(模電)常用半導(dǎo)體器件教案

1、第一章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)1.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.2 半導(dǎo)體二極管1.3 半導(dǎo)體三極管及模型1.4 場(chǎng)效應(yīng)管1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)在物理學(xué)中。根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以將他們劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體是硅Si和錯(cuò)Ge,它們都是4價(jià)元素。硅原子錯(cuò)原子硅和錯(cuò)最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。一.本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體一化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%,常稱為“九個(gè)9”。本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)在絕對(duì)溫度T=OK時(shí),所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱,接近絕緣體。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)

2、，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。+4(+4)+4).(+4)+4(+4)空穴自由電子導(dǎo)電機(jī)制可見(jiàn)本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對(duì)越多。與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象復(fù)合在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電子空穴對(duì)的濃度一定。常溫300K時(shí)：+自由電子硅：1.4x10”3電子空穴對(duì)的濃度Am錯(cuò)：2.5x1043載流子自由電子帶負(fù)電荷電子流$、空穴帶正電荷空穴流,忌電流本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化

3、，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。二.雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。1.N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，神等，稱為N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體電子空穴對(duì)自由電子硅原子.但）三叵多數(shù)載流子.N型半導(dǎo)體QlOeOee自由電子施主礪少數(shù)載流子空穴2.P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、像等。電子空穴對(duì)tp型半導(dǎo)體0O011;0。1QOQOQOQO住主離子多數(shù)載流子空穴少數(shù)載流子自由電子雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖多子二空穴多子一電子N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體。e。0。Q55e少子一空穴少子一電子少子濃度多子濃度與溫度有關(guān)與溫度無(wú)關(guān)三.PN結(jié)及其單向?qū)?/p>

4、電性1.PN結(jié)的形成PN結(jié)合f因多子濃度差-多子的擴(kuò)散t空間電荷區(qū)f形成內(nèi)電場(chǎng)T阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。內(nèi)電場(chǎng)Ep型半.導(dǎo)體空間電荷區(qū)N型半導(dǎo)體0；。QO：Q Q O 0cIGO。耗盡層少子漂移電流多子擴(kuò)散電流補(bǔ)充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E|少子飄移.一多子擴(kuò)散動(dòng)畫演示又失去多子，耗盡層寬，Et內(nèi)電場(chǎng)EP型半導(dǎo)體耗盡層N型半導(dǎo)體Q p G。O多子擴(kuò)散電流少子漂移電流動(dòng)態(tài)平衡：擴(kuò)散電流=漂移電流總電流=0勢(shì)壘U。一盟；2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦约诱螂妷海ㄕ╇娫凑龢O接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反。外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)一耗盡層變窄一擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)一多子擴(kuò)散形成正向電流P型半導(dǎo)

5、體空間電荷區(qū)N型半導(dǎo)體QOQOqqIqo。；。I春.內(nèi)電場(chǎng)ENlEwR加反向電壓電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同。外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)一耗盡層變寬一漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)一少子漂移形成反向電流/R在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是3 9= O內(nèi)電場(chǎng)E空間電荷區(qū)一定的，故/R基本上與外加反壓的大小無(wú)關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但/r與溫度有關(guān)。具有較大的正向 PN結(jié)導(dǎo)通；具有很小的反向 PN結(jié)截止。漂移電流，呈現(xiàn)高電阻,3.PN結(jié)的伏安特性曲線及表達(dá)式根據(jù)理論推導(dǎo)，PN結(jié)的伏安特性曲線如圖熱擊穿燒壞PN結(jié)PN結(jié)加正向電壓時(shí),擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻,PN結(jié)加反向電壓時(shí),由此可以得出

6、結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。根?jù)理論分析:u/si - 1)i為流過(guò)PN結(jié)的電流，s為反向飽和電流 UT =kT/q稱為溫度的電壓當(dāng)量當(dāng)0時(shí) e%l. T %丁i /sez T當(dāng) vouu 1 時(shí) e 01 .BJT內(nèi)部的載流子傳輸過(guò)程(1)因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成了擴(kuò)散電流同時(shí)從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成的電流為，EP。但其數(shù)量小,可忽略。所以發(fā)射極電流/e/en。Ik(2)發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載人b流子。少部分遇到的空穴vBB.復(fù)合掉，形成/bn。所以基極電流/b/bn。大部分到達(dá)了集電區(qū)的邊緣。2 .電流分配關(guān)系定義：a=組-1e其值的大小約

