电子技术第1章

1、第第1 1章章 半导体器件半导体器件1.1 1.1 半导体的基本知识与半导体的基本知识与PNPN结结 1.2 1.2 二二 极极 管管 1.3 1.3 稳稳 压压 稳稳 压压 管管1.4 1.4 双双 极极 结结 型型 晶晶 体体 管管1.5 1.5 场场 效效 应应 晶晶 体体 管管1.6 1.6 光光 电电 器器 件件前一页 后一页 节目录退出 半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。第第1章章 半半 导导 体体 器器 件件1.1 半导体的基本知识与半导体的基本知识与PN结结一、半导体材料的导电性能

2、一、半导体材料的导电性能物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电特性取决于原子结构。导体:一般为低价元素, 导电性能好，电阻率()低，如铜、铁、铝等金属材料。绝缘体:一般为高价元素, 导电性极差，电阻率高，如橡胶, 塑料等绝缘材料。：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。前一页 后一页 节目录退出1.半导体特点半导体特点 （1）热敏性环境温度对半导体导电能力影响很大。温度升高电阻率显著减小，例如：纯锗，温度从20升高30，电阻率（）约降低一半。 （2）光敏性光照射时，半导体的载流子数量急剧增加。电阻率显著减小

3、，利用这一特性制成光敏器件。 （3) 杂敏性在纯净的半导体材料中掺入某种微量的有用元素后，导电性能大为提高。2.2.本征半导体本征半导体 完全纯净的，具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和锗, 它们都是四价元素, 在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。图 1.1.1 所示的简化原子结构模型。把硅或锗材料拉制成单晶体时, 相邻两个原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子, 它们一方面围绕自身的原子核运动, 另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用, 同时还受到相邻原子核的吸引。于是, 两个相邻的原子共有一对价电子, 组成共价键结构。故晶体中

4、, 每个原子都和周围的个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来,如图1.1.所示。在绝对温度零度时，这种结构相对稳定。44共价键价电子44444444图 1.1.1 硅和锗简化原子结构模型 图 1.1. 2 本征半导体共价键晶体结构示意图 444444444自由电子空穴 共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量, 其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子, 同时必然在共价键中留下空位, 称为空穴。空穴带正电, 如图 1.1.所示。 图 1.1. 3 本征半导体中的自由电子和空穴 由此可见, 半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半导体中, 由于本征激发产生的自由电子与

5、空穴是成对产生的, 因此, 它们的浓度是相等的。我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度, 即ni=pi, 下标i表示为本征半导体。 价电子在热运动中获得能量产生了电子-空穴对。同时自由电子在运动过程中失去能量, 与空穴相遇, 使电子、 空穴对消失, 这种现象称为复合。在一定温度下, 载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的, 载流子的浓度是一定的。444444444自由电子空穴空穴和自由电子在半导体中流动形成电流。半导体导电方式：自由电子和空穴。总结1.半导体材料的特点；2.本征激发的现象；3.半导体的导电方式。 在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在

6、构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。自由电子 多数载流子（简称多子）空 穴少数载流子（简称少子）(Negative 阴、负极）图 1.1. 4 N型半导体共价键结构 在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。自由电子 多数载流子（简称多子）

7、空 穴少数载流子（简称少子）（Positive 阳、正极）图 1.1. 5 P型半导体的共价键结构 P 型半导体N 型半导体注意:1.无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。2.掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。3.少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。二、二、PN结及其单向导电性结及其单向导电性前一页 后一页 节目录退出1 1PN结的形成结的形成u半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为。u将一块半导体

8、的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 多子扩散 形成空间电荷区产生内电场 少子漂移 扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结u外加正向电压（也叫正向偏置）u外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于低阻状态。空间电荷区变窄E R内电场外电场PNIVPVNE R内电场外电场空间电荷区变宽PNIu外加反向电压（也叫反向偏置）u外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂移运动产生的，

9、反向电流很小，这时称PN结处于高阻状态。VPVN 3. 结的电容效应结的电容效应 按电容的定义dUdQCUQC或 即电压变化将引起电荷变化, 从而反映出电容效应。而结两端加上电压, 结内就有电荷的变化, 说明结具有电容效应。结具有两种电容： 势垒电容和扩散电容。 (1). 势垒电容势垒电容CT 势垒电容是PN结在反向电压作用下，由阻挡层内空间电荷引起的。空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的,均具有一定的电荷量, 所以在结储存了一定的电荷, 当外加电压使阻挡层变宽时, 电荷量增加, 如图所示；反之, 外加电压使阻挡层变窄时, 电荷量减少。即阻挡层中的电荷量随外加电压变化而改变, 形成了电

