电子科大模电-第1章-半导体基础知识

1、第一章 常用半导体器件,第一章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 晶体三极管,1.4 场效应管,1 半导体基础知识,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、PN结的形成及其单向导电性,四、PN结的电容效应,一、本征半导体,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,1、什么是半导体？什么是本征半导体？,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到相当程度时才可能导电。,导 体： 电阻率 109 cm半导体：电阻率介于前两者之间。,本

2、征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,砷化镓(GaAs) 属于半导体化合物。,半导体在物理结构上有多晶体和单晶体两种形态，制造半导体器件必须使用单晶体，即整个一块半导体材料是由一个晶体组成的。制造半导体器件的半导体材料纯度要求很高，要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,硅单晶材料,硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。根据化学的知识可以知道，最外层的价电子受原子核的束缚力最小，容易脱离原子核的束缚而成为自由电子。在半导体晶体中，一个原子最外层的价电子分别与周围的

3、四个原子的价电子形成共价键。,2、本征半导体的结构,半导体的原子结构为金刚石结构：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。,2、本征半导体的结构,由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子(本征激发,热激发）,自由电子的游离使共价键中留有一个空位置，称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。,共价键,一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故本征半导体导电性很差。,为什么要将半导体变成

4、导电性很差的本征半导体？,3、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。,本征浓度,载流子复合：自由电子与空穴在热运动中相遇，使自由电子空穴对消失的现象。 载流子的动态平衡：在一定温度下，单位时间内本征激发所产生地自由电子空穴对的数目与复合而消失的自由电子空穴对的数目相等，就达到了载流子的动态平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。,本征载流子的浓度,（1.1）,式中ni、pi分别表示电子和空穴的浓度(cm-3),T为热力学温度(K),k为波尔兹曼常数(8.6310-5eV/K),Eg为T=0K时破坏共价

5、键所需的能量，又称禁带宽度(eV),B是与半导体材料有关的常数(cm-3K-3/2)。,二 杂质半导体,杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素，掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。要注意，这里的杂质半导体是在提纯的本征半导体中掺入一定浓度的三价或五价元素而得到的，不是普通意义上的含有多种任意杂质的半导体。 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体，也称电子型半导体。 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。,N型半导体,在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由

6、杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因失去了这个价电子而带正电荷，成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,多余电子,施主杂质,本征硅或锗 + 少量磷 N型半导体,P型半导体,P型半导体中空穴是多数载流子，其数量主要由掺杂的浓度确定；电子是少数载流子，由热激发形成。三价杂质也称为受主杂质。,空穴,受主杂质,本征硅或锗 +少量硼 P型半导体,判断下面是属于何种半导体？,载流子的浓度问题,对于本征半导体，由于存在本征激发（热激发）和复合，在动态平衡下载流子的浓度趋于稳定值n=p=ni，也称为本征载流子浓度。 想一想，ni 是如何计算的？,杂质半导体载流子浓度

7、,有杂质电离和本征激发两个产生载流子的过程。 根据半导体物理理论，少量掺杂时，在产生载流子与载流子复合达到动态平衡条件下，多数载流子与少子浓度的乘积等于同一温度时的本征载流子浓度的平方。,杂质半导体的载流子浓度,思考？,本征半导体的热激发效率是很低的，所以本征载流子浓度远远小于本征半导体的原子浓度。 若掺入很小比例的施主杂质，在室温下，可认为每个施主原子在半导体中产生一个多数载流子，这样，即使施主原子的浓度远小于本征半导体的原子浓度，但仍然远大于本征载流子的浓度。 这时，本征激发产生的多数载流子虽然有，但数量很有限。,杂质半导体的示意表示法,P 型半导体,N型半导体,多数载流子浓度=杂质浓度+

8、热激发少子浓度,估算,在室温下，Si的本征浓度ni= 1.481010/cm3 Si的原子密度NSi = 51022/cm3,若掺入百万分之一浓度的P原子形成N型半导体，估算一下杂质半导体中的多子和少子的浓度是多少？,杂质半导体载流子浓度,掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，因为多数载流子是由掺入的杂质的浓度决定的。典型的数据如下： T = 300K 室温下,本征硅的原子浓度：4.961022 /cm3 本征硅的电子和空穴浓度为: n = p =1.481010/cm3 掺杂后，N 型半导体中的自由电子浓度为 ：n=51016 /cm3 由这些数据可以看出，掺杂对半导体的导电性影响是多么