7、為0.9-0.99o1c與品之間的關(guān)系：，C-C，e+，cboxaleRbIcVbb-所以：axj三個(gè)電極上的電流關(guān)系：ZE=/c+，b，C與，B之間的關(guān)系:聯(lián)點(diǎn)以下兩式：C=aE+/cBOI E=，c+ / B得，（：=。4：+人取）=。（般+。）+，CB。 rnFM N得：般=66十，CEO H 01b四.BJT的特性曲線（共發(fā)射極接法）（1）輸入特性曲線（1）ce=V時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)。（2）當(dāng)ce=W時(shí)，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開(kāi)始收集電子，所以基區(qū)復(fù)合減少，在同一BE電壓下，？B減小。特性曲線將向右稍微移動(dòng)一些。（3）“ceNIV再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。(2)輸出特性曲線HA

8、ce)Iig=const現(xiàn)以iB=60uA一條加以說(shuō)明。(1)當(dāng)ce=OV時(shí)，因集電極無(wú)收集作用，達(dá)=0。(2)CETT，cT。(3)當(dāng)CE1V后，收集電子的能力足夠強(qiáng)。這時(shí)，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成所以CE再增加，C基本保持不變。同理，可作出%=其他值的曲線。輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域：ce0.7Vo飽和區(qū)Zc受CF顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。截止區(qū)Zc接近零的區(qū)域，相當(dāng)，B=O的曲線的下方。此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)飽和區(qū)c (mA)A/c=M/b曲線基本平行等 距。此時(shí)，發(fā) 射結(jié)正偏，集電 結(jié)反偏。該區(qū)中有：放大區(qū)=100uA% =8 O

9、uA% =60uA% =4 OuA=2 OuA-ZB=O(V)截止區(qū)五.BJT的主要參數(shù)Azc _ (2.3-1.5)mA _A = (60 40)A =一般取 20200之間(2)共基極電流放大系數(shù):錯(cuò)管：/CB。為微安數(shù)量級(jí)，硅管：，CBO為納安數(shù)量級(jí)。,CEO2.極間反向電流(1)集電極基極間反向飽和電流，CBO發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，在其集電結(jié)上加反向電壓，得到反向電流。它實(shí)際上就是一個(gè)PN結(jié)的反向電流。其大小與溫度有關(guān)。(2)集電極發(fā)射極間的穿透電流ZcEO基極開(kāi)路時(shí)，集電極到發(fā)射極間的電流穿透電流。其大小與溫度有關(guān)。/CBO=(1+/?)/cBO3.極限參數(shù)(1)集電極最大允許電流/cm人增

10、加時(shí)，尸要下降。當(dāng)分值下降到線性放大區(qū)廊的70%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流及加。(2)集電極最大允許功率損耗Pcm集電極電流通過(guò)集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗，Pc=/JcEVPcM(3)反向擊穿電壓BJT有兩個(gè)PN結(jié)，其反向擊穿電壓有以下幾種:U(br)ebo集電極開(kāi)路時(shí)，發(fā)射極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般幾伏十幾伏。U(BR)CBO發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般為幾十伏幾百伏。V(BR)CEO基極開(kāi)路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間:大反向電壓。在實(shí)際使用時(shí)，還有U(BR)CERU(BR)CES等擊穿電壓。t4BRjCBO/Ubr)eboUbr)ceo六.三極管的模型及分析方法.BJT的模型.非線性器件直流模型bo-=，cOc放大狀態(tài)pD發(fā)射結(jié)導(dǎo)通壓降Ud硅管U.7V褚管0.3V截止?fàn)顟B(tài)oe飽和狀態(tài)UcESQ飽和壓降Uces硅管0.3V倍管OJV二.BJT電路的分析方法（直流）1.模型分析法（近似估算法）（模擬p5859）例：共射電路如圖，已知三極管為硅管，P=40,試求電路中的直流量設(shè)、Ube、(+12V)UcE。Ic風(fēng)150KC+VBB丁(+6V)、UbeO(+12V)