10、容效应, 称为势垒电容,具有非线性，它与结面积、耗尽层宽度、半导体的介电常数及外加电压有关。OUCj势垒电容和外加电压的关系 xO2Qnp1P区中电子浓度的分布曲线及电荷的积累 (2).扩散电容扩散电容CD 扩散电容是结在正向电压时, 多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。当结加正向电压时,区的电子扩散到区, 同时区的空穴也向区扩散。 显然, 在区交界处(x), 载流子的浓度最高。由于扩散运动, 离交界处愈远, 载流子浓度愈低, 这些扩散的载流子, 在扩散区积累了电荷, 总的电荷量相当于图中曲线以下的部分(图表示了区电子p的分布)。若结正向电压加大, 则多数载流子扩散加强, 电荷积累由曲

11、线变为曲线, 电荷增加量为；反之, 若正向电压减少, 则积累的电荷将减少, 这就是扩散电容效应CD, 扩散电容正比于正向电流, 即DI。所以结的结电容包括两部分, 即Cj。一般说来, 结正偏时, 扩散电容起主要作用, ；当结反偏时, 势垒电容起主要作用, 即。 一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。 半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。 点接触型二极管PN结面积很小，结电容很小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。 面接触型二极管PN结面积大，结电容也大，多用在低频整流电路中。阳极 阴极1.2.1 半导体二极管的结构半导体二极管

12、的结构1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c) 平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a) 点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b) 面接触型阴极阳极(d) 符号半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 -60 -40 -200.4 0.8 U /V40302010I /mA0正向特性反向特性 正向电压低于某一数值时, 正向电流很小, 只有当正向电压高于某一值后, 才有明显的正向电流。该电压称为开启电压, 又称为门限电压(或阈值电压), 用表示。在室温下, 硅管的约为.5 V, 锗管的约为.2 V。通常认为,

13、 当正向电压on时, 二极管截止；时, 二极管导通。二极管一旦导通,正向电流明显增加,并且随着正向电压增大,电流迅速增长,二极管充分导通,其导通电压UF:0.6V0.8V(硅:0.7V）；0.2V0.3V(锗:0.3V） 。1.2.2 半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性阳极 阴极 二极管加反向电压, 反向电流数值很小, 且基本不变, 称反向饱和电流（IR)。硅管反向饱和电流为纳安()数量级, 锗管的为微安数量级。当反向电压加到一定值时, 反向电流急剧增加, 产生击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上(高反压管可达几千伏)。) 1(TUURDeIIqkTUTKeVKJk/1063

14、. 8/1038. 1523式中, 为流过结的电流；U 为结两端电压。UT称为温度电压当量, 其中k为玻耳兹曼常数, 为绝对温度,q为电子的电量,在室温下即300时,26V；R为反向饱和电流。绝对温度 T=0K=-273.15e:电子电荷量（1.610-19C）J：焦尔=伏安秒 ev=库伏=安秒伏-60 -40 -200.4 0.8 U /V40302010I /mA0正向特性反向特性（1）最大整流电流IFM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压UBR：指管子反向击穿时的电压值。（3）最大反向工作电压UDRM：二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为UBR 的一半）

15、。（4）最大反向电流IRM：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。（5）最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容的大小。1.2.3 半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数 二极管的特性对温度很敏感, 温度升高, 正向特性曲线向左移, 反向特性曲线向下移。 其规律是：在室温附近, 在同一电流下, 温度每升高, 正向压降减小.V；温度每升高, 反向电流约增大 1 倍。 1.2.4 二极管的应用二极管的应用整流、检波、限幅、钳位1.理想模型：即二极管为理想二极管理想模型：即二极管为理想二极管前一页 后一页 节目录退出 对电子线路进行定量分析时，电路中的实际器件必须用相应的

