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模拟电子技术,第1章半导体器件基础,1.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4场效应管,1.1半导体基础知识,自然界中的物质，按其导电能力可分为三大类：导体、半导体和绝缘体。半导体的特点：热敏性光敏性掺杂性,1.1.1本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。1.本征半导体的原子结构及共价键共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。图1.1所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。,图1.1硅和锗的原子结构和共价键结构,2.本征激发和两种载流子自由电子和空穴温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。图1.2所示为本征激发所产生的电子空穴对。,图1.2本征激发产生电子空穴对,如图1.3所示，空穴（如图中位置1）出现以后，邻近的束缚电子（如图中位置2）可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位，另一个束缚电子（如图中位置3）又会填补这个新的空位，这样就形成束缚电子填补空穴的运动。为了区别自由电子的运动，称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。,图1.3束缚电子填补空穴的运动,3.结论（1）半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。（2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。,（3）一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。（4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。,1.1.2杂质半导体在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。,1.N型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，则构成N型半导体。,五价的元素具有五个价电子，它们进入由硅（或锗）组成的半导体晶体中，五价的原子取代四价的硅（或锗）原子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，因为多一个价电子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子，于是半导体中自由电子的数目大量增加。自由电子参与导电移动后，在原来的位置留下一个不能移动的正离子，半导体仍然呈现电中性，但与此同时没有相应的空穴产生，如图1.4所示。,图1.4N型半导体的共价键结构,2.P型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等，则构成P型半导体。,三价的元素只有三个价电子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，由于缺少一个价电子，在晶体中便产生一个空位，邻近的束缚电子如果获取足够的能量，有可能填补这个空位，使原子成为一个不能移动的负离子，半导体仍然呈现电中性，但与此同时没有相应的自由电子产生，如图1.5所示。,图1.5P型半导体共价键结构,P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。P型半导体主要靠空穴导电。,1.1.3PN结及其单向导电性1.PN结的形成多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图1.6所示。,图1.6P型和N型半导体交界处载流子的扩散,由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.7所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此又称空间电荷区为耗尽层。,图1.7PN结的形成,空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。,2.PN结的单向导电性如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN结会呈现出不同的导电性能。（1）PN结外加正向电压PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏，如图1.8所示。,图1.8PN结外加正向电压,（2）PN结外加反向电压PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏，如图1.9所示。,图1.9PN结外加反向电压,PN结的单向导电性是指PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。,1.2半导体二极管,1.2.1二极管的结构及符号半导体二极管同PN结一样具有单向导电性。