第1章半导体器件...ppt

1、模拟电子技术,选用教材：模拟电子技术基础（第四版）作者：华成英童诗白高等教育出版社主讲人：汪瑾（电子与信息工程学院）,典型习题,一、已知各极电位，判定工作状态,第一章常用半导体器件,主要内容：1.半导体的基本知识2.常用半导体器件（1）二极管（2）三极管（3）场效应管,1.1半导体的基本知识,1.1.1本征半导体,一、半导体,A光敏和热敏特性B掺杂特性,二、本征半导体,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,纯净的具有晶体结构的半导体。,性质：,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。,1、本征半导体的共价键结构,共价键共用电子对,除去价电子后的正离子,完全纯

2、净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。本征半导体的导电能力很弱。,2、本征半导体的导电机理,(1)载流子,载流子：可以运动的带电粒子。,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，本征半导体中没有载流子，它的导电能力为0，相当于绝缘体。,本征激发：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。这种现象称为本征激发。,空穴失去带负电的电子，相当于带等量的正电荷；空穴吸引附近的束缚电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移。因此空穴相当于可以运动的正电荷，故可视为载流子。,自由电子,空穴,束缚电子,本征

3、半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴，故称电子空穴对。,1.1.2杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,按照掺入的杂元素不同，杂质半导体可分为：,N型半导体,P型半导体,N型半导体,多余电子,硅或锗+少量磷N型半导体,空穴,P型半导体,符号,硅或锗+少量硼P型半导体,杂质半导体的示意表示法,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。,1.1.3PN结,载流子的两种运动方式：漂移：载流子在电场内所做的定向运动。扩散：载流子由高浓度区向低浓度区的运动。,P型半

4、导体,N型半导体,空间电荷区,PN结处载流子的运动,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。,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。,二、PN结的单向导电性,PN结加正向电压（正向偏置）：P区加正、N区加负电压（P区电位高于N区电位）。,PN结加反向电压（反向偏置）：P区加负、N区加正电压（P区电位低于N区电位）。,PN结正向偏置,内电场减弱，使扩散加强，扩散飘移，正向电流大,P,N,+,_,PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流

5、很小,反向饱和电流很小，A级,三、PN结的伏安特性,PN结的电流方程,其中：,当外加正向电压，uDUT时，PN结为正向导通状态。,PN结的反向击穿,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,热击穿不可逆,雪崩击穿在材料掺杂浓度较低的PN结中，当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增强。这样，通过空间电荷区的电子和空穴，就会在电场作用下获得的能量增大，在晶体中运动的电子和空六将不断地与晶体原子又发生碰撞，当电子和空穴的能量足够大时，通过这样的碰撞的可使共价键中的电子激发形成自由电子空穴对。新产生的电子和空穴也向相反的方向运动，重新获得能量，又

6、可通过碰撞，再产生电子空穴对，这就是载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多而快，这样，反向电流剧增，PN结就发生雪崩击穿。利用该特点可制作高反压二极管。,PN结的雪崩击穿示意图,齐纳击穿在材料掺杂浓度较高的PN结中，在加有一定的反向电压下，PN结空间电荷区中存一个强电场，它能够破坏共价键，将束缚电子分离出来造成电子空穴对，形成较大的反向电流，发生齐纳击穿。利用该特点可制作稳压二极管。,四、PN结的电容效应,势垒电容：耗尽层是积累空间电荷的区域，当外加反向电压时，就会引起耗尽层的空间电荷的变化，相当于电容的充放电，称为势垒

7、电容,扩散电容：当外加正向电压时，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。正向电流越大，积累的电荷就越多。这样所产生的电容效应称扩散电容,电容效应会影响PN结的单向导电性,1.2.1结构与符号,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,1.2半导体二极管,1.2.2伏安特性,导通压降UD:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),（3）静态电阻Rd，动态电阻rD,静态工作点Q（UQ，IQ）,（3）静态电阻Rd，动态电阻rD,静态电阻：Rd=UQ/IQ（非线性）,动态电阻：rD=UQ/IQ,在工作点Q附

8、近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为微变等效电阻,1.2.3主要参数,1.最大整流电流IF：,2.反向击穿电压URJ：,3.反向电流IR：,二极管长期运行时允许流过的最大电流。,4.最高工作频率fM：,不影响单向导电性的上限截止频率。,例1：二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0,二极管半波整流,例2：二极管的应用(设RC时间常数很小）,uo,ui,C,uR,uo,1.2.4稳压二极管,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流IZ在Izmax和Izmin之间时,其两端电压近似为常数,正向同二极管,稳定电流,稳定电压,例：稳压二极管的应

9、用,稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200。若负载电阻变化范围为1.5k4k，是否还能稳压？,UZW=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k4k),iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=

10、7.5（mA）,1.3半导体三极管,1.3.1基本结构,NPN型,PNP型,符号：,基区：很薄，掺杂浓度最低,集电区：面积最大，掺杂浓度低于发射区,发射区：掺杂浓度最高,发射结,集电结,1.3.2电流放大原理,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。,1,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB，多数扩散到集电结。,EB,RB,Ec,从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。,2,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,共射直流电流放大倍数（静态）,电流放大倍数,共射交流电流放大倍数（动态）,IB：IB+IB,1.3.3特性曲线,IB与UBE

11、的关系曲线（同二极管）,（1）输入特性:,工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.4V。,死区电压硅管0.5V，锗管0.2V。,（2）输出特性（IC与UCE的关系曲线）,IC(mA),Q,Q,输出特性,IC(mA),放大区当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB,且IC=IB,饱和区UCEUBE，集电结正偏IBICUCE0.3V,截止区IB=0,IC=ICEO,UBEIC。BE结正偏，BC结正偏，即UCEUBE（UCE0.3V，UBE0.7V）,(3)截止区UBE死区电压，IB=0，IC=ICEO0（ICEO穿透电流，很小，A级）,1.3.3主要参数,1.电流放大

12、系数,2.极间反向电流,1）C-B极反向饱和电流ICBOE极开路，C、B极间的反向饱和电流硅管小于锗管，而且受温度影响较大。应用时选用ICBO较小的BJT。,2）C-E极反向饱和电流ICEOB极开路时，C-E极间的穿透电流有ICEO=(1+)ICBO,3.特征频率fT,由于结电容的作用，信号频率增大会使下降并产生相移。使下降为1时的信号频率称为特征频率fT。应尽量选用fT较高的BJT。,4.极限参数：a)集电极最大允许电流ICMb)集电极最大允许功耗PCMc)极间反向击穿电压UCBO:大小可从几十至上千伏。UCEO:与ICEO相关，UCEOUCBO。UEBO:大小从1/1010V,安全工作区,ICUCE=PCM,1.2.4.温度对特性的影响,1.温度对ICBO的影响温度每升高10时,ICBO约增加一倍。2.温度对输入特性的影响温度升高，输入特性曲线将左移。2.温度对输出特性的影响温度升高将导致IC增大。,例1：=50，USC=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？