模拟电子线路基础―半导体器件.

第1章半导体器件2半导体的基础知识本征半导体杂质半导体载流子运动方式及形成电流PN结与晶体二极管PN结的基本原理（掌握）晶体二极管（特性、参数）（掌握）晶体二极管应用电路内容提要3晶体三极管晶体三极管的结构与符号晶体管的放大原理（掌握）晶体三极管特性曲线（掌握）晶体管的主要参数场效应晶体管结型场效应晶体管（JFET）绝缘栅场效应管（IGFET）场效应管的参数及特点内容提要（续）4作业：1-31-51-61-7(a)(d)(f)1-101-121-151-161-221-2351.1半导体的基础知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3载流子的运动方式及形成的电流6半导体：导体:电阻率ρ小于10-3Ω·cm；绝缘体:ρ大于108Ω·cm半导体:ρ介于导体和绝缘体之间半导体特性：掺杂性：掺杂后其电阻率大大地下降。晶体管热敏性：电阻率随着温度的上升而明显下降。热敏元件光敏性：电阻率随着光照的增强而明显下降。光敏元件半导体ρ介于导体和绝缘体之间半导体特性掺杂性热敏性光敏性1.1.1本征半导体7纯净的、不含杂质的半导体1.1.1本征半导体84本征激发（热激发）本征激发产生的空穴价电子价电子受热或受光照（即获得一定能量）后，可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个带正电的空穴。该现象称为本征激发(热激发)本征激发产生的自由电子1.1.1本征半导体94本征激发（热激发）空穴价电子自由电子在热激发下，本征半导体中存在两种能参与导电的载运电荷的粒子(载流子)：成对的电子和空穴复合：自由电子回到共价键结构中的现象。此时电子-空穴成对消失。1.1.1本征半导体10自由电子和空穴成对产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。注意：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差。(2)温度越高，载流子的数目越多,半导体的导电性能也就越好。可见，温度对半导体器件性能影响很大。1.1.1本征半导体11杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类N型半导体1.1.2杂质半导体掺少量5价元素12电子正离子对施主杂质原子电离电子空穴对热激发载流子1.1.2杂质半导体N型半导体中电子为多数载流子(多子），空穴为少数载流子（少子）。呈电中性13P型半导体掺少量3价元素1.1.2杂质半导体14空穴负离子对受主杂质原子电离空穴电子对热激发载流子P型半导体中空穴为多数载流子(多子），电子为少数载流子（少子）。1.1.2杂质半导体呈电中性15扩散运动及扩散电流扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。1.1.3载流子运动方式及其电流扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比浓度差扩散运动扩散电流扩散力16漂移运动和漂移电流漂移运动：载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。1.1.3载流子运动方式及其电流漂移电流大小与电场强度成正比电位差漂移运动漂移电流电场力171.2PN结与晶体二极管1.2.1PN结的基本原理1.2.2晶体二极管1.2.3晶体二极管应用电路举例18PN结的形成1.2.1PN结基本原理191.2.1PN结基本原理PN结平衡UΦ阻止多子继续扩散，同时有利少子定向漂移UΦ：势垒电压UΦ=0.6~0.8V（Si）或0.2~0.3V（Ge）20扩散交界处的浓度差P区的空穴要向N区扩散N区的电子要向P区扩散P区留下带负电的受主离子N区留下带正电的施主离子内建电场漂移电流扩散电流PN结动态平衡1.2.1PN结基本原理211.2.1PN结基本原理小结载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。