模电第1章半导体器件

1、 E! 模拟电子技术基础 丁其林 办公室: 厚德楼A821 电话: E-mail: 电子技术应用日常消费电子：手机、计算机、MP3/4、PSP、TV、音响各类电器：饮水机、电动门、 户外屏、 工厂：电气控制柜、测试仪器、汽车：汽车电子航空航天：神舟飞船、嫦娥一号、火星探测器（2010年）模拟电子技术基础简明教程第三版清华大学电子学教研组编 杨素行 主编下页总目录参考书康华光， 电子技术基础(模拟部分) ，第四版，高等教育出版社 杨栓科，模拟电子技术 西安交大 高等教育出版社江晓安 模拟电子技术 西安电子科技大学出版社 童诗白、华成英，模拟电子技术基础，（第四版），高等教育出版社 本课程是入门性

2、质的技术基础课 电子技术就是研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。一、什么是电子技术1. 信号：是反映信息的物理量 信息需要借助于某些物理量（如声、光、电）的变化来表示和传递。 电信号是指随时间而变化的电压u或电流i ，记作u=f(t) 或i=f(t) 。三、模拟信号与模拟电路 如温度、压力、流量，自然界的声音信号等等，因而信号是信息的表现形式。2. 电信号 由于非电的物理量很容易转换成电信号，而且电信号又容易传送和控制，因此电信号成为应用最为广泛的信号。下页总目录 3. 电子电路中信号的分类 模拟信号 对应任意时间值t 均有确定的函数值u或i，并且u或 i 的幅值是连续取值的，即在时间和

3、数值上均具有连续性。 数字信号 在时间和数值上均具有离散性，u或 i 的变化在时间上不连续，总是发生在离散的瞬间；且它们的数值是一个最小量值的整数倍，当其值小于最小量值时信号将毫无意义。 大多数物理量所转换成的信号均为模拟信号。 下页总目录4. 模拟电路 模拟电路：对模拟量进行处理的电路。 最主要的功能是对信号的放大。 放大：输入为小信号，有源元件控制电源使负载获 得大信号，并保持线性关系。 有源元件：一种工作时其内部有电源存在的电子元件 。5. “模拟电子技术基础” 课程的内容 半导体器件。 处理模拟信号的电子电路及其相关的基本功能：各 种放大电路、运算电路、滤波电路、信号发生电路、 电源电

4、路等等。 模拟电路的分析方法。 不同的电子电路在电子系统中的作用。下页总目录四、“模拟电子技术基础”课程的特点 电路种类多内容比较庞杂技术术语多基本概念多 课程的难点都集中在前几章，初学者都会有 “入门难”的感觉。1、工程性 实际工程需要证明其可行性。 强调定性分析。下页总目录 实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存在一定的误差范围的。 近似分析要“合理”。 抓主要矛盾和矛盾的主要方面。 电子电路归根结底是电路。模拟电路的定量分析归根结底是非线性电路转换成线性电路的问题。电子电路的定量分析称为“估算”。估算不同的参数需采用不同的模型，可用电路的基本理论分析电子电路。下页总目录五、如何学习

5、这门课程1.注重掌握基本概念、基本电路和基本分析方法2.采用工程观点实际工程问题的特点不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。基本概念：概念是不变的，应用是灵活的， “万变不离其宗”。构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。基本分析方法：基本电路：下页总目录b. 元器件的实际参数值与标称值有一定的偏差d. 难以进行精确计算c. 实际参数值受环境温度等因素的影响而偏离设计值a. 电子器件的特性具有分散性3.实际工程问题的算法估算法a. 忽略一些次要的因素。b. 采用简化的工程模型。c. 有些实际问题的简化处理往往是经验，或者由实验证明而得出的结论。下页总目录6.学会辩证

