第1章半導體器件

模擬電子技術(shù)選用教材：模擬電子技術(shù)基礎（第四版）作者：華成英童詩白高等教育出版社主講人：汪瑾（電子與信息工程學院）典型習題一、已知各極電位，判定工作狀態(tài)第一章常用半導體器件主要內(nèi)容：1.半導體的基本知識2.常用半導體器件

（1）二極管（2）三極管（3）場效應管§1.1半導體的基本知識1.1.1本征半導體一、半導體A光敏和熱敏特性B摻雜特性二、本征半導體導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。

純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體。性質(zhì)：現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。Si硅原子Ge鍺原子1、本征半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4除去價電子后的正離子完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體，稱為本征半導體。本征半導體的導電能力很弱。2、本征半導體的導電機理(1)載流子載流子：可以運動的帶電粒子。在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有載流子，它的導電能力為0，相當于絕緣體。本征激發(fā)：在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。+4+4+4+4空穴失去帶負電的電子，相當于帶等量的正電荷；空穴吸引附近的束縛電子來填補，這樣的結(jié)果相當于空穴的遷移。因此空穴相當于可以運動的正電荷，故可視為載流子。+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴，故稱電子空穴對。1.1.2雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。

按照摻入的雜元素不同，雜質(zhì)半導體可分為：N型半導體P型半導體N型半導體多余電子+符號SiPSiSi硅或鍺+少量磷N型半導體空穴P型半導體符號SiSiSiB硅或鍺+少量硼P型半導體雜質(zhì)半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體空穴：多子自由電子：少子++++++++++++++++++++++++N型半導體自由電子：多子空穴：少子一、PN結(jié)的形成在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。1.1.3PN結(jié)載流子的兩種運動方式：漂移：載流子在電場內(nèi)所做的定向運動。擴散：載流子由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的運動。P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓（正向偏置）：P區(qū)加正、N區(qū)加負電壓（P區(qū)電位高于N區(qū)電位）。PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）：P區(qū)加負、N區(qū)加正電壓（P區(qū)電位低于N區(qū)電位）。PN結(jié)正向偏置－－－－++++內(nèi)電場減弱，使擴散加強，擴散飄移，正向電流大空間電荷區(qū)變薄PN+_正向電流PN結(jié)反向偏置－－－－++++空間電荷區(qū)變厚NP+_++++－－－－內(nèi)電場加強，使擴散停止，有少量飄移，反向電流很小反向飽和電流很小，A級三、PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)的電流方程其中：UT——溫度的電壓當量uD——外加電壓IS——反向飽和電流PN結(jié)的伏安特性當外加正向電壓，uD>>UT時，，PN結(jié)為正向?qū)顟B(tài)。當外加反向電壓，uD>>UT時，，PN結(jié)為反向截止狀態(tài)。PN結(jié)的反向擊穿當PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。

雪崩擊穿齊納擊穿

電擊穿——可逆熱擊穿——不可逆雪崩擊穿在材料摻雜濃度較低的PN結(jié)中，當PN結(jié)反向電壓增加時，空間電荷區(qū)中的電場隨著增強。這樣，通過空間電荷區(qū)的電子和空穴，就會在電場作用下獲得的能量增大，在晶體中運動的電子和空六將不斷地與晶體原子又發(fā)生碰撞，當電子和空穴的能量足夠大時，通過這樣的碰撞的可使共價鍵中的電子激發(fā)形成自由電子–空穴對。新產(chǎn)生的電子和空穴也向相反的方向運動，重新獲得能量，又可通過碰撞，再產(chǎn)生電子–空穴對，這就是載流子的倍增效應。當反向電壓增大到某一數(shù)值后，載流子的倍增情況就像在陡峻的積雪山坡上發(fā)生雪崩一樣，載流子增加得多而快，這樣，反向電流劇增，PN結(jié)就發(fā)生雪崩擊穿。

利用該特點可制作高反壓二極管。

PN結(jié)的雪崩擊穿示意圖齊納擊穿在材料摻雜濃度較高的PN結(jié)中，在加有一定的反向電壓下，PN結(jié)空間電荷區(qū)中存一個強電場，它能夠破壞共價鍵，將束縛電子分離出來造成電子–空穴對，形成較大的反向電流，發(fā)生齊納擊穿。利用該特點可制作穩(wěn)壓二極管。四、PN結(jié)的電容效應P+-N勢壘電容：耗盡層是積累空間電荷的區(qū)域，當外加反向電壓時，就會引起耗盡層的空間電荷的變化，相當于電容的充放電，稱為勢壘電容擴散電容：當外加正向電壓時，注入P區(qū)的少子（電子）在P區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流越大，積累的電荷就越多。這樣所產(chǎn)生的電容效應稱擴散電容電容效應會影響PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.2.1結(jié)構(gòu)與符號PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導體二極管。PNPN符號陽極陰極§1.2半導體二極管1.2.2伏安特性UI導通壓降UD:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)開啟電壓（死區(qū)電壓）Uon:硅管0.5V,鍺管0.2V。UIE+-反向漏電流(很小，A級)（3）靜態(tài)電阻Rd，動態(tài)電阻rDUQIQUS+-R靜態(tài)工作點Q（UQ，IQ）（3）靜態(tài)電阻Rd，動態(tài)電阻rD靜態(tài)電阻：Rd=UQ/IQ

