電子電路基礎(chǔ)第1章-半導(dǎo)體元器件

1、第一章：半導(dǎo)體元器件半導(dǎo)體的特性第一節(jié)：半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識物質(zhì)的導(dǎo)電性能決定于原子結(jié)構(gòu)的最外層電子：導(dǎo)體一般為低價元素絕緣體一般為高價元素或高分子物質(zhì)常用的半導(dǎo)體材料均為四價元素半導(dǎo)體之所以能被用來制造電子元器件，不在于其導(dǎo)電能力處于導(dǎo)體和絕緣體之間，而在于其導(dǎo)電能力在外界某種因素作用下會發(fā)生顯著的變化：摻雜熱敏效應(yīng)光電效應(yīng)本征半導(dǎo)體中的共價鍵結(jié)構(gòu)第一節(jié)：半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識沒有雜質(zhì)且晶體結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體被稱為本征半導(dǎo)體在晶體中，每兩個原子都公用一對價電子，形成共價電子對，這種結(jié)構(gòu)稱為共價鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中的兩種載流子(一)第一節(jié)：半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識在熱力學(xué)溫度為0K且無外界其它因素激發(fā)時，價電子全部束縛在共價

2、鍵內(nèi)在溫度升高，價電子獲得的熱能足夠大時，便能掙脫原子束縛而成為自由電子(帶負(fù)電)，并在原共價鍵處留下一個帶正電的空位，即“空穴”半導(dǎo)體中的兩種載流子(二)第一節(jié)：半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識在沒有外加電場時，自由電子和空穴在晶體中做無規(guī)律的運動在加有外加電場后，自由電子和空穴都在電場作用下做定向運動，對外部顯現(xiàn)電流自由電子和空穴都是載運電流的粒子，統(tǒng)稱為載流子本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴成對產(chǎn)生，相應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為激發(fā)；自由電子也會釋放能量進(jìn)入有空位的共價鍵，二者同時消失，相應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為復(fù)合本征半導(dǎo)體中載流子濃度的決定因素雜質(zhì)半導(dǎo)體-N型半導(dǎo)體第一節(jié)：半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識在本征半導(dǎo)體中摻入少量的五價元素，使每

3、一個五價元素取代一個四價元素在晶體中的位置，即可形成N型半導(dǎo)體此時的雜質(zhì)元素很容易貢獻(xiàn)出自由電子，而形成正離子，故稱為“施主雜質(zhì)”N型(電子型)半導(dǎo)體中自由電子居多數(shù)，故稱為“多數(shù)載流子”(多子)；空穴被稱為“少數(shù)載流子”(少子)雜質(zhì)半導(dǎo)體-P型半導(dǎo)體第一節(jié)：半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識在本征半導(dǎo)體中摻入少量的三價元素，即可形成P型半導(dǎo)體此時的雜質(zhì)元素很容易貢獻(xiàn)出空位。在該空位被自由電子或鄰近原子的價電子填補(bǔ)后，雜質(zhì)原子成為正離子，故稱為“受主雜質(zhì)”P型(空穴型)半導(dǎo)體中空穴居多數(shù)，故稱為“多數(shù)載流子”(多子)；自由電子被稱為“少數(shù)載流子”(少子)半導(dǎo)體內(nèi)的電流第一節(jié)：半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體中除了自由電子運動

4、形成電流以外，還有空穴運動形成電流。空穴運動實際上是價電子運動半導(dǎo)體中的載流子運動包括兩種：由于電場直接作用而形成載流子移動的電流稱為漂移電流由于載流子濃度差而形成載流子移動的電流稱為漂移電流半導(dǎo)體中的電流是以上兩種電流之和PN結(jié)的形成第二節(jié)：PN結(jié)對同一塊半導(dǎo)體，一端摻入受主雜質(zhì)，成為P型半導(dǎo)體；另一端摻入施主雜質(zhì)，成為N型半導(dǎo)體。這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體緊密地接觸在一起，并在接觸處保持晶格的連續(xù)性，這樣就在接觸面形成一個PN結(jié)PN結(jié)的勢壘(一)第二節(jié)：PN結(jié)兩個區(qū)內(nèi)的多子均擴(kuò)散至對方區(qū)域內(nèi)形成非平衡載流子，并因為復(fù)合而不斷減少。擴(kuò)散過程即產(chǎn)生擴(kuò)散電流擴(kuò)散后在原區(qū)域內(nèi)形成空間電荷區(qū)，該區(qū)域由不能移動

