUBE一、输入

21、特性一、输入特性常数常数 CE)(BEBUUfI ( (1) ) UCE = 0 时的输入时的输入特性曲线特性曲线RbVBBcebIB+UBE_VBBIB+UBE_bceV/BEUO0CE UIB/ A 当当 UCE = 0 时，基极和时，基极和发射极之间相当于两个发射极之间相当于两个 PN 结并联。所以，当结并联。所以，当 b、e 之间之间加正向电压时，应为两个二加正向电压时，应为两个二极管并联后的正向伏安特性。极管并联后的正向伏安特性。( (2) ) UCE 0 时的输入特性曲线时的输入特性曲线当当 UCE 0 时，这个电压有利于将发射区扩散到基区时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子

22、收集到集电极。的电子收集到集电极。UCE UBE，三极管处于放大状态。，三极管处于放大状态。 * 特性右移特性右移( (因集电因集电结开始吸引电子结开始吸引电子) )V2CE UV/BEUO0CE UIB/ AUCE 1 时的输入特性具有实用意义。时的输入特性具有实用意义。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV- -+ +V- -+ + A- -+ + +- -mAUBE* UCE 1 V，特性，特性曲线重合。曲线重合。图图 1.3.6三极管共射特性曲线测试电路三极管共射特性曲线测试电路三极管的输入特性三极管的输入特性二、输出特性二、输出特性NPN 三极管的输出特性曲线三极管的输出特性曲线

23、IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB = 0O 5 10 154321划分三个区：截止区、划分三个区：截止区、放大区和饱和区。放大区和饱和区。截止区截止区放放大大区区饱饱和和区区放放大大区区1. 截止区截止区IB 0 的的区域。区域。两个结都处于反向偏两个结都处于反向偏置。置。IB= 0 时，时，IC = ICEO。 硅管约等于硅管约等于 1 A，锗管，锗管约为几十约为几十 几百微安。几百微安。常数常数 B)(CECIUfI截止区截止区截止区截止区2. 放大区：放大区：条件：条件：发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏特点特点：各条输出特性曲各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。且等间隔。二、输出特性二、输出特性IC / mA