《模拟电子技术》ch1常用半导体器件

常用半导体器件模块11.1半导体的基本知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4场效应管1.5晶闸管及应用

1.1.1本征半导体半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体

—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子—自由运动的带电粒子。共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。+4+4+4+4硅(锗)的原子结构Si284Ge28184简化模型+4惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动1.1半导体的基础知识本征激发：复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动

结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；

2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；

3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。1.1.2杂质半导体一、N型半导体和P型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数

电子数P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子电子—少子载流子数

空穴数施主离子施主原子受主离子受主原子二、杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN型半导体I

INP型半导体

I

IP三、P型、N型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数载流子+–1.1.3

PN结一、PN结(PNJunction)的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散2.复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层)空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。3.扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。内建电场二、PN结的单向导电性1.外加正向电压(正向偏置)—forwardbiasP区N区内电场+

UR外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子I少子

I多子2.外加反向电压(反向偏置)

—reversebias

P

区N

区

+UR内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;

反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子

01.2.1半导体二极管的结构和分类构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金平面型正极

引线负极

引线集成电路中平面型PNP型支持底衬1.2半导体二极管1.2.2二极管的伏安特性一、PN结的伏安方程反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT

=26mV二、二极管的伏安特性OuD

/ViD

/mA正向特性Uth死区电压iD

=0Uth

=

0.5V

0.1V(硅管)(锗管)UUthiD

急剧上升0U

Uth

UD(on)

=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V锗管0.2V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)

U0iD=IS<0.1A(硅)

几十A

(锗)U<

U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。

(击穿电压<6V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(击穿电压>6V，正温度系数)击穿电压在6V

左右时，温度系数趋近零。硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90CT

升高时，UD(on)以(22.5)mV/C下降1.2.3二极管的主要参数1.

IF—

最大整流电流(最大正向平均电流)2.

URM—

最高反向工作电压，为U(BR)/23.

IR

—

反向电流(越小单向导电性越好)4.

fM

—

最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO影响工作频率的原因—PN结的电容效应

结论：1.低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。1.2.4二极管等效电路一、理想二极管特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=二、二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)UD(on)三、二极管的折线近似模型uDiDUD(on)UI斜率1/rDrDUD(on)UD(on)例[1.1]

硅二极管，R=2k，分别用二极管理想模型和恒压降模型求出VDD=2V和VDD=10V时IO和UO的值。UOVDDIORUOVDDIOR[解]VDD=2V

理想IO=VDD/R=2/2

=1(mA)UO=VDD=2V恒压降UO=VDD–UD(on)=20.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2

=0.65(mA)VDD=10V

理想IO=VDD/R=10/2

=5(mA)恒压降UO=100.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)UOVDDIORVDD大，

采用理想模型VDD小，

采用恒压降模型例[1.2]

试求电路中电流I1、I2、IO和输出电压UO的值。解：假设二极管断开UP=15VUP>UN二极管导通等效为0.7V的恒压源UO=VDD1

UD(on)=150.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UOVDD2)/R=(14.312)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)VDD1VDD2UORLR1kW3kWIOI1I215V12VPN例1.3二极管构成“门”电路，设V1、V2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时，求输出电压UO的值。UAUBUOR3kW12VVDDV1V2BAY输入电压理想二极管输出电压UAUBV1V20V0V正偏导通正偏导通0V0V5V正偏导通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏导通0V5V5V正偏导通正偏导通5V例1.4

画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui

=15sint(V)作用下输出uO

的波形。(按理想模型)RLV1V2V3V4uiBAuOOtuO/V15Otui

/V15uiBAuOS1S2S3S4uiBAuOS1S2S3S4若有条件，可切换到EWB环境观察桥式整流波形。例1.5

ui=2sin

t(V)，分析二极管的限幅作用。ui较小，宜采用恒压降模型V1V2uiuORui<0.7VV1、V2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7VV2导通V１截止ui<

0.7VV1导通V2截止uO=0.7V思考题:

