第一章电子线路

第一章基本半导体器件§1-1ＰＮ结半导体：其导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。特殊性质即电导率可控：温度光照磁场掺杂质1.1.1本征半导体GeSi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）都是四个而且都具有特定的晶体结构。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：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。+4+4+4+4完全纯净的、结构完整的半导体晶体－－本征半导体1.本征半导体的特点在绝对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。此时在外电场作用下具有一定的导电能力+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子本征激发载流子2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它外力的作用下，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。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流。2.空穴移动产生的电流。1.1.2杂质半导体的导电特性杂质半导体：在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体。分为N型半导体和P型半导体。一N型半导体：在纯净Si中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。所掺入五价元素称为施主杂质，简称施主（能供给自由电子）。右图（2-1）N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子。二.P型半导体：在纯净Si中掺入三价元素（硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。所掺入三价元素称为受主杂质，简称受主P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。§1.1.3PN结的形成★PN结：采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。PN结形成过程分解：1.1.4PN结的单向导电特性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。－－－－++++REPN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。反向偏置（简称反偏）PN结反偏：P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。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。REPN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。1.3.1半导体二极管的结构及符号在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型二极管的结构示意图§1-2二极管(3)平面型二极管往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型阴极引线阳极引线PNP型支持衬底(4)二极管的代表符号(d)代表符号k阴极阳极a半导体二极管图片一.PN结的伏安特性PN结所加端电压U与流过它的电流I的关系为：其中为反向饱和电流，VT为kT/q称温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子的电量，常温下，T＝300K时，VT可取26mv1.3.2二极管的伏安特性)1()(eIiTDVvsatRD)(satRIUI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBRPN结的伏安特性曲线)1(/R(sat)DDTVveIi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。iDOVBRD热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆*击穿并不意味着PN结烧坏。二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1(/SDDTVveIi0D/V0.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mA死区VthVBR硅二极管2CP10的V-I特性0D/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA②①③VthVBR锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性二.实际二极管的伏安特性三.理想二极管的特性+iDvD-R1.二极管的正向压降远小于和它串联的电压2.反向电流远小于和它并联的电流Di三.理想二极管的特性DiDv+iDvD-R1.二极管的正向压降远小于和它串联的电压2.反向电流远小于和它并联的电流Di01.3.3二极管的参数(1)最大正向电流IF+iDvD-R1.3.3二极管的参数(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRMiDOVBRDVRM=0.5VBR为了保证二极管安全工作：(3)反向电流IR1.3.3二极管的参数(4)正向压降VFV70on.硅V（硅二极管典型值）V20on.锗V（锗二极管典型值）导通压降：+iDvD-R(5)最高工作频率fM1.3.4稳压二极管1.稳压特性(a)符号(b)伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。IZ很大，VZ很小。(1)稳定电压VZ(3)动态电阻rZ在反向击穿后两端的实际工作电压。rZ=VZ/IZ(4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin2.稳压二极管主要参数1.3.4稳压二极管(2)稳定电流IZ3.如何稳压+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ正常稳压时VO=VZ限流电阻R的选择：IZmin≤IZ≤IZmax一.限幅电路：单向限幅电路：如17页图二.稳压电路§1.3.5二极管电路1.4半导体三极管（双极型晶体管）1.4.1晶体管的结构及符号半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管发射结(Je)集电结(Jc)基极，用B或b表示（Base）发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。发射区集电区基区三极管符号结构特点：•发射区的掺杂浓度最高；•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。平面型结构1.内部载流子的传输过程三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子（以NPN为例）载流子的传输过程1.4.2晶体管内载流子的传输过程以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT(BipolarJunctionTransistor)。1.4.2晶体管内载流子的传输过程2.电流分配关系发射极注入电流传输到集电极的电流设FBhIIEnC即根据传输过程可知IC=InC+ICBOIB=IB’-ICBO通常ICICBOECFBIIh则有为电流放大系数，与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关一般=0.90.99IE=IB+IC载流子的传输过程FBh)(FBh1根据是另一个电流放大系数，同样，它也与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关。一般1IE=IB+ICECFBIIh可得2.电流分配关系FEhIIBC令)(FEh或写成FBFBhhh1FE3.三极管的三种组态Rs放大电路IoIi+–Vo+–Vs+–ViRL信号源负载模拟信号的放大共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；是共射电流放大系数，一般1BCFEIIh)(FEh3.三极管的三种组态Rs放大电路IoIi+–Vo+–Vs+–ViRL信号源负载共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。ECIIhFB为共基电流放大系数，一般=0.90.99)(FBh3.三极管的三种组态Rs放大电路IoIi+–Vo+–Vs+–ViRL信号源负载共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;IE=IB（1＋hFE）=IB/(1-hFB)3.三极管的三种组态共集电极接法，集电极作为公共电极，共基极接法，基极作为公共电极，共发射极接法，发射极作为公共电极，BJT的三种组态实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。IE=IB+ICIC=hFEIBIC=hFBIE综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。vCE=0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCEiB=f(vBE)vCE=const(2)当vCE≥1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。vCE=0VvCE1V(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线1.4.4晶体管的特性曲线（以共射极放大电路为例）(3)输入特性曲线的三个部分①死区②非线性区③线性区1.输入特性曲线1.4.4晶体管的特性曲线饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE＜0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。iC=f(vCE)iB=const2.输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:1.4.4BJT的特性曲线截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压，集电结反偏。放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。end1.4.5BJT的主要参数(1)共发射极直流电流放大系数FEhBCFEIIh1.电流放大系数(2)共发射极交流电流放大系数hfehfe=IC/IBvCE=const1.4.5BJT的主要参数1.电流放大系数(3)共基极直流电流放大系数=IC/IEfehfeh(4)共基极交流电流放大系数hFEhFE=IC/IEVCB=const当BJT工作于放大区时，≈hfe、≈hfb，可以不加区分。FEhFBh1.4.5BJT的主要参数1.电流放大系数(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO=（1+）ICBO2.极间反向电流ICEO(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时，集电结的反向饱和电流。1.4.5BJT的主要参数即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。+bce-uAIe=0VCCICBO+bce-VCCICEOuA(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许功率损耗PCMPCM=ICVCE3.极限参数1.4.5BJT的主要参数(3)反向击穿电压V(BR)CBO——发射极开路时的集电结反向击穿电压。V(BR)EBO——集电极开路时发射结的反向击穿电压。V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系V(B