9、大。,1.1.3 半导体中的电流,载流子运动产生电流，存在两种运动方式：,(1)漂移运动-载流子在外加电场作用下的定向移动。,(2)扩散运动-因浓度梯度引起载流子的定向运动。,运动速度,m - 迁移率,关键词：漂移电流与扩散电流,1.漂移电流,在电场作用下，半导体中的载流子受电场力作宏观定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体内的传导电流。,电子的漂移电流密度为,-电子的迁移率,常数，表征电子在半导体中运动容易度的参数,E是电场强度,e-电子的电量,n-电子的浓度,（1.7）,而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流，空穴的漂移电流密度为,p-空穴的浓度,是空穴的迁移率。,和,的

10、方向是一致的，均为空穴流动的方向。,所以,（1.8）,因此，半导体中的总的漂移电流为两者之和，即,总的漂移电流密度,其中,式中,是半导体的电导率，与载流子浓度迁移率有关。,（1.9）,（1.10）,（1.11）,半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差（即浓度梯度），而与该处的浓度值无关。即扩散电流与载流子在扩散方向上的浓度梯度成正比，浓度差越大，扩散电流也越大。,图1.6 半导体中载流子的浓度分布,扩散电流,三、PN结的形成及其单向导电性,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区

11、的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。,PN 结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止(不导通)。,PN 结的单向导电性,必要吗？,清华大学

12、 华成英 ,四、PN 结的电容效应,1. 势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。,结电容：,结电容不是常量！（why?),由于Cj的存在，若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,问题,为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？ 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主

13、要因素？ 为什么半导体器件有最高工作频率？,2 半导体二极管,一、二极管的组成,二、二极管的伏安特性及电流方程,三、二极管的等效电路,四、二极管的主要参数,五、稳压二极管,一、二极管的组成,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压 二极管,发光 二极管,一、二极管的组成,点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。,面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。,平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。,二、二极管的伏安特性及电流方程,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的 电压当量,二极管的电

14、流与其端电压的关系称为伏安特性。,从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性,2. 伏安特性受温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,三、二极管的等效电路,理想 二极管,近似分析中最常用,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,1. 将伏安特性折线化,？,100V？5V？1V？,2. 微变等效电路,Q点越高，rd越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用

15、,小信号作用,静态电流,四、二极管的主要参数,最大整流电流IF：最大平均值 最大反向工作电压UR：最大瞬时值 反向电流 IR：即IS 最高工作频率fM：因PN结有电容效应,第四版P20,讨论：解决两个问题,如何判断二极管的工作状态？ 什么情况下应选用二极管的什么等效电路？,uD=ViR,ID,UD,V与uD可比，则需图解：,实测特性,对V和Ui二极管的模型有什么不同？,五、稳压二极管,1. 伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,2. 主要参数,稳定电压UZ、稳定电流IZ,最大功耗PZM IZM UZ,动

16、态电阻rzUZ /IZ,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,限流电阻,斜率？,温度对二极管伏安特性的影响,温度对二极管正向特性的影响,温度对二极管反向特性的影响,图 温度对二极管伏安特性的影响,Si二极管与Ge二极管的差别,Si 二极管的开启电压约0.5-0.7V，Ge二极管的开启电压约0.1-0.3V。 Si二极管反向电流比Ge二极管反向电流小得多，Si 管是pA量级，Ge管是A量级。,图 Si和Ge两种二极管伏安特性的差别,二极管的选择,二极管选择的几条基本原则：,1.要求导通电压低时选择锗管，要求反向电流小

17、时选硅管。 要求导通电流大时选平面型，要求工作频率高时选点接触型。 要求反向击穿电压高时选硅管。 要求耐高温时选硅管。,例1.1 硅二极管与恒压源E和限流电阻R构成的直流电路如图 所示，求二极管工作点。,解：将二极管用恒压源模型近似后来估算二极管工作点。,例1.2 若在例1.1电路中串联一个正弦电压源， 估算此时二极管上交流电压与电流成分的振幅值 和 （T300K）。,（a）电路图 （b）交流等效电路 图 二极管交流电路分析,解：当未加正弦电压源，即 时，由例1.1可知，二极管的工作点 ， ，则可估算出该工作点处的交流电阻为,直流电压上叠加了交流电压，直流电流上叠加了交流电流。,在静态工作点附