V1、V2支路各串联恒压源，输出波形如何？(可切至EWB)OtuO/V0.7Otui

/V20.7小结理想二极管：正偏导通，电压降为零，相当于开关合上；反偏截止，电流为零，相当于开关断开。恒压降模型：正偏电压UD(on)时导通，等效为恒压源UD(on)；否则截止，相当于二极管支路断开。iD

/mAuD/VO四、指数模型电路中含直流和小信号交流电源时,二极管中含交、直流成分VDDuiuDRCiDC隔直流

通交流当ui

=0时iD

=IQUQ=0.7V(硅)，0.2V(锗)设ui

=sin

wtVDDVDD/RQIQwtOuiUQiD

/mAwtOid斜率1/rdrd=UT/IQ=26mV/IQ当ui

幅度较小时，二极管伏安特性在Q点附近近似为直线五、微变等效电路对于交流信号电路可等效为例[1.6]

ui

=5sint(mV)，VDD=4V，R=1k，求iD

和uD。[解]

1.静态分析令ui

=0，取UQ0.7VIQ=(VDDUQ)/R=3.3mA2.动态分析rd=26/IQ=26/3.38()Idm=Udm/rd=5/80.625(mA)，id

=0.625sint3.总电压、电流=(0.7+0.005sint)V=(3.3+0.625sint)mAVDDuiuDRCiDuiudRidrd1.2.5特殊二极管一、稳压二极管1.伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ

/mAuZ/VOUZ

IZmin

IZmaxUZIZIZ特性2.主要参数1.

稳定电压UZ

流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流IZ

越大稳压效果越好，小于Imin

时不稳压。3.

最大工作电流IZM

最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4.动态电阻rZrZ

=UZ/IZ

越小稳压效果越好。几几十二、发光二极管LED(LightEmittingDiode)1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(12)V2.主要参数电学参数：IFM

，U(BR)

，IR光学参数：峰值波长P，亮度L，光通量发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光，点阵LED符号u/Vi

/mAO2特性七段LED三、光敏二极管1．符号和特性符号特性uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：反向偏置2.主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长1.3.1三极管结构与工作原理一、结构、符号和分类NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区—集电区emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型分类：按材料分：硅管、锗管按结构分：

NPN、PNP按使用频率分：

低频管、高频管按功率分：小功率管<500mW中功率管0.51W大功率管>1WECBECB1.3半导体三极管二、电流放大原理1.三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏2.满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极实现电路uiuoRBRCuouiRCRE3.三极管内部载流子的传输过程1)

发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流

IE。ICN多数向BC结方向扩散形成ICN。IE少数与空穴复合，形成IBN。IBN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO

3)

集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流ICICIC=ICN+ICBO2)电子到达基区后(基区空穴运动因浓度低而忽略)4.三极管的电流分配关系当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB=I

BN

ICBOIC=ICN+ICBOIE=IC+IB穿透电流1.3.2三极管的伏安特性一、输入特性输入回路输出回路与二极管特性相似RCVCCiBIERB+uBE+uCEVBBCEBiC+++iBRB+uBEVBB+O特性基本重合(电流分配关系确定)特性右移(因集电结开始吸引电子)导通电压UBE(on)硅管：(0.60.8)V锗管：

(0.20.3)V取0.7V取0.2VVBB+RB二、输出特性iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321截止区：

IB0

IC=ICEO0条件：两个结反偏2.放大区：3.饱和区：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0条件：两个结正偏特点：IC

IB临界饱和时：uCE

=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(锗管)放大区截止区饱和区条件：发射结正偏集电结反偏特点：水平、等间隔ICEO温度对特性曲线的影响1.温度升高，输入特性曲线向左移。温度每升高1C，UBE

(22.5)mV。温度每升高10C，ICBO

约增大1倍。2.温度升高，输出特性曲线向上移。OT1T2>iCuCET1iB

=0T2>iB

=0iB

=0温度每升高1C，

(0.51)%。输出特性曲线间距增大。O三、晶体三极管的主要参数(一)电流放大系数1.共发射极电流放大系数iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321—直流电流放大系数

