半導體基礎知識

2.1

半導體的基礎知識2.2

半導體二極管2.3

二極管電路的分析方法2.4

特殊二極管小結2.5

雙極型半導體三極管第2章半導體器件2.1半導體的基礎知識2.1.1本征半導體2.1.2雜質半導體2.1.3

PN結2.1.1

本征半導體半導體—本征半導體—純凈的半導體。如硅、鍺單晶體。載流子

—自由運動的帶電粒子。共價鍵—相鄰原子共有價電子所形成的束縛。導電能力介于導體和絕緣體之間的物質。元素半導體：硅、鍺化合物半導體：砷化鎵摻雜：硼、磷等半導體的重要物理特性是它的電導率，電導率與材料內單位體積中含的電荷載流子的數(shù)量有關。硅(鍺)的原子結構簡化模型慣性核硅(鍺)的共價鍵結構價電子自由電子(束縛電子)空穴空穴空穴可在共價鍵內移動本征激發(fā)：復合：自由電子和空穴在運動中相遇重新結合成對消失的過程。漂移：自由電子和空穴在電場作用下的定向運動。在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。兩種載流子電子(自由電子)空穴兩種載流子的運動自由電子(在共價鍵以外)的運動空穴(在共價鍵以內)的運動

結論：1.本征半導體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少；

2.半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電；

3.本征半導體導電能力弱，并與溫度有關。2.1.2雜質半導體一、N型半導體和P型半導體N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù)

電子數(shù)2.1.2雜質半導體一、N型半導體和P型半導體P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子電子—少子載流子數(shù)

空穴數(shù)二、雜質半導體的導電作用IIPINI=IP+INN型半導體I

INP型半導體

I

IP三、P型、N型半導體的簡化圖示負離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子正離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子PN2.1.3PN結一、PN結(PNJunction)的形成1.載流子的濃度差引起多子的擴散2.復合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡層)空間電荷區(qū)特點:無載流子，阻止擴散進行，利于少子的漂移。內建電場3.擴散和漂移達到動態(tài)平衡擴散電流等于漂移電流，總電流I=0。二、PN結的單向導電性1.外加正向電壓(正向偏置)—forwardbiasP區(qū)N區(qū)內電場外電場外電場使多子向PN結移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。IF限流電阻擴散運動加強形成正向電流IF。IF=I多子I少子

I多子2.外加反向電壓(反向偏置)

—reversebias

P

區(qū)N

區(qū)內電場外電場外電場使少子背離PN結移動，空間電荷區(qū)變寬。IRPN結的單向導電性：正偏導通，呈小電阻，電流較大;

反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運動加強形成反向電流IRIR=I少子

0三、PN結的伏安特性反向飽和電流溫度的電壓當量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當T=300(27C)：UT

=26mVOu

/VI

/mA正向特性反向擊穿加正向電壓時加反向電壓時i≈–IS2.2

半導體二極管1.2.1半導體二極管的結構和類型1.2.2二極管的伏安特性1.2.3二極管的主要參數(shù)2.2.1半導體二極管的結構和類型構成：PN結+引線+管殼=二極管(Diode)符號：A(anode)C(cathode)分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結構分點接觸型面接觸型平面型點接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負極引線負極引線

面接觸型N型鍺PN結

正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極

引線負極

引線集成電路中平面型PNP型支持襯底2.2.2二極管的伏安特性一、PN結的伏安方程反向飽和電流溫度的電壓當量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當T=300(27C)：UT

=26mV二、二極管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD

=0Uth

=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)UUthiD急劇上升0U

Uth

UD(on)

=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V鍺管0.2V反向特性ISU(BR)反向擊穿U(BR)

U0iD=IS<0.1A(硅)

幾十A

(鍺)U<

U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：(Zener)反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。

(擊穿電壓<6V，負溫度系數(shù))雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增?！狿N結未損壞，斷電即恢復?！狿N結燒毀。(擊穿電壓>6V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在6V左右時，溫度系數(shù)趨近零。硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020二極管的電阻根據(jù)電阻的定義R=U/I，可見二極管電阻是隨電壓變化的，所以是非線性電阻。0iD

/mAuD/V但若把電流控制在某小區(qū)域變化，這時的微變電阻則可看作線性的。溫度對二極管特性的影響iD

/mAT

升高時，UD(on)以(22.5)mV/C下降604020–0.0200.4–25–50uD/V20C90C2.2.3二極管的主要參數(shù)1.