6、、全面地分析电子电路中的问题 根据需求，最适用的电路才是最好的电路。 要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊”。4.工程问题合理估算的依据估算结果所产生的误差应不超过10%5.工程估算的目的a. 不是为了获得精确的结果。b. 而是为了获得清晰的、定性的概念和结论。c. 利用获得概念和结论，进一步指导电路和系统的 设计和实验。下页总目录7重视实验技术a. 实用的电子电路必须经过反复调试才能达到预 期指标b. 实验是训练电子电路的测试方法、故障的判断 和排除方法的必经之路c. 高水平的实验技术是生产高质量电子设备的必 要条件之一下页总目录总评成绩1、平时考评 30%2、期末考试 70%平时分数构成：

7、考勤、课堂表现、作业及测验成绩等。第一节 半导体的特性（8课时）本征半导体杂质半导体下页总目录导体的特性与最外层电子数关系最外层电子数少于(或等于)3个，如碱金属、碱土金属元素，容易失去最外层电子，达到最外层8个电子的稳定结构，使得它有很强金属性与还原性。但是这对副族元素不适用，如金，银最外层都是1个电子，汞最外层则是2个电子，但是都很不活泼 。最外层电子数多于(或等于)5个，如卤族、氧族元素，容易得到电子达到最外层8个电子的稳定结构，使得它有很强非金属性与氧化性。当原子电子层最外层电子为4时，如碳族，既易失去最外层电子，又易得到电子，所以与别的原子以共价键化合。当原子电子层最外层电子为8时，

8、如稀有气体，已经达到稳定结构，所以几乎不与别的元素化合。1. 半导体(semiconductor)共价键Covalent bond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半导体。大多数半导体器件所用主要材料是硅和锗一、本征半导体(intrinsic semiconductors)价电子在硅(或锗)的晶体中,原子在空间排列成规则的晶格。晶体中的价电子与共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+4下页首页上页2. 本征半导体(intrinsic semiconductors)纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体。在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强，在热力学温度零度（

9、即T = 0K，在绝对零度(-273)时） 价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，晶体中不存在能够导电的载流子，半导体不能导电，如同绝缘体一样。下页上页首页+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体中的载流子带负电的自由电子Free electron带正电的空穴hole如果温度升高，少数价电子将挣脱共价键束缚成为自由电子。在原来的共价键位置留下一个空位，称之为空穴。下页上页首页+4+4+4+4+4+4+4+4+4半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。在一定温度下电子 - 空穴对的产生和复合达到动态平衡。在本征半导体中，两种载流子总是成对出现称为 电子 空穴对本征载流子的浓度

10、对温度十分敏感电子-空穴对两种载流子浓度相等下页上页首页半导体中的载流子自由电子和空穴 在绝对零度(-273)时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。当温度升高时，键内电子因热激发而获得能量。其中获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱共价键的束缚离开原子而成为自由电子。与此同时在共价键内留下了与自由电子数目相同的空位， 称为本征激发。 空穴的出现是半导体的特点1. N型（或电子型）半导体 (N-type semiconductor)二、 杂质半导体则原来晶格中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子与周围四个硅原子组成共价键时多余一个电子。这个电子只受自身原子核吸

11、引，在室温下可成为自由电子。在4价的硅或锗中掺入少量的5价杂质元素，下页上页在本征半导体中掺入某种特定的杂质，就成为杂质半导体。+5+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子首页+5+4+4+4+4+4+4+4+4失去自由电子的杂质原子固定在晶格上不能移动，并带有正电荷，称为正离子。在这种杂质半导体中，电子的浓度大大高于空穴的浓度。 因主要依靠电子导电，故称为电子型半导体。多数载流子Majority carrier少数载流子Minority carrier下页上页5价的杂质原子可以提供电子，所以称为施主原子。首页+3+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗晶体中掺入少量的3价杂质元素，空位2.