—交流电流放大系数一般为几十

几百2.共基极电流放大系数

1一般在0.98以上。

Q(二)极间反向饱和电流CB极间反向饱和电流

ICBO，CE极间反向饱和电流ICEO。(三)极限参数1.ICM

—集电极最大允许电流，超过时

值明显降低。U(BR)CBO

—发射极开路时C、B极间反向击穿电压。2.PCM—集电极最大允许功率损耗PC=iC

uCE。3.U(BR)CEO

—基极开路时C、E极间反向击穿电压。U(BR)EBO

—集电极极开路时E、B极间反向击穿电压。U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO

(P34

2.1.7)已知:ICM=20mA,PCM

=100mW，U(BR)CEO=20V，当UCE

=

10V时，IC<

mA当UCE

=

1V，则IC<

mA当IC

=

2mA，则UCE<

V

102020iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区四、三极管的等效电路BCEBCEBCE图1-30三极管的等效电路模型(a)二极管模型(b)直流模型(c)交流小信号模型(d)开关模型(a)(b)(c)(d)UBEIBIBBCErbeibib1.3.3常用三极管+VccRbRcK+VccVDRb图1-31三极管开关(a)LED显示驱动电路(b)继电器驱动电路(a)(b)图1-32光敏三极管(a)等效电路(b)电路符号(a)(b)图1-33光敏耦合器引言场效应管FET

(FieldEffectTransistor)类型：结型JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)绝缘栅型IGFET(InsulatedGateFET)特点：1.单极性器件(一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低2.输入电阻高(1071015，IGFET可高达1015)1.4场效应管1.4.1结型场效应管1.结构与符号N沟道JFETP沟道JFET2.工作原理uGS

0，uDS

>0

此时

uGD

=UGS(off)；

沟道楔型耗尽层刚相碰时称预夹断。预夹断当uDS

，预夹断点下移。3.转移特性和输出特性UGS(off)当UGS(off)

uGS

0时,uGSiDIDSSuDSiDuGS

=–3V–2V–1V0V–3VOO一、增强型N沟道MOSFET

(MentalOxideSemi—FET)1.4.2绝缘栅场效应管1.结构与符号P型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个N区在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层SD用金属铝引出源极S和漏极DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极GB耗尽层S—源极SourceG—栅极Gate

D—漏极DrainSGDB2.工作原理1)uGS

对导电沟道的影响

(uDS

=0)a.

当UGS=0

，DS间为两个背对背的PN结；b.

当0<UGS<UGS(th)(开启电压)时，GB间的垂直电场吸引

P区中电子形成离子区(耗尽层)；c.

当uGS

UGS(th)

时，衬底中电子被吸引到表面，形成导电沟道。uGS

越大沟道越厚。反型层(沟道)2)

uDS

对

iD的影响(uGS

>UGS(th))

DS间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。预夹断(UGD=

UGS(th))：漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：uDSiD。预夹断发生之后：uDSiD

不变。3.转移特性曲线2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)当uGS

>UGS(th)

时：uGS

=2UGS(th)

时的

iD

值4.输出特性曲线可变电阻区uDS

<uGS

UGS(th)uDSiD

，直到预夹断饱和(放大区)uDS，iD

不变uDS

加在耗尽层上，沟道电阻不变截止区uGS

UGS(th)

全夹断iD

=0

开启电压iD/mAuDS/VuGS

=2V4V6V8V截止区饱和区可变电阻区放大区恒流区OO二、耗尽型N沟道MOSFETSGDB

Sio2

绝缘层中掺入正离子在uGS

=0时已形成沟道；在DS间加正电压时形成iD，uGS

UGS(off)

时，全夹断。输出特性uGS/ViD/mA转移特性IDSSUGS(off)夹断电压饱和漏极电流当uGS

UGS(off)