（非線性）動態(tài)電阻：rD=UQ/

IQ在工作點Q附近，動態(tài)電阻近似為線性，故動態(tài)電阻又稱為微變等效電阻iuIQUQQIQUQ1.2.3主要參數(shù)1.最大整流電流IF：2.反向擊穿電壓URJ：3.反向電流IR：二極管長期運行時允許流過的最大電流。

4.最高工作頻率fM：不影響單向?qū)щ娦缘纳舷藿刂诡l率。例1：二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降＝0.7V(硅管)理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0

RLuiuOuiuott二極管半波整流例2：二極管的應用(設RC時間常數(shù)很?。㏑RLuiuRuotttuiCuRuo1.2.4穩(wěn)壓二極管IZmax穩(wěn)壓二極管符號UIUZIZ穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin當穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,當工作電流IZ在Izmax和

Izmin之間時,其兩端電壓近似為常數(shù)正向同二極管穩(wěn)定電流穩(wěn)定電壓例：穩(wěn)壓二極管的應用RLuiuORDZiiziLUZ穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負載電阻RL=2k，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200。若負載電阻變化范圍為1.5k~4k，是否還能穩(wěn)壓？RLuiuORDZiiziLUZUZW=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)

iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）負載變化,但iZ仍在12mA和2mA之間,所以穩(wěn)壓管仍能起穩(wěn)壓作用§1.3半導體三極管1.3.1基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型BECNPN型三極管BECPNP型三極管符號：NPNCBEPNPCBEBECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：很薄，摻雜濃度最低集電區(qū)：面積最大，摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極+++++++++++++__________________________+++++++++++++1.3.2電流放大原理BECNNPEBRBEc發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。IE1進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IB，多數(shù)擴散到集電結(jié)。IB＋＋＋－＋－－－＋＋＋＋－－－－BECNNPEBRBEcIE從基區(qū)擴散來的電子漂移進入集電結(jié)而被收集，形成IC。IC2ICIB＋＋＋－＋－－－＋＋＋＋－－－－要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。共射直流電流放大倍數(shù)（靜態(tài)）電流放大倍數(shù)=IC/

IBIC=IB共射交流電流放大倍數(shù)（動態(tài)）IB：IB+IBIC：IC+IC=IC/

IBIC=

IB一般認為：

=，=20~1001.3.3特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBUSCUSB

實驗線路(共發(fā)射極接法)CBERCIB與UBE的關系曲線（同二極管）（1）輸入特性:UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE=0VUCE=0.5V工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.4V。

死區(qū)電壓硅管0.5V，鍺管0.2V。（2）輸出特性（IC與UCE的關系曲線）IC(mA)1234UCE(V)3691240A60AQQ’=IC/

IB=2mA/40A=50=IC/

IB

=(3-2)mA/(60-40)A=50=IC/

IB=3mA/60A=50輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A放大區(qū)當UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關，IC=IB,且

IC=

IB飽和區(qū)UCEUBE，集電結(jié)正偏IB>ICUCE0.3V截止區(qū)IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓輸出特性三個區(qū)域的特點:(1)放大區(qū)

IC=IB,且

IC=

IB，BE結(jié)正偏，BC結(jié)反偏(2)飽和區(qū)

IC達飽和，IC與IB不是倍的關系，IB>IC。BE結(jié)正偏，BC結(jié)正偏，即UCEUBE

（UCE0.3V，UBE0.7V）

(3)截止區(qū)

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO0（ICEO穿透電流，很小，A級）

1.3.3主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)

1）共射極電流放大系數(shù)：

β≈IC/IB≈△iC/△iB≈β

實際電路使用時一般采用β=30－80的BJT作為放大管。

2）共基極電流放大系數(shù)

α≈IC/IE≈△iC/△iE≈α2.極間反向電流1）C-B極反向飽和電流ICBOE極開路，C、B極間的反向飽和電流硅管小于鍺管，而且受溫度影響較大。應用時選用ICBO較小的BJT。2）C-E極反向飽和電流ICEO

B極開路時，C-E極間的穿透電流 有ICEO=(1+β)ICBO3.特征頻率fT由于結(jié)電容的作用，信號頻率增大會使β下降并產(chǎn)生相移。使β下降為1時的信號頻率稱為特征頻率fT

。應盡量選用fT較高的BJT。4.極限參數(shù)：a)集電極最大允許電流ICMb)集電極最大允許功耗PCMc)極間反向擊穿電壓UCBO:大小可從幾十至上千伏。UCEO:與ICEO相關，UCEO<<UCBO。UEBO:大小從1/10~10VICUCE安全工作區(qū)ICUCE=PCMU(BR)CEO1.2.4.溫度對特性的影響1.溫度對ICBO的影響溫度每升高10℃時,ICBO約增加一倍。2.溫度對輸入特性的影響溫度升高，輸入特性曲