16、电路模型来等效，根据分析手段及要求的不同，器件模型将有所不同。例如，借助计算机辅助分析，则允许模型复杂，以保证分析结果尽可能精确。而在工程分析中，则力求模型简单、实用，以突出电路的功能及主要特性。：正向导通：正向电阻为零，二极管可视为短路特性，正向压降忽略不计；反向截止：反向电阻为无穷大，二极管可视为开路特性，反向漏电流忽略不计。2.恒压降模型恒压降模型 当二极管正向电压与外加电压相比不能忽略，而正向电阻与外接电阻可以忽略时，伏安特性应为恒压降模型。UFUF=0.7 (硅）；UF=0.3V(锗）3.3.小信号模型小信号模型 以上两种模型适用于较大范围的电流、电压关系，称为大信号模型。如果在二极

17、管电路中除直流外，再引入幅值较小的交流信号，则二极管两端的电压及通过它的电流将在某一固定值附近作微小变化，研究该变化就要用到小信号模型。 二极管的运用基础, 就是二极管的单向导电特性, 因此, 在应用电路中, 关键是判断二极管的导通或截止。二极管导通时一般用电压源F.V(硅管, 如是锗管用.V)代替, 或近似用短路线代替。截止时, 一般将二极管断开, 即认为二极管反向电阻为无穷大。1.单向限幅电路单向限幅电路 当输入信号电压在一定范围内变化时, 输出电压随输入电压相应变化； 而当输入电压超出该范围时, 输出电压保持不变,这就是限幅电路。VDuiuoRE1. V, 限幅电平为V。u时二极管导通,

18、 uoV； uiV, 二极管截止, uou。波形如图(a)所示。 2. 如果Um, 则限幅电平为。u, 二极管截止, uou；u, 二极管导通, uo。波形图如图 ()所示。 3. 如果m, 则限幅电平为-E, 波形图如图()所示tuiO(b)EuotOEtui(a)UmuoOtUmOtuiO(c)EuoEOt 例例1.2.1 1.2.1 uiui=10sint V U=10sint V US1S1=U=US2S2=5V =5V 试画出输出电压波形试画出输出电压波形 前一页 后一页 节目录退出2.2.双向限幅电路双向限幅电路 例例1.2.2 P71.2.2 P7前一页 后一页 节目录退出3.3

19、.单向整流电路单向整流电路4.4.二极管二极管“与与”门电路门电路 二极管作为开关元件使用。二极管作为开关元件使用。 前一页 后一页 节目录退出1.1.伏安特性曲线伏安特性曲线阳极 阴极 稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，由图可见，它的正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时(IZminIIZmax)，其两端电压几乎不变。这表明，稳压二极管反向击穿后，能通过调整自身电流实现稳压。稳压二极管击穿后，电流急剧增大，使管耗相应增大。因此必须对击穿后的电流加以限制，以保证稳压二极管的安全。2.稳压管的主要参数：稳压管的主要参数：（1）稳定电

20、压UZ。反向击穿后稳定工作的电压。（2）稳定电流IZ。工作电压等于稳定电压时的电流。（3）动态电阻rZ。稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比。即：rZ=UZ/IZ（4）额定功率PZ和最大稳定电流IZM。额定功率PZ是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是： PZ=UZIZM 注意：注意：ZMZm II工作电流VZUiUoRRLILIZ3.稳压电路稳压电路稳压原理稳压原理 (1) 输入电压UI保持不变, 当负载电阻RL减小, IL增大时, 由于电流在电阻R上的压降升高, 输出电压UO将下降。由于稳压管并联在输出端,

21、 由伏安特性可看出, 当稳压管两端的电压略有下降时, 电流Iz将急剧减小,而IR=IL+Iz, 所以IR下降, R上的压降下降, 输出电压UO上升, 即RLILIRUOIzIR=IL+Iz UO (2) 负载电阻RL不变, 当电网电压升高时, 将使UI增加, 随之输出电压UO也增大, 由稳压管伏安特性可见, Iz将急剧增加, 则电阻R上的压降增大, UO=UI-UR, 从而使输出电压基本保持不变, 即UIUOIzIRUR UOVZUiUoRRLILIZ限流电阻限流电阻R的选择的选择 当Ui,RL变化时，IZ应始终满足Izmin IZ基区集电区； （2）基区很薄； （3）集电区的面积较大，以利于