18、近，非线性电路近似为线性电路。,利用线性电路的叠加原理，可以画出只反映交变电压和交变电流之间关系的电路，称之为交流等效电路，如图(b)所示，由此交流通路可求出 :,例1.3 图示电路中 设D导通时正向压降为 0.7V， 设 vs=10V+2sin50t(mV) , 求iD 。,解：根据叠加原理 iDID+ id,二极管的交流等效电阻rD,补充 二极管应用电路,1.整流电路,图1.22 直流稳压电源方框图,图1.23 半波整流电路,整流电路的目的是把交流电压转变为直流脉动的电压。常见的整流电路有单相半波、全波、桥式整流等。,交流变直流 整流 直流变交流 逆变,直流稳压电源系统框图,直流脉动电压波

19、形,A).半波整流电路,正半周时 u2 0，二极管导通。,忽略二极管正向压降： u0= u2,负半周时 u2 0，二极管截止,输出电流为0。 uO = 0,设电路输入为正弦信号,输出波形为半波整流波形，半波整流电路电路简单，但整流效率低。,输出电压直流分量为UO ：,二极管上承受的最高反向电压：,二极管上的平均电流：,半波整流电路输入波形的负半周没有都得到利用,全波整流电路,试分析全波整流电路的工作原理，指出其不足，提出改进方法。,桥式整流电路,试分析桥式整流电路的工作原理,输入电压为正半周时，D1D3导通， D2D4截止。,输入电压为负半周时，D2D4导通， D1D3截止。,全波整流电路整流

20、原理,输入电压的正负半周都有电流流过负载而且电流方向一致（单向脉动）。,u2,0,输出电压 u0的直流分量：,负载平均电流为：,每个二极管中流过的电流是负载电流的一半。选择整流二极管要求最大整流电流满足：,D4,D2,D1,D3,RL,+,u2,uO,+,2.滤波电路,图1.25 滤波电路,试分析滤波电路的工作原理。,限幅电路是一种能限制电路输出电压幅值的电路。,3.限幅电路,图1.26 限幅电路的电压传输特性,如果考虑二极管导通电压，则此时输出电压应为4.7V。,设：,ui 4V时，D 截止，uo= ui,ui 4V时，D导通，uo= 4V,V, E=4V,图1.27 双向限幅电路,双向限幅

21、电路,钳位电路,由于含有直流成分的交流电压在通过含隔直电容的线性电路处理后，会失去直流成分，使用钳位电路就能实现直流恢复，故钳位电路有时也叫做直流恢复电路。,假设输入信号是幅度为2.5V的方波，电容C上电压被充电至峰值2.5V后便无法放电，使得输出电压 vo =vi+2.5V ，其波形如图示,利用二极管的单项导电性，相当于一个受外加电压极性控制的开关。,半导体二极管的开关特性：,二极管电路分析方法 ：,A)先将二极管从电路中断开，分别求出其两端的正向电压。根据二极管的单向导电性，二极管承受正向电压则 导通，反之则截止。,B)若电路中存在两只以上二极管，则正向电压大的管子优先导通。,3. 二极管

22、开关电路,举例：,试分析图示电路中，当UA和UB分别为0V和3V的不同组合时，二极管D1和D2的状态，并求出此时UO的值。二极管为硅管。,例1.4 试判断图中二极管是导通还是截止？并求出AB两端电压VAB 。设二极管为理想二极管。,解：断开D1、D2时,D1管优先导通,VA1=12V，VA2=12 - 6 = 6V,VA1 VA2 ;,此时，VA2= - 6V，D2管截止。, 此电路D1导通， D2管截止VAB = 0V。,VAB = 0V 。,补充 稳压管及其应用,1.稳压二极管,稳压二极管特点： PN结面积大，散热条件好， 使反向击穿是可逆。,V(V),I(mA),O,VBR,2. 稳压二

23、极管的伏安特性曲线,正向特性和普通二极管相同,反向击穿区曲线越陡，即动态电阻 rZ 越小，稳压性能越好。,理想稳压二极管特性： 实际器件的rZ一般都很小，可以忽略; 加反向电压当IZ 0 时， VD VZ ; 加正向电压当IZ 0 时， VD 0.7V(si管)。,1）稳定电压VZ,2）最小稳定电流 IZmin,3）最大稳定电流 IZMAX,不同型号的稳压管，都规定一个最大稳定电流，防止稳压管过流发生热击穿而损坏。,3. 稳压二极管的主要参数,保证稳压管稳压性能的最小工作电流。IZmin很小，常视为零。,VZ2.5 30V,4）最大允许耗散功率PZM,稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。,5）动