IF—

最大整流電流(最大正向平均電流)2.

URM—

最高反向工作電壓，為U(BR)/2

3.

IR

—

反向電流(越小單向導電性越好)4.

fM

—

最高工作頻率(超過時單向導電性變差)iDuDU(BR)IFURMO影響工作頻率的原因—PN結的電容效應

結論：1.低頻時，因結電容很小，對PN結影響很小。高頻時，因容抗減小，使結電容分流，導致單向導電性變差。2.結面積小時結電容小，工作頻率高。2.3

二極管電路的分析方法1.3.1理想二極管及二極管特性的折線近似1.3.2圖解法和微變等效電路法2.3.1理想二極管及二極管特性的折線近似一、理想二極管特性uDiD符號及等效模型SS正偏導通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=二、二極管的恒壓降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)三、二極管的折線近似模型uDiDUD(on)UI斜率1/rDrD1UD(on)UD(on)例2.3.1

硅二極管，R=2k，分別用二極管理想模型和恒壓降模型求出VDD=2V和VDD=10V時IO和UO的值。[解]VDD=2V

理想IO=VDD/R=2/2

=1(mA)UO=VDD=2V恒壓降UO=VDD–UD(on)=20.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2

=0.65(mA)VDD=10V

理想IO=VDD/R=10/2

=5(mA)恒壓降UO=100.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)VDD大，

采用理想模型VDD小，

采用恒壓降模型例2.3.2

試求電路中電流I1、I2、IO和輸出電壓

UO的值。解：假設二極管斷開UP=15VUP>UN二極管導通等效為0.7V的恒壓源PNUO=VDD1

UD(on)=150.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UOVDD2)/R=(14.312)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)例2.3.3二極管構成“門”電路，設V1、V2均為理想二極管，當輸入電壓UA、UB為低電壓0V和高電壓5V的不同組合時，求輸出電壓UO的值。0V正偏導通5V正偏導通0V輸入電壓理想二極管輸出電壓UAUBV1V20V0V正偏導通正偏導通0V0V5V正偏導通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏導通0V5V5V正偏導通正偏導通5V例2.3.5

ui=2sin

t(V)，分析二極管的限幅作用。ui較小，宜采用恒壓降模型ui<0.7VV1、V2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7VV2導通V１截止ui<

0.7VV1導通V2截止uO=0.7V思考題:

V1、V2支路各串聯(lián)恒壓源，輸出波形如何？(可切至EWB)OtuO/V0.7Otui

/V20.7uiudRidrd三、小信號電路分析法對于交流信號電路可等效為例1.3.6

ui

=5sint(mV)，VDD=4V，R=1k，求iD和uD。[解]

1.靜態(tài)分析令ui

=0，取UQ0.7VIQ=(VDDUQ)/R=3.3mA2.動態(tài)分析rd=26/IQ=26/3.38()Idm=Udm/rd=5/80.625(mA)id

=0.625sint3.總電壓、電流=(0.7+0.005sint)V=(3.3+0.625sint)mA2.4

特殊二極管2.4.1穩(wěn)壓二極管2.4.2光電二極管2.4.1穩(wěn)壓二極管一、伏安特性符號工作條件：反向擊穿iZ

/mAuZ/VOUZ

IZmin

IZmaxUZIZIZ特性二、主要參數(shù)1.

穩(wěn)定電壓UZ

流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。2.穩(wěn)定電流IZ

越大穩(wěn)壓效果越好，小于Imin

時不穩(wěn)壓。3.