5、的正、負(fù)離子構(gòu)成空間電荷區(qū)阻礙載流子的擴(kuò)散(故也稱為勢壘區(qū))，但會產(chǎn)生漂移電流PN結(jié)的勢壘(二)第二節(jié)：PN結(jié)擴(kuò)散運動使勢壘區(qū)加厚，當(dāng)擴(kuò)散電流等于漂移電流時，勢壘寬度達(dá)到穩(wěn)定，從而形成動平衡勢壘區(qū)的載流子濃度遠(yuǎn)小于非勢壘區(qū)，故被稱為耗盡區(qū)，亦被稱為高阻區(qū)勢壘區(qū)形成后，兩種電特性的半導(dǎo)體之間便產(chǎn)生了電位差。平衡狀態(tài)下，勢壘有一確定的高度，決定于半導(dǎo)體材料和溫度PN結(jié)外加直流(緩變)正向電壓時的電流第二節(jié)：PN結(jié)外加電壓的極性與勢壘的極性相反兩個區(qū)的多子均趨向勢壘區(qū)，并與該區(qū)的部分正、負(fù)離子中和，從而使得勢壘降低勢壘降低后形成了較大的擴(kuò)散電流此時的外加電壓稱為正向電壓，正向電壓下的電流稱為正向電流

6、，正向電流隨正向電壓的增大而增大PN結(jié)外加直流(緩變)反向電壓時的電流第二節(jié)：PN結(jié)外加電壓的極性與勢壘的極性相同在外加電壓作用下，勢壘區(qū)加厚，勢壘增高勢壘增高后，擴(kuò)散電流減小(到0)；漂移電流基本不隨外加電流而變此時的外加電壓稱為反向電壓，反向電壓下的電流稱為反向電流，反向電流不隨反向電壓的大小而變，故稱為反向飽和電流PN結(jié)的伏安特性第二節(jié)：PN結(jié)PN結(jié)的伏安特性指通過PN結(jié)的電流與加在其上的電壓之間的關(guān)系：熱電壓室溫下，PN結(jié)的溫度特性第二節(jié)：PN結(jié)溫度升高時：反向飽和電流增大溫度每升高10，反向飽和電流加倍勢壘下降溫度每升高1，勢壘降低約2mVPN結(jié)單向?qū)щ娦钥偨Y(jié)：無外加電壓時，結(jié)內(nèi)擴(kuò)散

7、電流與飄移電流形成動平衡，總電流為0正偏時勢壘降低，擴(kuò)散電流及總電流隨偏壓升高而增大反偏時勢壘增高，擴(kuò)散電流隨偏壓升高而減小并趨于0，總電流趨于不變PN結(jié)具有滿足指數(shù)規(guī)律的伏安特性PN結(jié)的溫度特性第三節(jié)：二極管將PN結(jié)用外殼封裝起來，并加上電極引線，即形成PN結(jié)正極負(fù)極根據(jù)材料和工藝的不同，相應(yīng)制成的二極管具有不同的特性和適用范圍二極管的特性：綜述第三節(jié)：二極管可用特性曲線表示法、解釋式表示法和參數(shù)表示法來定量說明電子器件特性理想PN結(jié)伏安特性與實際二極管特性的區(qū)別：當(dāng)電流大時，應(yīng)考慮施加在二極管體電阻和引線電阻上的電壓在反向電壓下，應(yīng)考慮由于封裝工藝不理想而存在的微小漏電流，從而反向電流將隨

8、反向電壓的增大而增加二極管的特性：伏安特性曲線第三節(jié)：二極管在正向小電流狀態(tài)，符合指數(shù)規(guī)律，存在導(dǎo)通電壓在正向大電流狀態(tài)，曲線接近直線反向電壓不大時，存在漏電流齊納擊穿雪崩擊穿反向電壓超過某一值時出現(xiàn)擊穿，相應(yīng)電壓即為擊穿電壓二極管的特性：二極管的電阻第三節(jié)：二極管在確定二極管等效電阻時：必須考慮二極管的工作狀態(tài)及工作點必須將微變電阻和直流電阻區(qū)別開來直流電阻室溫下，有微變電阻故：二極管為非線性電阻正向電阻隨工作點電流增大而減小正向直流電阻大于微變電阻二極管的特性：二極管的主要參數(shù)第三節(jié)：二極管指反向電流明顯增大，超過某規(guī)定值時的反向電壓反向擊穿電壓正向直流電壓指在工作額定電流下的直流電壓正向

