第一章 常用半导体器件

模拟电子技术基础第四版清华大学华成英童诗白主编前言自然界中的两大类信息，模拟信息和数字信息都可以通过物理或化学的转换方式变成电信号。那么如何处理，应用这两类信息，用什么器件和电路来完成这些任务？怎样能够系统地分析和设计这两类电路？这就是电类专业学生所必须要掌握的知识。《模拟电子技术基础》和《数字电子技术基础》课程也正是你建筑电子信息系统大厦的最佳基石。处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。1.本课程的性质是一门技术基础课2.特点非纯理论性课程实践性很强以工程实践的观点来处理电路中的一些问题3.研究内容以器件为基础、以信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。4.教学目标能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计。5.学习方法重点掌握基本概念、基本电路、基本方法。6.参考书(1)康华光主编，《电子技术基础》模拟部分第四版，高教出版社(2)D.A.Neamen，《ElectronicCircuitAnalysisandDesign》SecondEdition，McGraw－Hill7.考核方式期末闭卷笔试；平时成绩占30％，期末考核占70％。小写字母、大写下标表示总量(含交、直流)。uCE、iB大写字母、大写下标表示直流量。UCE、IC小写字母、小写下标表示纯交流量。uce、ib上方有圆点的大写字母、小写下标表示相量。书中有关符号的约定ceUbI大写字母、小写下标表示交流有效值。Uce、Ib第一章常用半导体器件1.1半导体的基本知识1.2半导体二极管1.3晶体三极管1.4场效应管1.1半导体的基本知识在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。sisi硅原子Ge锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。本征半导体的共价键结构束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。一.本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。这一现象称为本征激发，也称热激发。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。与本征激发相反的现象——复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：310cm104.1锗：313cm105.2自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对自由电子带负电荷电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E＋－＋总电流载流子空穴带正电荷空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制二.杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。1.N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。N型半导体多余电子磷原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子——自由电子少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对2.P型半导体杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子少子浓度——与温度有关多子浓度——与温度无关内电场E因多子浓度差形成内电场多子的扩散空间电荷区阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层三.PN结及其单向导电性1.PN结的形成少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+－+－N型半导体+++++－++－－++－+－－－－－－内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流＝漂移电流总电流＝0势垒UO硅0.5V锗0.1V2.PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+WER空间电荷区内电场E正向电流(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IR+－－－+－－内电场++－++－E+－EW－－+－空间电荷区+－R+++IRPN在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。3.PN结的伏安特性曲线及表达式根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图正偏IF（多子扩散）IR（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿热击穿——烧坏PN结电击穿——可逆)1(eTSUuIi根据理论分析：u为PN结两端的电压降i为流过PN结的电流IS为反向饱和电流UT=kT/q称为温度电压当量其中k为玻耳兹曼常数1.38×10－23q为电子电荷量1.6×10－9T为热力学温度对于室温（相当T=300K）则有UT=26mV。当u0uUT时1eTUuTeSUuIi当u0|u||UT|时1eTUuSIi4.PN结的电容效应当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。(1)势垒电容CB空间电荷区－－W－++－－－+R+E++PN(2)扩散电容CD当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。+－NPpLx浓度分布耗尽层NP区区中空穴区中电子区浓度分布nL电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来极间电容（结电容）1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构1.2.2二极管的伏安特性与参数1.2.3二极管的等效电路1.2.5其它半导体二极管半导体二极管图片一半导体二极管图片二半导体二极管图片三1.2.1半导体二极管的结构在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(a)点接触型二极管的结构示意图(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二极管与PN结伏安特性曲线的区别：1.二极管存在串连电阻R.2.二级管存在反向漏电.)1(/SDDTUUeIi1.2.2二极管的伏安特性与参数DE反向漏电开启电压Uon导通电压二极管的伏安特性仍可由近似描述。IS：反向饱和电流UT：电压当量，室温下26mVIR硅二极管锗二极管开启电压0.5V0.1V导通电压0.6~0.8V(取0.7V)0.2~0.3V(取0.3V)二极管伏安特性与温度T的关系：由于IS随T的增加而增加，所以二极管的正向压降VF随T的增加而降低。一般线性减少2～2.5mV/C（利用该特性，可以把二极管作为温度传感器）二极管参数：(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压UBR和最大反向工作电压UR(3)反向电流IRUR下的反向电流(4)最高工作频率fM1N4000系列整流管：3kHz；1N4148开关管：～MHz1.2.3二极管的等效电路2、开关模型：正向导通时。相当于理想二极管串联一个0.7伏（导通电压，非UON）的恒定电压源，特性曲线如图（b)所示。由于该模型比较简单，在模拟电路里用得比较多。1、理想二极管模型：正向工作时二极管导通电压等于0。反向时，二极管开路，特性曲线如图（a)所示。一般适用于大信号工作状态。例如逻辑电路、整流电路中。ID00.7UD(V)（b）开关模型VA特性ID0UD(V)（a）理想模型VA特性理想二极管符号0.7V开关模型等效电路3、折线模型：正向导通时。相当于理想二极管串联一个等效电阻rD和一个电压源UON，特性曲线如图（c)所示。（c）折线模型IUrD/4、微变等效模型：二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻rd。（c）折线模型（d）微变等效模型DDdiur即)1(/SDDTUueIi根据得Q点处的微变电导QdudigDDdQUuTTeUI/SDTUIDdd1gr则DIUT常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIUrT微变电阻rd计算二极管的近似分析计算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串联电压源模型mA3.9K1V)7.010(I测量值9.32mA相对误差00002.010032.99.332.9理想二极管模型RI10VE1kΩmA10K1V10I相对误差0000710032.932.9100.7V例：二极管构成的限幅电路如图所示，R＝1kΩ，UREF=2V，输入信号为ui。(1)若ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo+--+UIuREFRiuO解：（1）采用理想模型分析。(2)采用理想二极管串联电压源模型分析。mA2k12VV4REFiRUuI＝V2REFoUumA31k1V702VV4DREFi..RUUuI－＝2.7V0.7VV2DREFoUUu（2）如果ui为幅度±4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。+--+UIuREFRiuO解：①采用理想二极管模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V②采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。+--+UIuREFRiuO1.2.5其它半导体二极管1.稳压二极管(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。符号及稳压特性(1)稳定电压UZ(2)动态电阻rZ在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=UZ/IZ(3)最大耗散功率PZM(5)稳定电压温度系数——VZ稳压二极管主要参数PZM＝UZIZmax(4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin雪崩击穿：VZ0；齐纳击穿：VZ0#稳压条件是什么？IZmin≤IZ≤IZmax2、发光二极管电致发光器件，将电信号转换成光信号。通常由磷砷化镓（GaAsP)、磷化镓（GaP)制成光的波长（颜色）与材料有关正偏导通时发光。发光二极管的开启电压和正向导通电压比普通二极管大，正向电压一般为1.3~2.4V。亮度与正向电流成正比，一般需要几个毫安以上。3、光电二极管通常由硅材料制成，管壳有接收光照的透镜窗口。正常工作在反偏状态。无光照时，只有很小的反向饱