二极管按半导体材料的不同可以分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。可分为点接触型、面接触型和平面型二极管三类，如图1.10所示。,图1.10不同结构的各类二极管,图1.11所示为二极管的符号。由P端引出的电极是正极，由N端引出的电极是负极，箭头的方向表示正向电流的方向，VD是二极管的文字符号。,图1.11二极管的符号,常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形各异，图1.12所示为几种常见的二极管外形。,图1.12常见的二极管外形,1.2.2二极管的伏安特性及主要参数1.二极管的伏安特性二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。,（1）正向特性二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。如图1.13所示，当二极管所加正向电压比较小时（0IB，而且有IC与IB的比值近似相等，大约等于50。,（3）对表1.4中任两列数据求IC和IB变化量的比值，结果仍然近似相等，约等于50。（4）从表1.4中可知，当IB=0（基极开路）时，集电极电流的值很小，称此电流为三极管的穿透电流ICEO。穿透电流ICEO越小越好。,2019/12/13,72,可编辑,2.三极管实现电流分配的原理上述实验结论可以用载流子在三极管内部的运动规律来解释。图1.29为三极管内部载流子的传输与电流分配示意图。,图1.29三极管内部载流子的传输与电流分配示意图,（1）发射区向基区发射自由电子，形成发射极电流IE。（2）自由电子在基区与空穴复合，形成基极电流IB。（3）集电区收集从发射区扩散过来的自由电子，形成集电极电流IC。,3.结论（1）要使三极管具有放大作用，发射结必须正向偏置，而集电结必须反向偏置。（2）一般有1；通常认为。（3）三极管的电流分配及放大关系式为：IE=IC+IBIC=IB,1.3.3三极管的特性曲线及主要参数1.三极管的特性曲线三极管的特性曲线是指三极管的各电极电压与电流之间的关系曲线，它反映出三极管的特性。它可以用专用的图示仪进行显示，也可通过实验测量得到。以NPN型硅三极管为例，其常用的特性曲线有以下两种。,（1）输入特性曲线它是指一定集电极和发射极电压UCE下，三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。实验测得三极管的输入特性曲线如图1.30所示。,图1.30三极管的输入特性曲线,（2）输出特性曲线它是指一定基极电流IB下，三极管的集电极电流IC与集电结电压UCE之间的关系曲线。实验测得三极管的输出特性曲线如图1.31所示。,图1.31三极管的输出特性曲线,一般把三极管的输出特性分为3个工作区域，下面分别介绍。截止区三极管工作在截止状态时，具有以下几个特点：（a）发射结和集电结均反向偏置；（b）若不计穿透电流ICEO，有IB、IC近似为0；（c）三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一个开关断开。,放大区图1.31中，输出特性曲线近似平坦的区域称为放大区。三极管工作在放大状态时，具有以下特点：（a）三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置；（b）基极电流IB微小的变化会引起集电极电流IC较大的变化，有电流关系式：IC=IB；,（c）对NPN型的三极管，有电位关系：UCUBUE；（d）对NPN型硅三极管，有发射结电压UBE0.7V；对NPN型锗三极管，有UBE0.2V。,饱和区三极管工作在饱和状态时具有如下特点：（a）三极管的发射结和集电结均正向偏置；（b）三极管的电流放大能力下降，通常有ICIB；,（c）UCE的值很小，称此时的电压UCE为三极管的饱和压降，用UCES表示。一般硅三极管的UCES约为0.3V，锗三极管的UCES约为0.1V；（d）三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关导通。三极管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和导通状态；作为放大元件使用时，一般要工作在放大状态。,2.三极管的主要参数三极管的参数有很多，如电流放大系数、反向电流、耗散功率、集电极最大电流、最大反向电压等，这些参数可以通过查半导体手册来得到。三极管的参数是正确选定三极管的重要依据，下面介绍三极管的几个主要参数。,（1）共发射极电流放大系数和它是指从基极输入信号，从集电极输出信号，此种接法（共发射极）下的电流放大系数。,（2）极间反向电流集电极基极间的反向饱和电流ICBO集电极发射极间的穿透电流ICEO,（3）极限参数集电极最大允许电流ICM集电极最大允许功率损耗PCM反向击穿电压,图1.32三极管的安全工作区,3.温度对三极管特性的影响同二极管一样，三极管也是一种对温度十分敏感的器件，随温度的变化，三极管的性能参数也会改变。图1.33和图1.34所示为三极管的特性曲线受温度的影响情况。,图1.33温度对三极管输入特性的影响,图1.34温度对三极管输出特性的影响,1.3.4三极管的检测1.已知型号和管脚排列的三极管，判断其性能的好坏（1）测量极间电阻（2）三极管穿透电流ICEO大小的判断（3）电流放大系数的估计,2.