9、導(dǎo)通平均耗散功率指正向?qū)〞r二極管兩端電壓與通過電流乘積的平均值二極管的特性：二極管的SPICE模型參數(shù)第三節(jié)：二極管SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)中二極管的主要參數(shù)如下表所示：特種二極管：穩(wěn)壓二極管第三節(jié)：二極管穩(wěn)壓二極管利用PN結(jié)的反向擊穿特性而制成。除用于穩(wěn)壓電源和限幅電路外，還用于要求直流電阻遠(yuǎn)大于微變電阻的場合主要參數(shù)：穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電流額定功耗微變電阻特種二極管：肖特基二極管第三節(jié)：二極管肖特基(Schottky)二極管是由金屬-硅結(jié)構(gòu)成的二極管，其正極是金屬，負(fù)極是N型硅肖特基二極管的伏安特性與P

10、N結(jié)類似，區(qū)別在于：肖特基二極管適用于高速高頻電路肖特基二極管的正向?qū)妷汉头聪驌舸╇妷壕^低肖特基二極管的體電阻小于普通二極管特種二極管：光電二極管第三節(jié)：二極管利用光電效應(yīng)及某些半導(dǎo)體材料可在自由電子與空穴復(fù)合時發(fā)光的特性，可制成光電二極管發(fā)光二極管(LED)：將電能轉(zhuǎn)換成光能光敏二極管(Photodiode)：將光能轉(zhuǎn)換成電能三極管的結(jié)構(gòu)和符號第四節(jié)：三極管三個摻雜區(qū)、三個電極、兩個PN結(jié)結(jié)構(gòu)特點：基區(qū)很薄，摻雜濃度很低發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高集電區(qū)的面積比發(fā)射區(qū)的面積大很多三極管符號中的箭頭方向是由P型半導(dǎo)體指向N型半導(dǎo)體三極管的工作狀態(tài)第四節(jié)：三極管根據(jù)三極管兩個PN結(jié)電壓的不同，可將三

11、極管的工作狀態(tài)分為四類，如下表所示：在不同狀態(tài)下管子的性能有顯著不同PN結(jié)的外加電壓稱為偏壓，相應(yīng)的電流稱為電流；正向偏壓簡稱正偏，反向偏壓簡稱反偏放大狀態(tài)下的三極管：直流靜態(tài)電流第四節(jié)：三極管發(fā)射區(qū)的載流子發(fā)射過程基區(qū)的載流子擴(kuò)散和復(fù)合過程集電區(qū)的載流子收集過程可通過基區(qū)的少子密度曲線來定性分析三個極的電流放大狀態(tài)下的三極管：結(jié)電壓變化對電流的影響第四節(jié)：三極管當(dāng)固定集電結(jié)電壓，改變發(fā)射結(jié)正向電壓時的情況當(dāng)固定發(fā)射結(jié)電壓，改變集電結(jié)電壓時的情況集電結(jié)電壓的調(diào)寬(基區(qū)調(diào)寬)效應(yīng)對于工作在放大狀態(tài)下的三極管來說，發(fā)射結(jié)電壓對電流的控制能力要比集電結(jié)電壓對電流的控制能力強(qiáng)得多放大狀態(tài)下的三極管：截

12、止?fàn)顟B(tài)下的三極管第四節(jié)：三極管注意：雖然在理論上的臨界情況是發(fā)射結(jié)電壓為0，但實際上當(dāng)發(fā)射結(jié)正向電壓還未減到0時，越過發(fā)射結(jié)擴(kuò)散至基區(qū)的載流子就已經(jīng)很少了。此時器件的工作狀態(tài)實際上接近截止放大狀態(tài)下的三極管：飽和狀態(tài)下的三極管第四節(jié)：三極管注意：雖然在理論上的臨界情況是集電結(jié)電壓為0，但實際上當(dāng)集電結(jié)加有不大的正向電壓時，由于從集電區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散的載流子很少，結(jié)電壓對電流的控制作用和放大狀態(tài)更為接近放大狀態(tài)下的三極管：倒置狀態(tài)下的三極管第四節(jié)：三極管倒置狀態(tài)下管內(nèi)少子的運動規(guī)律及電流受結(jié)電壓的控制規(guī)律和放大狀態(tài)類似，但也存在不同：發(fā)射極面積遠(yuǎn)比集電極面積小，收集電子的能力比集電結(jié)差很多復(fù)合電流在