漂移运动=扩散运动时，PN结形成且处于动态平衡状态。PN结没有电流通过。若P区和N区掺杂浓度相同，则;若为P+N结，则。NPxxPNxx22PN结特性单向导电性击穿特性电容特性1.2.1PN结基本原理23单向导电性PN结加正向电压流过PN结的电流随外加电压U的增加而迅速上升，PN结呈现为小电阻。该状态称为PN结正向导通状态。PN正向运用1.2.1PN结基本原理24PN结加反向电压流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。该状态称为PN结反向截止状态。PN反向运用1.2.1PN结基本原理(单向导电性:续)25小结PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流IS,考虑到IS0，则PN结截止。PN结正向导通、反向截止的特性称PN结的单向导电特性。1.2.1PN结基本原理(单向导电性:续)26击穿：PN结外加反向电压且电压值超过一定限度时，反向电流急剧增加而结两端电压基本不变的现象。击穿不一定导致损坏。利用PN结击穿特性可以制作稳压管。击穿分类：雪崩击穿；齐纳击穿。击穿电压：PN结击穿时的外加电压(即:UZ)1.2.1PN结基本原理击穿特性27电容特性PN结存在电容效应，限制器件工作频率。分类：势垒电容CB；扩散电容CD1.2.1PN结基本原理28势垒电容CBBB0/()CCUU由势垒区内电荷存储效应引起。CB值随外加电压的改变而改变，为非线性电容。CB0为外加电压为零时的势垒电容，U为PN结的外加电压（加反向电压时U0）,为结变系数。电容特性1.2.1PN结基本原理29()pnDTττCIU扩散电容CDCD值与PN结的正向电流I成正比。由势垒区两侧的P区和N区正负电荷混合储存所产生tp：空穴寿命tn：电子寿命UT：热电压I:正向电流电容特性1.2.1PN结基本原理30小结：（1）PN结正向运用时CB、CD同时存在，CD起主要作用。（2）PN结反向运用时，只有CB。电容特性1.2.1PN结基本原理311.2.2晶体二极管晶体二极管结构与符号晶体二极管伏安特性晶体二极管参数晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路举例32点接触型面结合型平面型符号1.2.2晶体二极管结构与符号33伏安特性图1.2.2晶体二极管伏安特性正向特性：存在门限Uth锗管Uth0.2V硅管Uth0.6或0.7V小电流范围近似呈指数规律，大电流时接近直线34反向特性曲线近似呈水平线，略有倾斜存在反向饱和电流Is击穿特性反向电流急剧增加而二极管端压近似不变。（PN结击穿）1.2.2晶体二极管(V-A特性:续)35伏安特性的温度特性：1.2.2晶体二极管(V-A特性:续)T则UthT则IST则Uz雪崩击穿T则Uz齐纳击穿th2.5~2.0(mV)dUdT1012122)()(TTSSTITI36;时;时√正向特性近似)1(/TUuseIisIi/1TuUeTUuseIi/√反向特性近似/1TuUe式中：时KTTmVqkTU300261.2.2晶体二极管(V-A特性:续)伏安特性数学表达式：37直流电阻RD：定义RD=U/I|Q点处RD是u或i的函数1.2.2晶体二极管主要参数性能参数直线斜率的倒数38交流电阻rd：rd=du/di|Q点处计算rd=UT/IQ1.2.2晶体二极管(主要参数:续)性能参数39点Qddidur伏安特性在工作点处的切线斜率的倒数交流电阻：在工作点附近电压微变量与电流微变量之比。