12、P型半导体(P-type semiconductor) 当它与周围的硅原子组成共价键时，将缺少一个价电子，产生了一个空位。空位为电中性。下页上页首页硅原子外层电子由于热运动填补此空位时，杂质原子成为负离子，硅原子的共价键中产生一个空穴。在这种杂质半导体中，空穴的浓度远高于自由电子的浓度。+3+4+4+4+4+4+4+4+4空穴在室温下仍有电子-空穴对的产生和复合。多数载流子P型半导体主要依靠空穴导电，所以又称为空穴型半导体。下页上页3价的杂质原子产生多余的空穴，起着接受电子的作用，所以称为受主原子。少数载流子首页在杂质半导体中：杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构，多数载流子的浓度主要取决于掺入杂

13、质的浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度。杂质半导体的优点：掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体以不同方式组合，可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。总结上页首页第二节 半导体二极管PN结及其单向导电性二极管的伏安特性二极管的主要参数稳压管总目录下页-+-1. PN结中载流子的运动 -+-空间电荷区内电场Uho又称耗尽层，即PN结。最终扩散(diffusion)运动与漂移(drift)运动达到动态平衡，PN结中总电流为零。内电场又称阻挡层，阻止扩散运动，却有利于漂移运动。硅约为（0.60.8）V锗约为（0.20.3）V一、PN结及其单向导电性扩散漂移下页上页

14、首页正向电流外电场削弱了内电场有利于扩散运动，不利于漂移运动。空间电荷区变窄2. PN结的单向导电性加正向电压+-U-+-RE耗尽层内电场Uho - U外电场I称为正向接法或正向偏置（简称正偏）forward biasPN结处于正向导通(on)状态，正向等效电阻较小。下页上页首页+-U-+-RE称为反向接法或反向偏置（简称反偏）一定温度下， E 超过某一值后 I 饱和，称为反向饱和电流 IS 。结论：PN结具有单向导电性：正向导通，反向截止。 内电场 外电场Uho + U 空间电荷区外电场增强了内电场有利于漂移运动，不利于扩散运动。反向电流非常小，PN结处于截止(cut-off)状态。加反向电

15、压I反向电流IS 对温度十分敏感。下页上页首页动画二、二极管的伏安特性阳极从P区引出，阴极从N区引出。1. 二极管的类型从材料分：硅二极管和锗二极管。从管子的结构分：对应N区对应P区点接触型二极管，工作电流小，可在高频下工作，适用于检波和小功率的整流电路。面接触型二极管，工作电流大，只能在较低频率下工作，可用于整流。开关型二极管，在数字电路中作为开关管。 二极管的符号阳极anode阴极cathode下页上页首页302010I/mAUD/V0.5 1.0 1.5 20 1024-I/O正向特性死区电压IsUBR反向特性+-UDI2. 二极管的伏安特性下页上页首页当正向电压超过死区电压后，二极管导

16、通,电流与电压关系近似指数关系。硅二极管为0.7V左右锗二极管为0.2V左右死区电压正向特性0.5 1.0 1.5102030U/VI/mAO 二极管正向特性曲线硅二极管为0.5V左右锗二极管为0.1V左右死区电压：导通压降： 正向特性下页上页首页反偏时，反向电流值很小，反向电阻很大，反向电压超过UBR则被击穿。IS反向特性UBR结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管方程：反向饱和电流反向击穿电压且-U UT则 I - IS 式中： IS为反向饱和电流 UT 是温度电压当量， 常温下UT近似为26mV。 反向特性24-I/AI/mAU/V20 10O若U UT 则下页上页首页若

17、UUe 有利于多数载流子移动 bc结反偏，UcUb 有利于少数载流子移动IEICIB下页上页首页动画RbRcEBECecb发射极电流二、三极管中载流子的运动和电流分配关系发射区: 由于浓度及偏置的作用，发射区大量电子向基区移动IE（发射）。2. 基区复合和扩散：电子在基区中复合IBN（基区空穴和发射区的电子）扩散IEN（发射区的大量电子）。注意：基电极电流对扩散的控制作用。IEICIBIENIBN集电极电流基极电流下页上页首页动画RbRcEBECecb发射极电流二、三极管中载流子的运动和电流分配关系3. 集电区收集：将扩散过来的电子收集（反偏及集电极正电压的有利于电子移动）到集电极ICN。 同

