模電高職層次電子教案

1、第1章 半導體器件半導體器件書名書名：模擬電子技術模擬電子技術isbnisbn：7-111-19596-57-111-19596-5作者：劉振庭作者：劉振庭出版社：機械工業(yè)出版社出版社：機械工業(yè)出版社本書配有電子課件本書配有電子課件第1章 半導體器件半導體器件 本章首先簡要介紹了半導體的基礎知識以及半導體器件的核心部分-pn結，然后重點介紹了半導體二極管、晶體管和場效應晶體管的物理結構、工作原理、特性曲線及主要參數(shù)；在此基礎上還介紹了二極管和晶體管基本電路、分析方法與實際應用。第1章 半導體器件半導體器件1.1 1.1 半導體基礎知識半導體基礎知識1.1.1 1.1.1 本征半導體本征半導體

2、物質(zhì)按導電性能可分為導體、絕緣體和半導體。物質(zhì)的導電性能取決于原子結構。導體一般由低價元素構成，絕緣體一般由高價元素或高分子物質(zhì)構成，半導體一般最外層電子為4。由于其導電性能介于導體和絕緣體之間，所以稱為半導體半導體。 sisi硅原子硅原子+4+4硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。價電子。ge鍺原子鍺原子ge第1章 半導體器件半導體器件化學成分純凈、具有晶體結構的半導體稱為本征半導體本征半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半導體的正離子核被共價鍵緊緊束縛的價電子在絕對溫度或沒有外界激發(fā)時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電能力很弱，

3、接近絕緣體。本征半導體共價鍵結構第1章 半導體器件半導體器件在獲得一定能量(溫度增高、受光照等)后，價電子即可擺脫原子核的束縛成為自由電子，同時在共價鍵中留下空位，稱為空穴。 這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)熱激發(fā)?？梢姡杂呻娮雍涂昭偸前殡S著本征激發(fā)成對出現(xiàn)的，也叫電子空穴對電子空穴對。+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴自由電子第1章 半導體器件半導體器件 在外電場的作用下，半導體中將出現(xiàn)兩部分電流：一是自由電子做定向運動形成的電子電流電子電流，一是仍被原子核束縛的價電子遞補空穴形成的空穴電流空穴電流。也就是說，在半導體中存在自由在半導體中存在自由電子和空穴兩種載流電子和空穴

4、兩種載流子，這是半導體和金子，這是半導體和金屬在導電機理上的本屬在導電機理上的本質(zhì)區(qū)別。質(zhì)區(qū)別。 +4+4+4+4+4+4+4+4+4e第1章 半導體器件半導體器件1.1.2 1.1.2 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體 本征半導體中由于本征激發(fā)所產(chǎn)生的載流子數(shù)目極少，導電能力依然很低。但如果在其中摻入微量的雜質(zhì)，所形成的雜質(zhì)半導體的導電性能將大大增強。由于摻入的雜質(zhì)不同，雜質(zhì)半導體可以分為n型和p型兩大類。 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體：利用一定的摻雜工藝制成的半導體摻雜的目的：為了顯著改變載流子濃度，以提高導電能力施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)：摻雜后失去電子，提供多余的自由電子的物質(zhì)受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)：摻雜后獲得電子，提供

5、多余的空位的物質(zhì)按照摻入雜質(zhì)的作用不同，可以將雜質(zhì)分為兩類：第1章 半導體器件半導體器件+5+4+4+4+4+4+4+4+4施主原子提供的多余電子施主正離子n型半導體的共價鍵結構1 n1 n型半導體型半導體 n型半導體中摻入的雜質(zhì)為磷或其他五價元素，磷原子在取代原晶體結構中的硅原子并構成共價鍵時，多余的第五個價電子很容易擺脫磷原子核的束縛而成為自由電子，于是半導體中的自由電子數(shù)目大量增加，自由電子成為多數(shù)載流子，空穴則成為少數(shù)載流子。第1章 半導體器件半導體器件+3+4+4+4+4+4+4+4+4受主原子缺少電子產(chǎn)生的空穴受主獲得一個電子形成受主負離子p型半導體的共價鍵結構2 p2 p型半導體

6、型半導體 p型半導體中摻入的雜質(zhì)為硼或其他三價元素，硼原子在取代原晶體結構中的硅原子并構成共價鍵時，因缺少一個價電子而形成一個空穴，于是半導體中的空穴數(shù)目大量增加，空穴成為多數(shù)載流子,而自由電子則成為少數(shù)載流子。 第1章 半導體器件半導體器件1.1.3 pn1.1.3 pn結結1 pn1 pn結的形成結的形成濃度差多子的擴散空間電荷區(qū)內(nèi)電場p、n結合阻礙多子擴散，產(chǎn)生少子漂移擴散漂移動態(tài)平衡pn結第1章 半導體器件半導體器件2 pn2 pn結的單向?qū)щ娦越Y的單向?qū)щ娦?pn結正向偏置時，內(nèi)電場削弱，正向電流增大，呈現(xiàn)低電阻，處于導通狀態(tài)。 pn結反向偏置時，內(nèi)電場增強，反向電流增大，呈現(xiàn)高電阻