13、總電流中所占的比例相對放大狀態(tài)大很多三極管電流與電壓關(guān)系的重要特點第四節(jié)：三極管三極管外加電壓對電流的控制的機(jī)理不同于導(dǎo)體中電壓對電流的控制PN結(jié)外加足夠大的反向電壓時可使擴(kuò)散電流消失；正常運用時，PN結(jié)外加正向電壓時一般并不能達(dá)到使反向漂移電流消失的程度由于管內(nèi)同時有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電，故稱為雙極型管當(dāng)PN結(jié)被加上不大的正向電壓(小于文獻(xiàn)中所稱的導(dǎo)通電壓 )時，擴(kuò)散作用十分微弱，這就使得理論上的放大狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)的分界線、放大狀態(tài)與飽和狀態(tài)的分界線與實際情況有所不同共基極放大電路的放大作用第四節(jié)：三極管輸入回路與輸出回路以基極為公共電極，故為共基極放大電路分析可知，該電路：當(dāng)輸出回

14、路所接的負(fù)載電阻足夠大時，具有同相電壓放大作用沒有電流放大作用共發(fā)射極放大電路的放大作用第四節(jié)：三極管輸入回路與輸出回路以發(fā)射極為公共電極，故為共發(fā)射極放大電路分析可知，該電路：當(dāng)輸出回路所接的負(fù)載電阻足夠大時具有反相電壓放大作用，但略小于共基極放大電路有電流放大作用三極管的放大作用：結(jié)論第四節(jié)：三極管器件必須工作于放大狀態(tài)，即發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏為使電路有電流放大作用，輸入信號電流必須是基極電流為使電路有電壓放大作用，輸入信號電壓必須施加于正偏的發(fā)射結(jié)；輸出信號必須取自反偏的集電結(jié)輸出端所接的用于提取電壓信號的負(fù)載電阻的值應(yīng)足夠大三極管的共發(fā)射極輸出特性曲線簇第四節(jié)：三極管當(dāng)輸出電壓 較大

15、時， 增大，電流略有增大，但變化不大基區(qū)調(diào)寬效應(yīng)歐拉電壓當(dāng)輸出電壓 較小時，電流 急劇減小，這是由于器件進(jìn)入飽和區(qū)所致三極管的共發(fā)射極輸入特性曲線簇第四節(jié)：三極管 時，集電結(jié)與發(fā)射結(jié)加上同樣大小的正向電壓，代表器件進(jìn)入飽和區(qū) 時，代表器件處于放大區(qū)。由于此時 的變化對電流影響小，故用一條曲線就可近似代表整個放大區(qū)的情況三極管的電流放大系數(shù)(一)第四節(jié)：三極管共發(fā)射極電流放大系數(shù)集電極電流與基極電流之比又分為直流放大系數(shù)和交流(微變，短路)放大系數(shù)共基極電流放大系數(shù)共基極時集電極電流與發(fā)射極電流之比也分為直流放大系數(shù)和交流(微變，短路)放大系數(shù)三極管的電流放大系數(shù)(二)第四節(jié)：三極管 與 的關(guān)系：直流電流放大系數(shù)也有上述接近關(guān)系需要注意兩者的取值范圍從輸出特性曲線簇求取三極管的電流參數(shù)第四節(jié)：三極管集電結(jié)反向飽和電流是發(fā)射極開路時集電結(jié)加反向電壓，流過集電極與基極的電流與二極管反向飽和電流的特點相同穿透電流此時集電結(jié)被加上反向電壓，發(fā)射結(jié)被加上正向電壓推導(dǎo)可得，此時有：三極管的輸入電阻第四節(jié)：三極管共發(fā)射極連接時的輸入電阻此處主要討論交流(微變)等效電阻推導(dǎo)可得：共基極連接時的輸入電阻可根據(jù)共發(fā)射極連接時的輸入電阻導(dǎo)出：三極管的輸出交流電阻