18、时形成反向饱和 电流（反偏时少数 载流子移动）ICBO 。IEICIBICNIENIBNICBO集电极电流基极电流下页上页首页动画RbRcEBECecbIEICIBICNIENIBNICBOIC = ICN + ICBOIE = ICN + IBNIC =IE + ICBO将 代入IC = ICN + ICBO 得当ICBO IC时，可得ICIEIEN = ICN + IBNIE = IEN IE = IC + IB下页上页ICN=IE通常将定义为共基直流电流放大系数。首页ICIBIE = IC + IBIC =IE + ICBO代入 得IC =1-IB +1-1ICBO=1-令可得IC =I

19、B +（1+ ）ICBO IC =IB + ICEO 当ICEO 1 时的一条输入特性来代表。UBE/ViB/AO 三极管的输入特性下页上页UBEib+-UCE=0VBBRbbec 三极管的输入回路首页2. 输出特性iC/mAOuCE/ViB=806040200IC=f(UCE)IB=常数放大区截止区：IB 0的区域，IC 0 ，发射结和集电结都反偏。截止区下页上页首页动画一般将的区域称为截止区, 在图中为的一条曲线的以下部分。此时也近似为零。由于各极电流都基本上等于零, 因而此时三极管没有放大作用。 其实时, 并不等于零, 而是等于穿透电流ICEO。 一般硅三极管的穿透电流小于A, 在特性曲

20、线上无法表示出来。锗三极管的穿透电流约几十至几百微安。 当发射结反向偏置时, 发射区不再向基区注入电子, 则三极管处于截止状态。所以, 在截止区, 三极管的两个结均处于反向偏置状态。对三极管, , BC。所以三极管截止时，集电极和发射极之间呈高阻态，相当于开关打开，处于开路状态。2. 输出特性iC/mAOuCE/ViB=806040200IC=f(UCE)IB=常数放大区2. 放大区：发射结正偏集电结反偏IC = IB 下页上页首页动画在uCE较小时，集电结电场强度很小，对到达基区的电子吸引力不够，一旦uCE稍有增加，因此iC就跟着增大，iC受uCE影响较明显，曲线很陡；当uCE超过某一数值时

21、，集电结的电场达到了足以将基区中的大部分非平衡少子拽到集电区的强度，所以，即使uCE再增大，也不会有更多的电子被收集过来，集电极电流iC基本恒定，特性曲线变得比较平坦。然而实际上，由于集电结上反向电压的增加，集电结加宽， 相应地使基区宽度减小，这样在基区内载流子的复合减小，导致增大。那么，在IB不变的情况下，iC将随uCE的增大而增大，特性曲线略向上倾斜，这种现象称为基区宽度调制效应。也就是说，放大区曲线实际是倾斜的。2. 输出特性iC/mAOuCE/ViB=806040200IC=f(UCE)IB=常数饱和区放大区3. 饱和区：发射结和集电结都正偏，UCE较小，IC 基本不随IB 而变化。当

22、UCE = UBE 时，为临界饱和；当UCE UBE 时过饱和。下页上页首页动画三极管饱和时的管压降用UCES表示，通常，小功率硅管的饱和管压降UCES约为0.3 V，小功率锗管约为0.1 V，所以三极管饱和时，集电极和发射极之间呈低阻态，相当于开关闭合。发射结反向偏置,集电结反向偏置,三极管工作在截止区,可调换 EB 极性。两PN结均正偏三极管工作在饱和区。例1.3.1 判断图示各电路中三极管的工作状态。0.7VVT0.3V下页上页RbRcECEBVT首页EB = IB Rb + UBEIBICIB = 46.5 A IB = 2.3 mAUCE = EC - IC Rc = 5.4 V发射

23、结正偏集电结反偏，三极管工作在放大区。下页上页RbRCECEBVT2k200k10V10V=50首页四、 三极管的主要参数2. 反向饱和电流 =IC IBICIB 共基直流电流放大系数 =ICIE 共基电流放大系数=ICNIE 共射直流电流放大系数 集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO 集电极和发射极之间的穿透电流 ICEOICEO =（1+ ）ICBO 两者满足1. 电流放大系数 共射电流放大系数下页上页首页3. 极限参数a. 集电极最大允许电流 ICMiC/mAOuCE/V三极管的安全工作区过流区集射反向击穿电压U(BR)CEO集基反向击穿电压U(BR)CBOICUCE=PCM过压区安

