第5章半导体器件基础1

1、 第第2 2篇篇 模拟电子技术模拟电子技术 第第5章章 半导体器件基础半导体器件基础u 5.1 半导体半导体基础知识基础知识 u 5.2 半导体二极管半导体二极管 u 5.3 晶体三极管晶体三极管 u 5.4 场效应管场效应管 （不讲）（不讲）u 本章小结本章小结 本章内容提要本章内容提要重点：重点：（1）二极管的单向导电性；）二极管的单向导电性；（2）三极管的三种工作状态；）三极管的三种工作状态；难点：难点：（1）整流电路的特点及应用；）整流电路的特点及应用；（6）放大器的静态分析及动态分析；）放大器的静态分析及动态分析；（7）晶体管三种组态放大电路比较。）晶体管三种组态放大电路比较。 5.

2、1 半导体基础知识半导体基础知识5.1.1 本征半导体本征半导体1、半导体、半导体物质按导电性能可分为导体：导电能力良好的物质。如陶瓷干木半导体：是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质.如硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。 半导体的物理特性半导体的物理特性半导体的导电能力具有独特的性质光敏性热敏性惨杂性绝缘体：导电能力很差的物质。如铜铝等温度升高时，纯净的半导体的导电能力显著增加；光敏性：热敏性：惨杂性：半导体为什么具有以上的导电性质？在纯净半导体材料中加入微量的“杂质”元素，它的电导率就会成千上万倍地增长；纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高。半导体的晶体结构半导体的晶体结构n原

3、子的组成：n 带正电的原子核n 若干个围绕原子核运动的带负电的电子n 且整个原子呈电中性。n半导体器件的材料：n 硅（Silicon-Si）：四价元素，硅的原子序数是14，外层有4个电子。n 锗（Germanium-Ge）：也是四价元素，锗的原子序数是32，外层也是4个电子。 硅和锗外层都是4个电子硅和锗简化原子结构模型本征半导体共价键晶体结构示意图物质导电能力的大小取决于其中能参与导电的粒子载流子多少。共价键共价键:由相邻两个原子各拿出一个价电子组成价电子对所构成的联系本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。即纯净的、结构完整的单晶半导体空穴共价键中的空位。电子空穴对由热

4、激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。由于随机热振动致使共价键被打破而产生由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对空穴电子对2.半导体的导电原理半导体的导电原理 本征半导体在绝对零度（T=0K 相当于T=-273）时，相当于绝缘体在室温条件下，本征半导体便具有一定的导电能力本征半导体的特点 完全纯净完全纯净的具有晶体的具有晶体结构的半导结构的半导体称为体称为本征本征半导体半导体 。它它具有共价键具有共价键结构。结构。 共价键共价键硅原子硅原子 在半导在半导体中，同体中，同时存在着时存在着电子导电电子导电和空穴导和空穴导电。空穴电。

5、空穴和自由电和自由电子都称为子都称为载流子。载流子。它们成对它们成对出现，成出现，成对消失。对消失。在常温下自由电子和空穴的形成在常温下自由电子和空穴的形成复合自由电子自由电子本征本征激发激发电子空穴电子电子电子空穴电子电子电子电子电子空穴空穴原理图P自由电子自由电子结构图结构图磷原子磷原子正离子正离子P+ 在硅或锗中掺在硅或锗中掺入少量的五价元入少量的五价元素，如磷或砷、素，如磷或砷、锑，则形成锑，则形成N型型半导体。半导体。多余价电子多余价电子电子电子少子少子多子多子正离子正离子在在N N型半导体中，电子是多子，空穴是少子型半导体中，电子是多子，空穴是少子 在本征半导体中加入微量的五价（三

6、价）元素，可使半导体中自由电子（空穴）浓度大为增加，形成杂质半导体。 2 2、P P型半导体型半导体 在硅或锗中在硅或锗中掺入三价元素，掺入三价元素，如硼或铝、镓，如硼或铝、镓，则形成则形成P P型型半导半导体。体。原理图原理图B B- 硼原子硼原子负离子负离子空穴空穴填补空位填补空位结构图结构图在在P P型半导体中，空穴是多子，电子是少子。型半导体中，空穴是多子，电子是少子。空穴电子电子电子电子电子多子多子少子少子负离子负离子 用专门的制用专门的制造工艺在同一造工艺在同一块半导体单晶块半导体单晶上，形成上，形成P P型半型半导体区域和导体区域和N N型型半导体区域，半导体区域，在这两个区域在

