电子应用技术pp 第一章常用半导体器件

第一章常用半导体器件模拟电子技术基础1第一章常用半导体器件§1.1

半导体的基础知识§1.2

半导体二极管§1.3双极型晶体管§1.4场效应管2§1.1半导体的基础知识导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体（电阻率10-6～10-3㎝）。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英（电阻率109～1020㎝）。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等（电阻率10-3～109㎝）。3半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化－－热敏性或光敏性。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变－－掺杂性。41.1.1

本征半导体一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。5本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：6硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子7共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+48二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴9+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子102.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。动画演示11温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电子电流。

2.空穴移动产生的空穴电流。121.1.2

杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质（元素），就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。13一、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。14+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。15二、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。16三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。171.1.3PN结一、PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。动画演示18P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。19漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。20－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0211、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区

中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P

区中的电子和N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:22二、PN结的单向导电性

PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。

PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：

P区加负、N区加正电压。23－－－－++++RE1、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。动画演示242、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE动画演示25三、PN结的电流方程其中：称为温度电压当量。理论分析表明：称为反向饱和电流。称为正向特性。称为反向特性。26

四、伏安特性动画演示图1.1.10PN结的伏安特性27五、二极管的极间电容PN结存在有电容，此电容由两部分组成：势垒电容Cb和扩散电容Cd。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P

区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。P+-N28CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd291.2

半导体二极管1.2.1半导体二极管的几种常见结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。图1.2.1二极管的几种外形30图1.2.2二极管的几种常见结构311.2.2二极管的伏安特性一、二极管和PN结伏安特性的区别图1.2.3二极管的伏安特性开启电压32二、温度对二极管伏安特性的影响1.温度每升高1℃，正向压降减小2～2.5mV；2.温度每升高10℃，反向电流约增大一倍；331.2.3二极管的主要参数1.最大整流电流

IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压U(BR)二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UR一般是U(BR)的一半。343.反向电流

IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。4.最高工作频率fM二极管的上限频率351.2.4二极管的等效电路在一定的条件下，用线性元件所构成的电路来近似模拟二极管的特性，并用之取代电路中的二极管。能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路，也称为二极管的等效模型。一、由伏安特性折线化得到的等效电路1.理想二极管等效电路2.理想二极管与恒压源串联的等效电路3.折线等效电路36图1.2.4由伏安特性折线化得到的等效电路二极管：死区电压=0.5V；正向压降0.1～0.3V(锗二极管)；正向压降0.6～0.8V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=037iDuDIDUDQiDuDrd是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rd是对Q附近的微小变化区域内的电阻。二、二极管的微变等效电路－－动态电阻38由PN结方程得则微变等效电阻为39RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流40二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo41一、稳压二极管的伏安特性UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。1.2.5稳压二极管42（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗（1）稳定电压

UZ（2）电压温度系数U（%/℃）表示温度每变化1℃稳压值的变化量。（3）动态电阻二、稳压管的主要参数43稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:负载电阻。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax

。求：电阻R和输入电压ui

的正常值。——方程144令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin

。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：45一、发光二极管有正向电流流过时，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。1.2.6其它类型二极管46图1.2.12发光二极管47反向电流随光照强度的增加而上升。二、光电二极管图1.2.13光电二极管的外形和符号48图1.2.14光电二极管的伏安特性49§1.3双极型晶体管图1.3.1晶体管的几种常见外形501.3.1

晶体管的结构及类型BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型51BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高内部条件52BECNNP基极发射极集电极发射结集电结53BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管541.3.2晶体管的电流放大作用BECNNPVBBRBVCCIEIBE发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。一、晶体管内部载流子的运动进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE

，多数扩散到集电结。外部条件基区空穴向发射区的扩散可忽略。55BECNNPVBBRBVCCIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。56IB=IBN+IEP-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICNIC=ICN+ICBO

ICNIEP动画演示二、晶体管的电流分配关系IE=IEN+IEP=

ICN+

IBN+IEP

IE=IB+IC57ICN与IB′之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。三、晶体管的共射电流放大系数58晶体管的共基电流放大系数591.3.3

晶体管的共射特性曲线ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

实验线路60一、输入特性曲线UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.8V,锗管UBE0.1~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V

死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。61二、输出特性曲线IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。62IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE<0.5V称为饱和区。63IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。64输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且

IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：发射结反偏，集电结反偏。

即：UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

65例：

=50，U

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？当USB

=-2V时：ICUCEIBURBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大饱和电流：Q位于截止区

66例：

=50，U=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？IC<

ICmax

(=2mA)

，

Q位于放大区。ICUCEIBURBUSBCBERCUBEUSB

=2V时：67USB

=5V时:例：

=50，U=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？ICUCEIBURBUSBCBERCUBEIC>

Icmax(=2mA)，Q位于饱和区。(实际上，此时IC和IB

已不是的关系）68前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：1.电流放大倍数和

1.3.4

晶体管的主要参数69例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：=702.集-基极反向截止电流ICBOAICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。71BECNNPICBOICEO=

(1+)

ICBO

IEPICBOICBO进入N区，形成IEP根据放大关系，由于ICBO的存在，必有电流ICBO

。集电结反偏有ICBO3.集-射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。724.集电极最大电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。5.集-射极反向击穿电压当集---射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。736.集电极最大允许功耗PCM集电极电流IC

流过三极管，所发出的焦耳热为：PC=ICUCE必定导致结温上升，所以PC

有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区747.特征频率fT

电流放大系数下降到1时的信号频率称为特征频率。751.3.5

温度对晶体管特性及参数的影响

一、温度对ICBO的影响实验证明，温度每升高10℃，ICBO增加约一倍；反之，当温度降低时ICBO减小。另外，硅管比锗管受温度的影响要小得多。

二、温度对输入特性的影响实验证明，温度每升高1℃，uBE大约下降2～2.5mV。对特性曲线的影响如图1.3.8所示。76图1.3.8温度对晶体管输入特性的影响77三、温度对输出特性的影响图1.3.9温度对晶体管输出特性的影响温度升高1℃，β增加0.5～1％。781.3.6

光电三极管图1.3.10光电三极管的等效电路、符号和外形79图1.3.11光电三极管的输出特性曲线80§1.4场效应管场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种:耗尽型场效应管和增强型场效应管81N基底：N型半导体PP两边是P区G(栅极)S源极D漏极一、结型场效应管的工作原理1.4.1结型场效应管导电沟道82实际结构83NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管DGSDGS84PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管DGSDGS85UDS=0V时PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。以P沟道为例分析86PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V时NNUGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。但当UGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。87PGSDUDSUGSNNUDS=0时UGS达到一定值时（夹断电压UGS（off）

）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS0V，漏极电流ID=0A。ID88PGSDUDSUGSUGS<UGS（off）且UDS>0、UGD<UGS（off）时耗尽区的形状NN越靠近漏端，PN结反压越大ID89PGSDUDSUGSUGS<UGS（off）且UDS较大时UGD<UGS（off）时耗尽区的形状NN沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。ID90GSDUDSUGSUGS<UGS（off）

UGD=UGS（off）时NN漏极的沟道被夹断，称为予夹断。UDS增大则被夹断区向下延伸。ID91GSDUDSUGSUGS<UGS（off）

UGD=UGS（off）时NN此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。ID92予夹断曲线IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流区0二、结型场效应管的特性曲线1.输出特性曲线一定UGS下的ID-UDS曲线93UGS0IDIDSSUGS（off）饱和漏极电流夹断电压2.转移特性曲线一定UDS下的ID-UGS曲线94N沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线UG