判别三极管的管脚（1）判定基极和管型（2）判定集电极c和发射极e,图1.35判别三极管c、e电极的原理图,1.3.5特殊三极管1.光电三极管光电三极管又叫光敏三极管，是一种相当于在三极管的基极和集电极之间接入一只光电二极管的三极管，光电二极管的电流相当于三极管的基极电流。从结构上讲，此类管子基区面积比发射区面积大很多，光照面积大，光电灵敏度比较高，因为具有电流放大作用，在集电极可以输出很大的光电流。,光电三极管有塑封、金属封装（顶部为玻璃镜窗口）、陶瓷、树脂等多种封装结构，引脚分为两脚型和三脚型。一般两个管脚的光电三极管，管脚分别为集电极和发射极，而光窗口则为基极。图1.36所示为光电三极管的等效电路、符号和外形。,图1.36光电三极管的符号、等效电路和外形,2.光耦合器光耦合器是把发光二极管和光电三极管组合在一起的光电转换器件。图1.37所示为光耦合器的一般符号。,图1.37光耦合器的一般符号,3.达林顿管（复合管）达林顿管是指两个或两个以上的三极管按一定方式连接而成的管子，电流放大系数及输入阻抗都比较大。达林顿管分为普通达林顿管和大功率达林顿管，主要用于音频功率放大、电源稳压、大电流驱动、开关控制等电路。,1.4场效应管,场效应管则是一种电压控制器件，它是利用电场效应来控制其电流的大小，从而实现放大。场效应管工作时，内部参与导电的只有多子一种载流子，因此又称为单极性器件。根据结构不同，场效应管分为两大类，结型场效应管和绝缘栅场效应管。,1.4.1结型场效应管结型场效应管分为N沟道结型管和P沟道结型管，它们都具有3个电极：栅极、源极和漏极，分别与三极管的基极、发射极和集电极相对应。,1.结型场效应管的结构与符号图1.38所示为N沟道结型场效应管的结构与符号，结型场效应管符号中的箭头，表示由P区指向N区。,图1.38N沟道结型管的结构与符号,P沟道结型场效应管的构成与N沟道类似，只是所用杂质半导体的类型要反过来。图1.39所示为P沟道结型场效应管的结构与符号。,图1.39P沟道结型管的结构与符号,2.N沟道结型场效应管的工作原理（1）当栅源电压UGS=0时，两个PN结的耗尽层比较窄，中间的N型导电沟道比较宽，沟道电阻小，如图1.40所示。,图1.40UGS=0时的导电沟道,（2）当UGS0时，两个PN结反向偏置，PN结的耗尽层变宽，中间的N型导电沟道相应变窄，沟道导通电阻增大，如图1.41所示。,图1.41UGS0时的导电沟道,图1.42UGSUP时的导电沟道,（3）当UP0时，可产生漏极电流ID。ID的大小将随栅源电压UGS的变化而变化，从而实现电压对漏极电流的控制作用。UDS的存在，使得漏极附近的电位高，而源极附近的电位低，即沿N型导电沟道从漏极到源极形成一定的电位梯度，这样靠近漏极附近的PN结所加的反向偏置电压大，耗尽层宽；靠近源极附近的PN结反偏电压小，耗尽层窄，导电沟道成为一个楔形，如图1.43所示。,图1.43UGS和UDS共同作用的情况,为实现场效应管栅源电压对漏极电流的控制作用，结型场效应管在工作时，栅极和源极之间的PN结必须反向偏置。,3.结型场效应管的特性曲线及主要参数（1）输出特性曲线输出特性曲线是指栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS之间的关系曲线，如图1.44所示。,图1.44N沟道结型场效应管的输出特性曲线,场效应管的输出特性曲线可分为四个区域：可变电阻区恒流区截止区（夹断区）击穿区,（2）转移特性曲线在场效应管的UDS一定时，ID与UGS之间的关系曲线称为场效应管的转移特性曲线，如图1.45所示。它反映了场效应管栅源电压对漏极电流的控制作用。,图1.45N沟道结型场效应管的转移特性曲线,当UGS=0时，导电沟道电阻最小，ID最大，称此电流为场效应管的饱和漏极电流IDSS。当UGS=UP时，导电沟道被完全夹断，沟道电阻最大，此时ID=0，称UP为夹断电压。,（3）主要参数夹断电压（UP）饱和漏极电流IDSS直流输入电阻（RGS）最大耗散功率（PDM）低频跨导（gm）漏源击穿电压（U（BR）DS）栅源击穿电压（U（BR）GS）,1.4.2绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管是由金属（Metal）、氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）材料构成的，因此又叫MOS管。绝缘栅场效应管分为增强型和耗尽型两种，每一种又包括N沟道和P沟道两种类型。,（1）结构与符号以N沟道增强型MOS管为例，它是以P型半导体作为衬底，用半导体工艺技术制作两个高浓度的N型区，两个N型区分别引出一个金属电极，作为MOS管的源极S和漏极D；在P形衬底的表面生长一层很薄的SiO2绝缘层，绝缘层上引出一个金属电极称为MOS管的栅极G。B为从衬底引出的金属电极，一般工作时衬底与源极相连。图1.46所示为N沟道增强型MOS管的结构与符号。,图1.46N沟道增强型MOS管的结构与符号,符号中的箭头表示从P区（衬底）指向N区（N沟道），虚线表示增强型。,（2）N沟道增强型MOS管的工作原理如图1.47所示，在栅极G和源极S之间加电压UGS，漏极D和源极S之间加电压UDS，衬底B与源极S相连。,图1.47N沟道增强型MOS管加栅源电压UGS,形成导电沟道所需要的最小栅源电压UGS，称为开启电压UT。,（3）特性曲线输出特性（漏极特性）曲线,图1.48N沟道增强型MOS管的输出特性曲线