7、，處于截止狀態(tài)。第1章 半導體器件半導體器件1.2.1 1.2.1 二極管的結構和分類二極管的結構和分類1.2 1.2 半導體二極管半導體二極管半導體二極管是由pn結加上引線和管殼構成的。 1 1 二極管的結構二極管的結構點接觸型半導體二極管的結構半導體二極管的符號 第1章 半導體器件半導體器件按結構分：點接觸型、面接觸型和平面型2 2 二極管的種類二極管的種類按材料分：硅二極管和鍺二極管第1章 半導體器件半導體器件1.2.2 1.2.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性二極管伏安特性圖 圖中uon稱為死區(qū)電壓，通常硅管的死區(qū)電壓約為0.5v，鍺管約為0.1v。正向電壓低于死區(qū)電壓時，正向電流

8、很小，只有當正向電壓高于死區(qū)電壓后，才有明顯的正向電流。導通時二極管的正向壓降變化不大，硅管約為0.60.8v，鍺管約為0.20.3v。通常認為，當正當正向電壓向電壓u u u uonon時，二極管導通。時，二極管導通。 第1章 半導體器件半導體器件 圖中ubr稱為反向擊穿電壓，當外加反向電壓低于ubr時，二極管處于反向截止區(qū)，反向電流幾乎為零，但溫度上升，反向電流會有增長。當外加反向電壓超過ubr后，反向電流突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦?，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿反向擊穿。普通二極管反向擊穿電壓一般在幾十伏以上。 普通二極管被擊穿后，由于反向電流很大，一般會造成“熱擊穿熱擊穿”，不能恢復原來性能

9、，也就是失效了。 二極管的特性對溫度很敏感，溫度升高，正向特性曲線向二極管的特性對溫度很敏感，溫度升高，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移。左移，反向特性曲線向下移。其規(guī)律是：在室溫附近，在同一電流下，溫度每升高1，正向電壓減小22.5mv；溫度每升高10，反向電流增大約1倍。 二極管的應用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦?，可用于整流、檢波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中用作開關元件等。第1章 半導體器件半導體器件1.2.3 1.2.3 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù) 描述器件的物理量，稱為器件的參數(shù)。它是器件特性的定量描述，也是選擇器件的依據(jù)。 二極管的主要參數(shù)有：（1）最大整流電

10、流if（2）最大反向工作電壓ur（3）反向電流ir（4）最高工作頻率fm（5）二極管的直流電阻rd（6）二極管的交流電阻rd 注意：用萬用表測量出的電阻值為注意：用萬用表測量出的電阻值為r rd d，用不同檔測量出的，用不同檔測量出的r rd d值顯然是不同的。值顯然是不同的。第1章 半導體器件半導體器件1.2.4 1.2.4 二極管的基本應用電路二極管的基本應用電路 運用二極管主要是利用它的單向?qū)щ娦?。二極管導通時，二極管導通時，可用短線來代替它；二極管截止時，可認為它斷路?？捎枚叹€來代替它；二極管截止時，可認為它斷路。 限幅電路利用二極管的單向?qū)щ娦院蛯ê髢啥穗妷夯静蛔兊奶攸c組成。當輸

11、入信號電壓在一定范圍內(nèi)變化時，輸出電壓也隨著輸入電壓相應的變化；當輸入電壓高于某一個數(shù)值當輸入電壓高于某一個數(shù)值時，輸出電壓保持不變，這就是限幅電路。時，輸出電壓保持不變，這就是限幅電路。我們把開始不變的電壓稱為限幅電平。它分為上限幅和下限幅?！纠?】試分析圖16所示的限幅電路,輸入電壓的波形為已知,畫出它的限幅電路的波形。第1章 半導體器件半導體器件解:當e=0時限幅電平為0v。ui0時二極管導通，uo=0；ui0時，二極管截止，uo=ui，它的波形如圖(a)所示。當0eum時，限幅電平為+e。ui+e時,二極管導通, uo=e,它的波形如圖(b)所示;當ume0，集電結已進入反偏狀態(tài)，開始

12、收集電子，使基區(qū)復合減少，ic / ib增大，特性曲線將向右稍微移動一些。但uce再增加時，曲線右移很不明顯。因為uce1v時，集電結已把絕大多數(shù)電子收集過去，收集電子數(shù)量不再明顯增大。工程實踐上，就用uce1v的輸入特性曲線代替uce 1v以后的輸入特性曲線。 共發(fā)射極接法的輸入特性曲線1 輸入特性曲線 第1章 半導體器件半導體器件2 輸出特性曲線 當ib不變時，輸出回路中的電流ic與電壓uce之間的關系曲線稱為輸出特性，即 共射極接法輸出特性曲線通常把輸出特性曲線分為三個工作區(qū)：(1)截止區(qū) ic接近零的區(qū)域（即ib0的區(qū)域），相當ib=0的曲線的下方。在截止區(qū)，集電結和發(fā)射結均處于反向偏