1.2.2晶体二极管(主要参数:续)40时KTTmVqkTU30026TQTUuTSUuSdUIUIeUIeIduddudirTT)1(1QdIrmV26)1(TUuSeIi41势垒电容CT：影响器件最高工作频率1.2.2晶体二极管(主要参数:续)性能参数BB0/()CCUU42最大允许整流电流IOM：工作电流IOM易导致二极管过热失效最高反向工作电压URM:允许加到二极管(非稳压管)的最高反向电压最大允许功耗PDM:实际功耗PDM时易导致二极管过热损坏1.2.2晶体二极管(主要参数:续)极限参数43（1）图解法iRUuUi1.2.3晶体二极管电路分析方法RUQDIDU外电路管子特性U44)1(TDUUSDeIIRIUUDD（2）迭代法RUUIIIUUDDSDTD)/(1)/(ln外电路管子特性非线性电路非线性解迭代法45（3）折线化近似法将实际二极管的伏安特性曲线作折线化近似。理想特性曲线只考虑门限的特性曲线伏安特性符号46（3）折线化近似法考虑门限电压和正向导通电阻的特性曲线伏安特性符号rd：工作点处的动态电阻仅考虑正、反向导通电阻的特性曲线471.2.3晶体二极管应用电路举例核心问题：如何判断二极管是处于导通或是截止状态？1，整流电路)(0)(iOtutu；VD截止ui0V；VD导通ui0V48（b）（a）方法：比较各二极管的正向开路电压，正向开路电压最大的二极管抢先导通。2，门电路1.2.3晶体二极管应用电路举例VD2导通uO=0493，限幅电路1.2.3晶体二极管应用电路举例V5)()(iOtutu；VD截止ui5V；VD导通ui5V50晶体二极管电路分析举例V5.2Ou511.3特殊二极管1.3.1稳压管1.3.2光电二极管1.3.3发光二极管1.3.4变容二极管52V-A特性及符号利用PN结击穿特性工作于反偏状态（反向电压需达到一定程度）1.3.1稳压管53稳压管主要参数稳定电压UZ：即PN结击穿电压稳定电流IZ：IzminIZIZmax动态电阻rZ：定义rZ=u/irZ且IZ，则稳压性能越好额定功耗PZ：实际功耗超过PZ易使稳压管损坏1.3.1稳压管541.3.1稳压管稳压管等效电路Ur为门限电压这时稳压管就是一只二极管551.3.1稳压管稳压管应用电路56RL上所得电压值即为VZ管所承受的反向电压值，分别为：8V、7.2V、4V和2.4V。稳压电路中：uI=12V，UZ=6V，R=4kΩ。当RL分别为8kΩ、6kΩ、2kΩ和1kΩ时，求对应输出电压uO。稳压电路解：故：uO分别为：6V、6V、4V和2.4V。输出电压uO(t)取决于VZ的工作状态，即击穿与否。1.3.1稳压管57可用作光测量或做成光电池工作在反向偏置下反向电流与光照度E成正比无光照射时，反向电流很小有光照时，反向电流增加1.3.2光电二极管1，光谱效应；2，光照特性；3，频率响应。58工作于反偏状态利用势垒电容效应1.3.4变容二极管59工作在正向偏置下可用作显示器件二极管型光电耦合器1.3.3发光二极管601.4晶体三极管1.4.1晶体三极管的结构与符号1.4.2晶体管的运用状态1.4.3晶体管的放大原理1.4.4晶体三极管特性曲线1.4.5晶体管的主要参数611.4.1晶体三极管结构及符号三极管存在：两结三极三区发射区(E区)：发送载流子；基区(B区)：传输载流子；集电区(C区)：收集载流子。621.4.3晶体三极管放大原理:续要使晶体管具有放大作用，制造时，必须：1，发射区重掺杂，发射载流子浓度高；2，基区很薄，轻掺杂；3，集电结面积大。应用时，必须：发射结正向偏置，集电结反向偏置63集电结运用状态发射结正向运用反向运用正向运用饱和状态放大状态反向运用反向放大状态截止状态很少使用三极管工作状态三极管四种状态1.4.1晶体三极管结构及符号641.4.3晶体三极管放大原理1.载流子传输过程（以NPN管为例）65发射区向基区注入电子(IEn)：发射极电流IEIEn注入电子在基区边扩散边复合(IBn)：是基极电流IB的一部分1.4.3晶体三极管放大原理:续集电区收集扩散来的电子(Icn)：Icn构成集电极电流IC的主要成份集电结两边少子定向漂移(ICBO)：ICBO对放大无贡献应设法减小晶体三极管又称为双极型三极管66形成IEn，同时基区也向发射区注入空穴形成IEp。由于IEnIEp，因此发射极电流IEIEn。形成复合电流IBn，它是基极电流IB的主要成分。形成ICn