22、收集载流子。 cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN 2.管内载流子的运动过程 (1)(1)发射区向基区注入电子发射区向基区注入电子 由于e结正偏，因而结两侧多子的扩散占优势，这时发射区电子源源不断地越过e结注入到基区，形成电子注入电流IEN。与此同时，基区空穴也向发射区注入，形成空穴注入电流IEP。因为发射区相对基区是重掺杂，基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度，所以满足IEP IEN ，可忽略不计。因此，发射极电流IEIEN，其方向与电子注入方向相反。外部：发射结正偏，集电结反偏 (2) 电子在基区中边扩散边复合电子在基区中边扩散边复合 注入基区的

23、电子，成为基区中的非平衡少子，它在e结处浓度最大，而在c结处浓度最小(因c结反偏，电子浓度近似为零)。因此，在基区中形成了非平衡电子的浓度差。在该浓度差作用下，注入基区的电子将继续向c结扩散。在扩散过程中，非平衡电子会与基区中的空穴相遇，使部分电子因复合而失去。但由于基区很薄且空穴浓度又低，所以被复合的电子数极少，而绝大部分电子都能扩散到c结边沿。基区中与电子复合的空穴由基极电源提供，形成基区复合电流IBN，它是基极电流IB的主要部分。 IBIBN (3) 扩散到集电结的电子被集电区收集扩散到集电结的电子被集电区收集 由于集电结反偏，在结内形成了较强的电场，因而，使扩散到c结边沿的电子在该电场

24、作用下漂移到集电区，形成集电区的收集电流ICN。该电流是构成集电极电流IC的主要部分。另外，集电区和基区的少子在c结反向电压作用下，向对方漂移形成c结反向饱和电流ICBO，并流过集电极和基极支路，构成IC 、IB的另一部分电流。IcIcN CBOCNCCBOBNBCNBNENEIIIIIIIIII前一页 后一页 节目录退出（2 2）三极管具有电流）三极管具有电流放大作用。放大作用。（1 1）三个电极的电流）三个电极的电流符合符合KCLCBEIIIBCII 电流放大系数电流放大系数 实验表明IC比IB大数十至数百倍，因而IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变

25、化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。1.4.3 三极管伏安特性曲线是描述三极管各极电流与极间电压关系的曲线，它对于了解三极管的导电特性非常有用。三极管有三个电极，通常用其中两个分别作输入、输出端，第三个作公共端，这样可以构成输入和输出两个回路。实际中，有三种基本接法(组态)，分别称为共发射极、共集电极和共基极接法。其中，共发射极接法更具代表性，所以我们主要讨论共发射极伏安特性曲线。(a)ceiEiCb(b)cebiBiC(c)输出回路输入回路ecbiBiE晶体管的三种基本接法 (a)共发射极；(b)共集电极；(c)共基极 一、

26、共发射极输入特性曲线一、共发射极输入特性曲线 测量电路如图。共射输入特性曲线是以uCE为参变量时，iB与uBE间的关系曲线，即 典型的共发射极输入特性曲线如图所示。 常数CEuBEBufi)(iB/AuBE/V060900.50.70.930UCE0 UCE1 (1).在uCE1V的条件下，当uBE UBE(on)时，随着uBE的增大，iB开始按指数规律增加，而后近似按直线上升。 (3)当uCE在01V之间时，随着uCE的增加，曲线右移。特别在0 uCE UCE(sat)的范围内，即工作在饱和区时，移动量会更大些。 (4)当uBEICM时，虽然管子不致于损坏，但值已经明显减小。因此，晶体管线性

27、运用时， IC不应超过ICM3.极限参数 (1) 集电极最大允许电流。 OIC与IC关系曲线 (2) 集电极最大允许功率损耗。 三极管工作在放大状态时，c结承受着较高的反向电压，同时流过较大的电流。因此，在c结上要消耗一定的功率，从而导致c结发热，结温升高。当结温过高时（硅管最高结温约为150，锗管约为70），管子的性能下降，甚至会烧坏管子，因此需要规定一个功耗限额。 当三极管工作时, 管子两端电压为, 集电极电流为, 因此集电极损耗的功率为CECCUIP 三极管的安全工作区uCE工作区iC0安全ICMU(BR)CEOPCM（3） 击穿电压U(BR)CBO：指发射极开路时，集电极基极间的反向击