7、这两个区域的交界处就形的交界处就形成一个成一个PNPN结结 。P 区区N N 区区P区的空穴向区的空穴向N区扩散并与电子复合区扩散并与电子复合N区的电子向区的电子向P区扩散并与空穴复合区扩散并与空穴复合空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向空穴空穴电子电子空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向 在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡动态平衡。P区区N区区多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移 在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定。形成了度基本上稳定。形成了PN

8、PN结结空间电荷区空间电荷区阻挡层阻挡层耗尽层耗尽层内内电场电场内电场阻挡多子的扩散运动，加强了少子的漂移运动。内电场阻挡多子的扩散运动，加强了少子的漂移运动。空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向PN少子漂移少子漂移结结 论论 ：在在PN结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移运动。结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移运动。上页下页返回多子扩散多子扩散 因浓度差因浓度差内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 总之总之PN结的形成过程结的形成过程多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成

9、内电场最后最后, ,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡（扩散多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡（扩散= =漂移）漂移）PNPN结的形成结的形成漂移运动： 由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。P多数载流子的扩散运动NP平衡时阻挡层形成N耗尽层空间电荷区内电场P区区N区区内电场内电场外电场外电场EI空间电荷区变窄空间电荷区变窄 P P区的空穴进入空间电荷区区的空穴进入空间电荷区和一部分负离子中和和一部分负离子中和 N N区电子进入空间电荷区电子进入空间电荷 区和一部分正离子中和区和一部分正离子中和扩散运动增强，形成较大的正向电流。扩散运

10、动增强，形成较大的正向电流。1、外加正向电压、外加正向电压外电场驱使空间电荷区两侧的小外电场驱使空间电荷区两侧的小子（空穴或自由电子）运动称为子（空穴或自由电子）运动称为漂移运动（增强）漂移运动（增强）空间电荷区变宽空间电荷区变宽 内电场内电场外电场外电场少子越过少子越过PN结形成结形成很小的反向电流很小的反向电流IRE 2、外加反向电压外加反向电压N区区P区区扩散受阻扩散受阻由上述分析可知由上述分析可知：PN结具有单向导电性结具有单向导电性 即即在在PNPN结上加正向电压时，结上加正向电压时，PNPN结电阻很低，结电阻很低，正向电流较大。（正向电流较大。（PNPN结处于导通状态）结处于导通状

11、态） 加反向电压时，加反向电压时，PNPN结电阻很高，反向电结电阻很高，反向电流很小。（流很小。（PNPN结处于截止状态）结处于截止状态）切记切记(3)PN结的伏安特性结的伏安特性 n定量描绘PN结两端电压和流过结的电流的关系的曲线PN结的伏安特性。n根据理论分析，PN结的伏安特性方程为(1)qUkTSIIe外加电压外加电压流过流过PN结结的电流的电流电子电荷量电子电荷量q =1.610-19C反向饱和电流反向饱和电流绝对温度绝对温度(K)玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数k =1.3810-23J/K自然对数的底自然对数的底n令令 (1)qUkTSIIeTkTUq在常温下，在常温下，T = 300K，

12、 则则(1)TUUSIIe23191.38 10300261.6 10TkTUmVq当当U大于大于UT数倍数倍TUUSII e1TUUe即正向电流随正向电压的增加以指数规律迅速增大。即正向电流随正向电压的增加以指数规律迅速增大。n外加反向电压时，U为负值，当|U|比UT大几倍时， 1TUUe(1)TUUSIIeIIS即加反向电压时，PN结只流过很小的反向饱和电流。n曲线OD段表示PN结正向偏置时的伏安特性，称为正向特性；n曲线OB段表示PN结反向偏置时的伏安特性，称为反向特性。U（mV）I（mA）0DT=25B-IS（V）0.25 50 75100(uA)0.511.52画出PN结的理论伏安特

13、性曲线用UD(on)表示导通电压或死区电压。室温下，硅管的UD(on) =(0.50.6)V，锗管的 UD(on) =(0.10.2)V。反向硅管的电流一般小于0.1A，锗管的一般小于几十微安。(4) PN结的反向击穿结的反向击穿 n加大PN结的反向电压到某一值时，反向电流突然剧增，这种现象称为PN结击穿，发生击穿所需的电压称为击穿电压，如图所示。 n反向击穿的特点：反向电压增加很小，反向电流却急剧增加。UBRU（V）I（mA）0图图 PN结反向击穿结反向击穿热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆 雪崩击穿n由倍增效应引起的击穿。当PN结外加的反向电

