24考试点专业课：南京理工大学模拟电子技术基础讲义

第一章　半导体器件1.1　半导体的特性1.2　半导体二极管1.3　双极型三极管(BJT)1.4　场效应三极管1.1　半导体的特性　　1.导体：电阻率104·cm的物质。如铜、银、铝等金属材料。　　2.绝缘体：电阻率109·cm物质。如橡胶、塑料等。　　3.半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。半导体导电性能是由其原子结构决定的。硅原子结构图1.1.1　硅原子结构(a)硅的原子结构图昀外层电子称价电子价电子锗原子也是4价元素　　4价元素的原子常常用+4电荷的正离子和周围4个价电子表示。+4(b)简化模型1.1.1　本征半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4　　完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。　　将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键图1.1.2　单晶体中的共价键结构　　当温度T=0K时，半导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图1.1.3　本征半导体中的　　　　自由电子和空穴自由电子空穴若T，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。　　空穴可看成带正电的载流子。1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴　　2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。　　3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示，显然ni=pi。　　4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。　　5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。1.1.2　杂质半导体杂质半导体有两种N型半导体P型半导体一、N型半导体　　在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。本征半导体掺入5价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子昀外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。自由电子浓度远大于空穴的浓度，即np。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子图1.1.4　N型半导体的晶体结构二、P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4　　在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。+3　　空穴浓度多于电子浓度，即pn。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。　　3价杂质原子称为受主原子。受主原子空穴图1.1.5　P型半导体的晶体结构说明：　　1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。4.杂质半导体的表示方法如下图所示。　　2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N型半导体(b)P型半导体图1.1.6　杂质半导体的的简化表示法1.2　半导体二极管1.2.1　PN结及其单向导电性在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结图1.2.1　PN结的形成一、PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运动　　2.扩散运动形成空间电荷区　　电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。——PN结，耗尽层。图1.2.1PN3.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场UD　　空间电荷区正负离子之间电位差UD——电位壁垒；——内电场；内电场阻止多子的扩散——阻挡层。　　4.漂移运动　　内电场有利于少子运动—漂移。少子的运动与多子运动方向相反阻挡层图1.2.1(b)5.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米~几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。电压壁垒UD，硅材料约为(0.6~0.8)V,锗材料约为(0.2~0.3)V。二、二、PNPN结的单向导电性结的单向导电性1.PNPN外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。图1.2.2PN　　在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。2.PNPN结结外加反向电压(反偏)　　反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；　　不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。空间电荷区图1.2.3　反相偏置的PN结　　反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。PN外电场方向内电场方向VRIS　　综上所述：　　当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。　　可见，PN结具有单向导电性。1.2.2　二极管的伏安特性　　将PN结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从P区和N区分别焊出两根引线作正、负极。二极管的结构：(a)外形图半导体二极管又称晶体二极管。(b)符号图1.2.4　二极管的外形和符号半导体二极管的类型：　　按PN结结构分：有点接触型和面接触型二极管。　　点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。　　面接触型二极管PN结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。　　按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。二极管的伏安特性　　在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I=f(U)之间的关系曲线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性–50I/mAU/V0.20.4–2551015–0.01–0.02锗管的伏安特性0图1.2.4　二极管的伏安特性1.正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。　　相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管约0.5V左右，锗管约0.1V左右。正向特性死区电压60402000.40.8I/mAU/V　　当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。2.反向特性–0.02–0.040–25–50I/mAU/V反向特性　　当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；　　二极管加反向电压，反向电流很小；　　如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；反向饱和电流这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。　　击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。击穿电压U(BR)3.伏安特性表达式(二极管方程))1e(STUUIIIS：反向饱和电流UT：温度的电压当量在常温(300K)下，UT26mV　　二极管加反向电压，即U0，且|U|UT，则IIS。　　二极管加正向电压，即U0，且UUT，则　　　　　，可得，说明电流I与电压U基本上成指数关系。1eTUUTUUIIeS结论：　　二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。　　从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。1.2.3　二极管的主要参数1.昀大整流电流IF二极管长期运行时，允许通过的昀大正向平均电流。2.昀高反向工作电压UR　　工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压UBR的一半定义为UR。3.反向电流IR通常希望IR值愈小愈好。4.昀高工作频率fM　　fM值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的昀高工作频率愈低。*1.2.4　二极管的电容效应　　当二极管上的电压发生变化时，PN结中储存的电荷量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。电容效应包括两部分势垒电容扩散电容1.势垒电容是由PN结的空间电荷区变化形成的。(a)PN结加正向电压（b)PN结加反向电压N空间电荷区PVRI+UN空间电荷区PRI+UV　　空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：lSUQCddb　　由于PN结宽度l随外加电压U而变化，因此势垒电容Cb不是一个常数。其Cb=f(U)曲线如图示。：半导体材料的介电比系数；S：结面积；l：耗尽层宽度。OUCb图1.2.82.扩散电容CdQ是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。　　在某个正向电压下，P区中的电子浓度np(或N区的空穴浓度pn)分布曲线如图中曲线1所示。x=0处为P与N区的交界处　　当电压加大，np(或pn)会升高，如曲线2所示(反之浓度会降低)。OxnPQ12Q　　当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。Q　　正向电压时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程——扩散电容效应。图1.2.9综上所述：　　PN结总的结电容Cj包括势垒电容Cb和扩散电容Cd两部分。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为CjCd；当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为CjCb。　　Cb和Cd值都很小，通常为几个皮法~几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。1.2.5　稳压管　　一种特殊的面接触型半导体硅二极管。　　稳压管工作于反向击穿区。I/mAU/VO+正向+反向U(b)稳压管符号(a)稳压管伏安特性+I图1.2.10　稳压管的伏安特性和符号稳压管的参数主要有以下几项：1.稳定电压UZ3.动态电阻rZ2.稳定电流IZZZZIUr稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。正常工作的参考电流。IIZ时，管子的稳压性能差；IIZ，只要不超过额定功耗即可。　　rZ愈小愈好。对于同一个稳压管，工作电流愈大，rZ值愈小。IZ=5mArZ16IZ=20mArZ3IZ/mA4.电压温度系数U稳压管的参数主要有以下几项：　　稳压管电流不变时，环境温度每变化1℃引起稳定电压变化的百分比。　　(1)UZ7V,U0；UZ4V，U0；　(2)UZ在4~7V之间，U值比较小，性能比较稳定。　2CW17：UZ=9~10.5V，U=0.09%/℃　　2CW11：UZ=3.2~4.5V，U=(0.05~0.03)%/℃　　(3)2DW7系列为温度补偿稳压管，用于电子设备的精密稳压源中。2DW7系列稳压管结构(a)2DW7稳压管外形图(b)内部结构示意图　　管子内部包括两个温度系数相反的二极管对接在一起。　　温度变化时，一个二极管被反向偏置，温度系数为正值；而另一个二极管被正向偏置，温度系数为负值，二者互相补偿，使1、2两端之间的电压随温度的变化很小。例：2DW7C，U=0.005%/℃图1.2.12　2DW7稳压管5.额定功耗PZ　　额定功率决定于稳压管允许的温升。PZ=UZIZPZ会转化为热能，使稳压管发热。电工手册中给出IZM，IZM=PZ/UZ　　[例]求通过稳压管的电流IZ等于多少？R是限流电阻，其值是否合适？IZVDZ+20VR=1.6k+UZ=12VIZM=18mA例题电路图IZIZM，电阻值合适。[解]mA5A105A106.1122033ZIVDZR使用稳压管需要注意的几个问题：图1.2.13　稳压管电路UOIO+IZIR