24、 全工作区ICM过损耗区U(BR)CEOc. 极间反向击穿电压b. 集电极最大允许耗散功率 PCM下页上页首页第四节 场效应三极管 结型场效应管绝缘栅场效应管场效应管的主要参数下页总目录场效应三极管中参与导电的只有一种极性的载流子（多数载流子），故称为单极型三极管。分类：结型场效应管绝缘栅场效应管增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道N沟道P沟道P沟道下页上页首页一、结型场效应管1. 结构N型沟道耗尽层GDSGDSP+P+N沟道结型场效应管的结构和符号栅极漏极源极下页上页首页2. 工作原理UGS = 0UGS 0UGS = UGS(off) 当UDS = 0 时， UGS 对耗尽层和导电沟道的影响。I

25、D=0ID=0下页上页首页N型沟道GDSP+P+N型沟道GDSP+P+GDSP+P+IS = IDIDISIDISUGS=0，UDG |UGS(off)|UGS 0，UDG | UGS(off)|. 当UDS 0 时， UGS 对耗尽层和 ID 的影响。NP+P+VGGVDDGDSNP+P+VDDGDS沟道较宽，ID 较大。沟道变窄， ID 较小。下页上页首页NP+P+IDISVGGVDDP+P+IDISVGGVDDUGS | UGS(off)| ，ID 0， 导电沟道夹断。ID更小， 导电沟道预夹断。下页上页首页动画3. 特性曲线. 转移特性ID = f（UGS）|UDS=常数GDSmAVV

26、IDVGGVDD场效应管特性曲线测试电路沟道结型场效应管转移特性IDSSU GS(off)饱和漏极电流栅源间加反向电压 UGS 0利用场效应管输入电阻高的优点。UGS/VID/mAO下页上页首页. 输出特性ID=f（UDS）|UGS=常数预夹断轨迹可变电阻区恒流区击穿区|UGS(off)|8VIDSSUGS=0-4-2-6-8ID/mAUDS/VO|UDS-UGS|= |UGS(off)|1、可变电阻区：ID 与UDS 基本上线性关系，但不同的UGS 其斜率不同。N沟道结型场效应管的漏极特性夹断电压下页上页首页当uGS增大时, 沟道变宽, 沟道电阻变小, iD-uDS曲线斜率变陡。 从这个意义

27、上讲, 场效应管像只受栅极电压控制的可变电阻器。可变电阻区的电阻值受uGS控制, 在几十至几M之间。. 输出特性ID=f（UDS）|UGS=常数预夹断轨迹可变电阻区恒流区击穿区|UGS(off)|8VIDSSUGS=0-4-2-6-8ID/mAUDS/VO|UDS-UGS|= |UGS(off)|2、恒流区：又称饱和区，ID 几乎与UDS 无关，ID 的值受UGS 控制。N沟道结型场效应管的漏极特性夹断电压下页上页首页线性放大区: 当uGS一定, uDS增大到uDS =uGS-UGS(OFF)时, 场效应管出现预夹断, 如图所示。uDS继续增大, iD则基本保持不变, 曲线由上升部分转变为水平

28、部分, 即iD趋于饱和, 不再随uDS变化, 特性曲线出现恒流特性,这是因为当场效应管出现预夹断后, uDS的增加使耗尽层向源极端扩展。由于耗尽区的电阻率远大于N沟道的电阻率, 所以uDS的增加数值几乎都降在耗尽区上, N沟道上电压增加很少, 沟道的形状也基本保持不变, 所以当uDS增大时, iD增加极少, 趋于饱和, 呈现恒流特性, 故称为饱和区或恒流区。在恒流区内, 电流iD只受uGS控制, uGS越大, 饱和电流越大, 输出特性为一组受uGS控制的近似平行线。. 输出特性ID=f（UDS）|UGS=常数预夹断轨迹可变电阻区恒流区击穿区|UGS(off)|8VIDSSUGS=0-4-2-6-8ID/mAUDS/VO|UDS-UGS|= |UGS(off)|N沟道结型场效应管的漏极特性3、击穿区：