14、压增加到一定数值时，空间电荷数目较多，内电场很强，使流过PN结的少子漂移速度加快，可获得足够大的动能，它们与PN结中的中性原子碰撞时，能把价电子从共价建中碰撞出来，产生新的电子空穴对。n雪崩击穿通常发生在掺杂浓度较低的PN结中。 齐纳击穿n强电场破坏共价健引起的。n齐纳击穿通常发生在掺杂浓度较高的PN结中。n雪崩击穿和齐纳击穿均为电击穿。一般来说，对硅材料的PN结，UBR7V时为雪崩击穿； UBR 5V时为齐纳击穿； UBR介于57V时，两种击穿都有。 当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。(5) PN结的电容效应

15、结的电容效应 n除了单向导电性之外，PN结还存在电容效应。n 势垒电容CB 多子的充放电引起的。是指外加电压的变化导致空间电荷区存储电荷的变化，从而显示出电容效应。几皮法几百皮法。n 扩散电容CD 多子的积累引起的。是指PN结两侧积累的非平衡载流子数量随外加电压改变所产生的电容效应。nPN结的电容很小，是针对高频交流小信号而考虑。nPN结反向工作时，势垒电容起主要作用，正向工作时扩散电容起主要作用。PN结的面积增大时，PN结的电容也增大。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图5.2 半导体二极管5.2.1 二极管的结构和符号二极管的结构和符号n半导体二极管的结构和类

16、型n在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。n(1) 点接触型二极管 PN结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波和电容小，用于检波和变频等高频电路。变频等高频电路。 PN结面积大，用于工结面积大，用于工频大电流整流电路。频大电流整流电路。(c)(c)平面型平面型阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底 往往用于集成电路往往用于集成电路制造中。制造中。PN 结面积可结面积可大可小，用于高频整流大可小，用于高频整流和开关电路中。和开关电路中。n (3) 平面型二极管平面型二极管n (2)面接触型二极管面接触型二极管n(4)

17、 二极管的代表符号二极管的代表符号(b)(b)面接触型面接触型阳极阳极阴极阴极半导体二极管图片 小电流二极管常用玻璃壳塑料壳封装，为便于散热，大电流二极管一般使用金属外壳。通过电流在1A以上的二极管常加散热片以帮助散热。二极管的伏安特性曲线可用下式表示D/DS(1)TUUiI e(a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性CDoBAUBRuDiD（b b）2CP10-202CP10-20的的伏安特性曲线伏安特性曲线iD（mA）uD（V）012-100-20020406080-20-10-30（uA）7520（c c）2AP152AP15的的伏安特性曲线伏安特性曲线iD（mA）uD（V）00. 4

18、-40-80204080-0.2-0.1-0.3600.85.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管特性曲线二极管特性曲线 正向特性n死区电压：硅管 0.5V 锗管 0.1Vn线性区：硅管 0.6V1V 锗管 0.2V0.5V n对温度变化敏感：n温度升高正向特性曲线左移n温度每升高1正向压降减约2mV。正向正向特性特性(a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性CDoBAUBRuDiDn 反向特性n反向电流：很小。n 硅管 0.1微安n 锗管 几十个微安n受温度影响大：n 温度每升高10n 反向电流增加约1倍。n 反向击穿特性n反向击穿UBR:几十伏以上。反向击反向击穿特性穿特性反向反

19、向特性特性(a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性CDoBAUBRuDiD108642120.80.48400.40.81.2602090902060I / mAU / V806040202010200 1005020757550I / mAU / V20300300200 100(a) 2AP22(锗管)的伏安特性曲线(b) 2CP1020 (锗管)的伏安特性曲线01给出了实际二极管随着温度变化的伏安特性曲线给出了实际二极管随着温度变化的伏安特性曲线 n5.2.3 二极管的主要参数及应用二极管的主要参数及应用n 器件参数是定量描述器件性能质量和安全工作范围的重要数据，是我们合理选择和正确使

20、用器件的依据。参数一般可以从产品手册中查到，也可以通过直接测量得到。下面介绍晶体二极管的主要参数及其意义。n1、二极管的主要参数、二极管的主要参数n （1）、直流电阻RDn RD定义为：二极管两端所加直流电压UD与流过它的直流电流ID之比，即DDDIUR 二极管直流电阻RD的几何意义n RD不是恒定值，正向的RD随工作电流增大而减小，反向的RD随反向电压增大而增大。RD的几何意义见图 ，即Q(ID,UD)点到原点直线斜率的倒数。显然，图中Q1点处的RD小于Q2点处的RD 。 n（2）、交流电阻）、交流电阻rDn rD定义为：二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)处的电压微变量与电流微变量之比，即