13、置 (2)放大區(qū) ic平行于uce軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時，發(fā)射結正偏，集電結反偏 (3)飽和區(qū) 在靠近縱軸附近，各條輸出曲線的上升部分屬于飽和區(qū)，它是ic受uce顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uce 的數(shù)值較小，一般uce0.7 v(硅管)。發(fā)射結和集電結都處于正向偏置狀態(tài)。 bcce()|iif u常數(shù)第1章 半導體器件半導體器件1.3.3 1.3.3 晶體管的主要參數(shù)晶體管的主要參數(shù)晶體管的參數(shù)分為直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)三大類。1 1 直流參數(shù)直流參數(shù)(1)直流電流放大系數(shù)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) bcbceociiiii共基極直流電流放大系數(shù)ecii(2)極間反向電流集-基間反

14、向飽和電流icbo集-射間反向飽和電流iceoiceo和icbo有如下關系：ceocbo=(1+ )ii第1章 半導體器件半導體器件2 2 交流參數(shù)交流參數(shù)（1）交流電流放大系數(shù)交流共基集-射電流放大系數(shù)cbceuii常數(shù)交流共射集-基電流放大系數(shù)cecebuii常數(shù) 在放大區(qū)，值基本不變，可在共射接法輸出特性曲線上，通過垂直于橫軸的直線求取icib。第1章 半導體器件半導體器件（2）特征頻率ft 晶體管的值不僅與工作電流有關，而且與工作頻率有關。由于結電容的影響，當信號頻率增加時，晶體管的將會下降。當下降到1時所對應的頻率稱為特征頻率，用ft表示。3 3 極限參數(shù)極限參數(shù) 極限參數(shù)是指為了保

15、證晶體管在放大電路中能正常地、安全地工作而不能逾越的參數(shù)。（1）集電極最大允許損耗功率pcm 集電極電流通過集電結時所產(chǎn)生的功耗，pcm=icuce，因發(fā)射結正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集電結上。管子工作時，集電結功耗pc0時，(為方便假定uds=0)，則在sio2的絕緣層中，產(chǎn)生了一個垂直半導體表面，由柵極指向p型襯底的電場。這個電場排斥空穴吸引電子，當ugsut時，在絕緣柵下的p型區(qū)中形成了一層以電子為主的n型層。由于源極和漏極均為n+型，故此n型層在漏、源極間形成電子導電的溝道，稱為n型溝道。ut稱為開啟電壓，此時在漏、源極間加uds，則形成電流id。顯然，此時改變ugs則可改變溝道

16、的寬窄，即改變溝道電阻大小，從而控制了漏極電流id的大小。由于這類場效應晶體管在ugs=0時，id=0，只有在ugsut后才出現(xiàn)溝道，形成電流，故稱為增強型。第1章 半導體器件半導體器件2 n n溝道耗盡型溝道耗盡型mosmos管管（1） 結構 耗盡型mos管，是在制造過程中，預先在sio2絕緣層中摻入大量的正離子，因此，在ugs=0時，這些正離子產(chǎn)生的電場也能在p型襯底中“感應”出足夠的電子，形成n型導電溝道，如圖所示。 襯底通常在內(nèi)部與源極相連。 n溝道耗盡型mos管的結構示意圖及符號 第1章 半導體器件半導體器件（2）工作原理 當uds0時，將產(chǎn)生較大的漏極電流id。如果使ugs0，則它

17、將削弱正離子所形成的電場，使n溝道變窄，從而使id減小。當ugs更負，達到某一數(shù)值時溝道消失，id=0。使id=0的ugs我們也稱為夾斷電壓，仍用ugs(off)表示。ugsugs(off)溝道消失，稱為耗盡型。1.4.4 1.4.4 場效應晶體管的主要參數(shù)場效應晶體管的主要參數(shù)1 1 直流參數(shù)直流參數(shù)（1）開啟電壓gs(th) 開啟電壓是增強型絕緣柵場效應晶體管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值，場效應晶體管不能導通。 （2）夾斷電壓ugs(off)gs(off) 夾斷電壓是耗盡型場效應晶體管的參數(shù)，當ugsgs=ugs(off)gs(off) 時，漏極電流為零。第1章 半導體器件半導體器

18、件（3）飽和漏極電流idss 耗盡型場效應晶體管，當ugs =0時所對應的漏極電流。 （4）直流輸入電阻rgs(dc) 場效應晶體管的柵源電壓與柵極電流之比。對于結型場效應晶體管，反偏時rgs(dc) 略大于107，對于絕緣柵型場型效應晶體管，rgs(dc) 約為1091015。 2 2 交流參數(shù)交流參數(shù)（1）低頻跨導g gm m 低頻跨導反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。dsdmgsuigu常數(shù)gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取，為轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率。第1章 半導體器件半導體器件rdsgsdsdsduuri常數(shù) rds反映了uds對id的影響，它是輸出特性曲線上靜態(tài)工作點處切線斜率的倒數(shù)。在恒流區(qū)，漏極電流基本上不