24、态电阻,动态电阻越小稳压管稳压效果越好,6）电压温度系数U,稳压管受温度变化的影响系数。,PZM = 0.25 2W,VZ,rZ,模型,2）限流电阻R的选取,稳压管正常工作范围：,可以求得：,图 稳压管稳压电路,例1.5 图示电路中设R1 = RL = 500 , DZ 的击穿电压VZ = 6V ;,求: 当Vi = 10V 时VO = _ ;,当 Vi=20V时 IZ = _ 。,Vi =10V 时 VO =,Vi = 20V时 IZ = IR - IL,5V,16mA,例1.6 设VZ =5V；PZM =1/4W；R =1K。,A). 当RL=; VO=VZ 时, 求Vi 的变化范围。,B

25、). 当Vi =20V; 保证VO =VZ 时, 求RL的变化范围。,解：A) Vi 5V时，DZ 反向击穿； VO = 5V, PZM =250mW, IZmax = PZM /VZ = 250m/5 = 50mA,Vimax = RIZmax + VZ = 1k50m + 5 = 55V,得：Vi = 5 55V,解：B) 正常稳压时IZ 0 , 必须满足,由,得: RLmin = 1/3K333, RL = 333 ,B). 当Vi =20V; 保证VO =VZ 时, 求RL的变化范围。,临界稳压时 RL= RLmin,例1.7为汽车上的收音机设计一个稳压电源。要求该稳压电源为汽车收音机

26、提供一个9V的电压，稳压电源的输入电压来自汽车电瓶，电瓶电压的变化范围（1113.6）V，收音机的电流介于0(关掉)100mA(最大音量)之间。,解：（1）当负载电流最大 ，输出电压 最小时，流过稳压管的电流最小， 则 （2）当负载电流最小 ，输入电压最大 时，流过稳压管的电流最大 , 则,令上两式相等，则:,只含两个未知量： 和 。 取稳压管的最小电流是最大电流的十分之一，即,则限流电阻 :,例1.8(p27) ：图示电路中稳压管2DW3的VZ =9V，rZ=4；如果输入电压的波动VI/VI =10%，求输出电压的波动VO/VO。,解：画出直流通路，稳压管恒压源模型,画出交流通路，二极管用小

27、信号模型,练习题 稳压二极管电路如图所示，已知稳压管的稳定电压Vz=6V,动态电阻rz=10,输入电压的标称值VI为10V,但有1V的波动。 （1）当RL=200 时，试求标称电压下流过稳压管的电流Iz和输出电压Vo。在输入电压波动时，输出电压的变化量Vo有多大？ （2）当RL=200 时，试求Iz和Vo的值。,稳压二极管的串并联等效,设两只稳压二极管的稳压值分别为VZ1=9V; VZ2=6V， 正向压降均为0.7V ,求串并联的等效稳压值VZ 。,串联：,并联：,1.3 晶体三极管,一、晶体管的结构和符号,二、晶体管的放大原理,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,四、温度对晶体管特性的影响,

28、五、主要参数,一、晶体管的结构和符号,多子浓度高,多子浓度很低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,中功率管,大功率管,二、晶体管的放大原理,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,电流分配： IEIBIC IE扩散运动形成的电流 IB复合运动形成的电流 IC漂移运动形成的电流,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流

29、放大系数,为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,为什么UCE增大曲线右移？,对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,为什么像PN结的伏安特性？,为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？,1. 输入特性,2. 输出特性,是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下 ?,对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。,为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？,饱和区,放大区,截止区,晶体管的三个工作区域,晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回

30、路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,直流参数： 、 、ICBO、 ICEO,c-e间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，PCMiCuCE=Constant,安全工作区,交流参数：、fT（使1的信号频率）,极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO,清华大学 华成英 ,讨论一,由图示特性求出PCM、ICM、U （BR）CEO 、。,uCE=1V时的iC就是ICM,U（BR）CEO,讨论二：利用Multisim测试晶体管的输出特性,利用Multisim分析图示电路在V2小于何值时晶体管截止、大于何值时晶体管饱和。,讨论三,以V2作为输入、以节点1作为输出，采用直流扫描的方法可得！,约小于0.5V时截止,约大于1V时饱和,描述输出电压与输出电压之间函数关系的曲线，称为电压传输特性。,1.4 场效应管（以N沟道为例）,场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、