28、穿电压。U(BR)CEO：指基极开路时，集电极发射极间的反向击穿电压。U(BR)EBO：指集电极开路时，发射极基极间的反向击穿电压。普通晶体管该电压值比较小，只有几伏。EBOCEOCBOBUBUBU1.4.5复合晶体管复合晶体管CEBb1bii b2e1ii c1icic2iei1T2Tb121b112b11e12b11b22b11c2c1c1 ii )(iiiiiiii C1T2Tb1bii b2c1ii cic2ie1ieiEBb121b121c12c12c1c2c1c1 1ii )(i )(iiiii 21b1cbc iiii前一页 后一页 节目录退出组成复合管的原则有以下几点：组成复合

29、管的原则有以下几点：1. 在正确的外加电压下每只管子的各级电流均有合适的通在正确的外加电压下每只管子的各级电流均有合适的通路，且均工作在放大区；路，且均工作在放大区；2. 为了实现电流放大，应将第一只管的集电极或发射极电为了实现电流放大，应将第一只管的集电极或发射极电流做为第二只管的基极电流。流做为第二只管的基极电流。第一只管（第一只管（T1）为推动管，第二只管（）为推动管，第二只管（T2）为输出管，复）为输出管，复合管的类型与推动管相同，而允许通过的功率由输出管决定。合管的类型与推动管相同，而允许通过的功率由输出管决定。 (b)cebcebIbIeIc(d)ecbecbIbIcIe例1：用直

30、流电压表测得放大电路中晶体管T1各电极的对地电位分别为：Vx=+9V，Vy=+3.6V，Vz=+3V；T2管各电极电位Vx=-5V，Vy=-10V，Vz=-5.3V。试判别T1和T2各是何类型、何材料的管子，又x、y、z 各是何电极？例2：P161.5 1.5 场效应晶体管场效应晶体管前一页 后一页 节目录退出分类： 按内部结构分：结型和MOS型，MOS管又分增强型和耗尽型两种，每类又有N、P沟道。 特点： （1）输入信号电压控制输出电流大小的半导体管子（压控器 件）； （2）输入电阻高，可达1081015； （3）噪声低受温度、辐射影响小，工艺简单，便于大规模集成，它属于单极型：只有一种载流

31、子参与导电（多数载流子）。 结型是利用PN结反偏得到高输入电阻，为提高输入电阻绝缘，绝缘栅就是基于这种思想研制的。分增强型、耗尽型。1.5.1 N沟道绝缘栅增强型(NMOS)：UGS0才能在漏、源极之间形成导电沟道。 无论是N沟道MOS管还是P沟道MOS管，都只有一种载流子导电，均为单极型电压控制器件。 MOS管的栅极电流几乎为零，输入电阻RGS很高：UGS=0时漏、源极之间已经存在原始导电沟道。1.5.2 N沟道绝缘栅耗尽型(NMOS) 增强型场效应管不存在原始导电沟道， UGS=0时场效应管不能导通，ID=0 。 UGS0时会产生垂直于衬底表面的电场。P型衬底与绝缘层的界面将感应出负电荷层

32、，UGS增加，负电荷数量增多，积累的负电荷足够多时，两个N+区沟通，形成导电沟道，漏、源极之间有ID出现。在一定的漏、源电压UDS下，使管子由不导通转为导通的临界栅、源电压称为开启电压UGS(th)。 UGS UGS(th)时，随UGS的增加ID增大。1.5.3 CuGSDDSufi)(（1）转移特性2)() 1(thGSGSDODUuIiIDOUGS=2 UGS(th）时的时的ID值；值；UGS(th)开启电压。开启电压。增强型转移特性曲线可以表示为：增强型转移特性曲线可以表示为：（2）漏极特性分析：CuDSDGSufi)(可变电阻区（可变电阻区（）：当UDS很小，导电沟道主要受栅源电压的控制。当UGS一定时，沟道电阻一定，UGSUth，无导电沟道，漏源之间电阻很大，当UGSUth ID基本上与UDS成线性关系，UGS不同，UDS与ID比值不同，因此该区域称为可变电阻区。常数DSGSDmUUIg 综上所述，场效应管的漏极电流ID受栅、源电压UGS的控制，即ID随UGS的变化而变化，所以场效应管是一种电压控制器件。场效应管栅、源