时，uDS/ViD/mAuGS

=4V2V0V2VOO三、P沟道MOSFET增强型耗尽型SGDBSGDBN沟道增强型SGDBiDP沟道增强型SGDBiD2–2OuGS/ViD/mAUGS(th)OuDS/ViD/mA–2V–4V–6V–8VuGS

=8V6V4V2VSGDBiDN沟道耗尽型iDSGDBP沟道耗尽型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–5O5OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS

=2V0V–2V–5VN沟道结型SGDiDSGDiDP沟道结型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS

=0V–2V–5VFET符号、特性的比较1.4.3场效应管的主要参数开启电压UGS(th)(增强型)

夹断电压

UGS(off)(耗尽型)指uDS

=某值，使漏极电流iD

为某一小电流时的uGS

值。UGS(th)UGS(off)2.饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应管，当uGS

=0时所对应的漏极电流。3.直流输入电阻RGS指漏源间短路时，栅、源间加反向电压呈现的直流电阻。JFET：RGS>107

MOSFET：RGS=109

1015IDSSuGS/ViD/mAO4.低频跨导gm

反映了uGS

对iD

的控制能力，单位S(西门子)。一般为几毫西

(mS)uGS/ViD/mAQPDM=

uDS

iD，受温度限制。5.漏源动态电阻rds6.最大漏极功耗PDMO概述晶闸管(Thyristor)—可控硅，是一种受控硅二极管。优点：体积小、重量轻、耐压高、容量大、响应速度快、控制灵活、寿命长、使用维护方便。缺点：大多工作与断续的非线性周期工作状态，产生大量谐波干扰电网；过载能力和抗扰能力较差、控制电路复杂。（由于技术进步，近年有改善）1.5晶闸流管及应用1.5.1晶闸管的结构和工作原理1.晶闸管的符号和外型符号阳极

ak阴极

g控制极螺栓式平板式塑封式2.晶闸管的工作原理等效结构等效工作电路符号电路1.触发导通：S闭合，触发信号UGKIB2

(IG)

IC2

(2IB2)

IC1

(12IB2)形成正反馈，晶闸管触发导通UGK=0.6~1.2V2.关断方法：降低正向电压，使阳极电流小于维持电流IH则截止。使UGK0则截止。3.晶闸管的主要参数及型号一、电压额定值1.额定电压(耐压)UD：指加在管子上的最大允许电压。为保证安全，选型要求UD大于实际工作峰值电压2~3倍。2.通态平均电压UF：指通过正向正弦半波额定电流时，在导通一个周期内管子两端的平均电压。为0.6

~

1.2V。3.反向击穿电压UBR：指达到反向击穿时所加反向电压。4.反向重复峰值电压URRM：当控制极开路，允许重复加在管子上的反向峰值电压。URRM=UBR

–

100

V。二、电流额定值1.额定正向平均电流IF

：指允许通过工频正弦半波电流平均值。一般取IF为正常平均电流的1.5~2倍。2.维持电流

IH：指由通态到断态的最小阳极电流。3.浪涌电流IFSM：指晶闸管能承受的最大过载电流的峰值。三、控制极额定参数1.控制极触发电压UG、触发电流IG

：指管子触发导通所需的最小控制极直流电压、电流。通常UG为1~5V，IG为几十至几百毫安。2.控制极正向、反向最大电压、最大电流和平均功率及瞬时最大功率。四、其它定额通态电流上升率dia/dt、断态电压临界上升率duak/dt

、开通时间ton、关断时间toff。五、晶闸管型号据JB1144—75规定，KP型普通晶闸管的型号和含义为：KP-晶闸管普通型晶闸管（另有K-快速型，S—双向型）额定通态平均电流

IF系列从1~1000A内分14个规格。额定电压UD等级，1000V级差为100V；1000~3000V级差为200V，单位为100V。通态平均电压UF组别（小于100A不标）分9级，用A~I表示0.4~1.2V，级差0.1V例如KP100－12G表示IF=

100

A，UD=

1200

V，UF=

1

V的普通型晶闸管。1.电阻性负载的单相半控桥式整流电路一、工作原理两只