21、DQDQDQDQUIUIDdiduIUr, rD的几何意义见左图 ，即二极管伏安特性曲线上Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。 /26TTTDQQu USDQDQUUdurdiI eII/DS(1)Tu UiI erD可以通过对式 求导得出，即二极管交流电阻rD的几何意义室温条件下(T=300K):26TUVn（3）、最大整流电流IF n IF指二极管允许通过的最大正向平均电流。实际应用时，流过二极管的平均电流不能超过此值。n（4）、最大反向工作电压URMn URM指二极管工作时所允许加的最大反向电压，超过此值容易发生反向击穿。通常取UBR的一半作为URM 。 n 通过对二极管交、直流电阻

22、的分析可知，由于二极管的非线性伏安特性，所以交、直流电阻均是非线性电阻，即特性曲线上不同点处的交、直流电阻不同，同一点处交流和直流电阻也不相同。 n（5）、反向电流）、反向电流IR n IR指二极管未击穿时的反向电流。 IR越小，单向导电性能越好。IR与温度密切相关，使用时应注意IR的温度条件。n（6）、最高工作频率）、最高工作频率fM n fM是与结电容有关的参数。工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能变坏。 n 需要指出，由于器件参数分散性较大，手册中给出的一般为典型值；必要时应通过实际测量得到准确值。另外，应注意参数的测试条件，当运用条件不同时，应考虑其影响。n2、二极管基本应用电路二

23、极管基本应用电路n 利用二极管的单向导电特性，可实现整流、限幅及电平选择等功能。n（1）、二极管整流电路、二极管整流电路n 把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图 (a)所示。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，uo=ui；负半周时，二极管截止(相当开关打开)， uo =0。其输入、输出波形见图 (b)。整流电路可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。 ttuo0ui0(b)VuiuoRL(a) 图 二极管半波整流电路及波形 (a)电路； (b)输入、输出波形关系 n（2）、二极管限幅电路）、二极管限幅电路n 限幅

24、电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。限幅电路的传输特性如图所示 .ui0UILuoUomaxUominUIH 一个简单的上限幅电路如图 (a)所示。利用二极管的模型可知，当uiE +UD(on)=2.7V时，V导通，uo=2.7 V，即将ui的最大电压限制在2.7V上；当ui 2.7V时，V截止，二极管支路开路，uo= ui 。图 (b)画出了输入一5V的正弦波时，该电路的输出波形。可见，上限幅电路将输入信号中高出2.7 V的部分削平了。 (b)输入、输出波形关系 tui/V05tuo/V02.7VuiuoRE2V (a)电路 V, 限幅电平

25、为V。u时二极管导通, uoV； uiV, 二极管截止, uou。波形如图所示。 VDuiuoRE讨论 并联二极管上限幅电路 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。 VDuiuoRE讨论 并联二极管上限幅电路 如果m, 则限幅电平为-E, 波形图如图所示。VDuiuoRE讨论 并联二极管上限幅电路 VDuiuoER并联下限幅电路 VDuiuoRE并联上限幅电路 VD 1uiuoRE1VD 2E2双向限幅电路 同学自行画出下限幅和双限幅电路的波形图w tuiUmUmO输入波形图n（3）、二极管电平选择电路）、二极管电平选择电路n 从多路输

26、入信号中选出最低电平或最高电平的电路，称为电平选择电路。一种二极管低电平选择电路如图 (a)所示。设两路输入信号u1, u2均小于E。表面上看似乎V1,V2都能导通，但实际上若u1 u2 ，则V1导通后将把uo限制在低电平u1上，使V2截止。反之，若u2 UZ。R为限流电阻，RL为负载。 下面来说明限流电阻R的选择方法。由图可知，当Ui，RL变化时，IZ应始终满足Izmin IZRmax的结果，则说明在给定条件下，已超出了VZ管的稳压工作范围。这时，需要改变使用条件或重新选择大容量稳压二极管，以满足 Rmin Rmax 。 minmaxRRRminminmaxminminiZLLZZUURRRRIUmaxmaxminmaxmaxiZLLZZUURRRRIU下面介绍如何合理选择限流电阻R。 例：例：在图5.14所示电路中，已知输入电压UI = 12 V，稳压管DZ的稳定电压UZ = 6 V，稳定电流IZ = 5mA，额定功耗PZM = 90 mW，试问输出电压Uo能否等于6 V。 已知输入电压UI = 12 V，稳压管DZ的稳定电压UZ = 6 V，稳定