模拟电子技术基础(杨素行)第一章半导体器件

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)硅的原子结构图最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。杂质原子最外层有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1.1.4N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1.1.5P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1.2.1PN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1.2.1PN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、PN结的单向导电性1.PN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.PN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.最大整流电流IF二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压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.最高工作频率fMfM值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。*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CdQ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)。OxnPQ12Q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1.2.122DW7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+IZIRUI+1.外加电源的正极接管子的N区，电源的负极接P区，保证管子工作在反向击穿区；RL2.稳压管应与负载电阻RL并联；3.必须限制流过稳压管的电流IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。1.3双极型三极管(BJT)又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。(BipolarJunctionTransistor)三极管的外形如下图所示。三极管有两种类型：NPN和PNP型。主要以N