最大工作電流IZM

最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4.動態(tài)電阻rZrZ

=UZ/IZ越小穩(wěn)壓效果越好。幾幾十5.穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)CTV一般，UZ<4V，CTV<0(為齊納擊穿)具有負溫度系數(shù)；UZ>7V，CTV>0(為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；4V<UZ<7V，CTV很小。例2.4.1

分析簡單穩(wěn)壓電路的工作原理，

R為限流電阻。IR=IZ+ILUO=UI

–IRRUIUORRLILIRIZ2.4.2發(fā)光二極管與光敏二極管一、發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)1.符號和特性工作條件：正向偏置一般工作電流幾十mA，導通電壓(12)V符號u/Vi

/mAO2特性2.主要參數(shù)電學參數(shù)：IFM

，U(BR)

，IR光學參數(shù)：峰值波長P，亮度

L，光通量發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠顯示類型：普通LED，不可見光：紅外光點陣LED七段LED,二、光敏二極管1．符號和特性符號特性uiO暗電流E=200lxE=400lx工作條件：反向偏置2.主要參數(shù)電學參數(shù)：暗電流，光電流，最高工作范圍光學參數(shù)：光譜范圍，靈敏度，峰值波長實物照片2.5雙極型半導體三極管2.5.1晶體三極管2.5.2晶體三極管的特性曲線2.5.3晶體三極管的主要參數(shù)(SemiconductorTransistor)2.5.1晶體三極管一、結構、符號和分類NNP發(fā)射極E基極B集電極C發(fā)射結集電結—基區(qū)—發(fā)射區(qū)—集電區(qū)emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型ECBECB分類：按材料分：硅管、鍺管按功率分：

小功率管<500mW按結構分：NPN、PNP按使用頻率分：低頻管、高頻管大功率管>1W中功率管0.51W1.三極管內部載流子的傳輸過程1)

發(fā)射結BE正偏，發(fā)射區(qū)多子電子向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流

IE。ICNIEIBN基區(qū)空穴來源基極電源提供(IB)集電區(qū)少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO2)電子到達基區(qū)后多數(shù)向BC結方向擴散被集電結內強電場吸引，使其快速漂移過集電結，形成

ICN。少數(shù)與空穴復合，形成

IBN

。二、電流放大原理ICNIEIBNI

CBOIB

3)

集電區(qū)收集漂移過來的載流子形成集電極電流ICICIC=ICN+ICBO2.三極管的電流分配關系當管子制成后，發(fā)射區(qū)載流子濃度、基區(qū)寬度、集電結面積等確定，故電流的比例關系確定，即：IB=I

BN

ICBOIC=ICN+ICBO穿透電流IE=IC+IB通常穿透電流都很小3.三極管放大的條件內部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結面積大外部條件發(fā)射結正偏集電結反偏4.滿足放大條件的三種電路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共發(fā)射極共集電極共基極實現(xiàn)電路:2.5.2晶體三極管的特性曲線一、輸入特性輸入回路輸出回路與二極管特性相似O特性基本重合(電流分配關系確定)特性右移(因集電結開始吸引電子)導通電壓UBE(on)硅管：(0.60.8)V鍺管：

(0.20.3)V取0.7V取0.2V二、輸出特性iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321截止區(qū)：

IB0

IC=ICEO0條件：兩個結反偏截止區(qū)ICEOiC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O246843212.放大區(qū)：放大區(qū)截止區(qū)條件：

發(fā)射結正偏集電結反偏特點：

水平、等間隔ICEOiC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O246843213.飽和區(qū)：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0條件：兩個結正偏特點：IC

IB臨界飽和時：

uCE

=uBE深度飽和時：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(鍺管)放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)ICEO三、溫度對特性曲線的影響1.溫度升高，輸入特性曲線向左移。溫度每升高1C，UBE

(22.5)mV。溫度每升高10C，ICBO

約增大1倍。OT2>T12.溫度升高，輸出特性曲線向上移。iCuCET1iB

=0T2>iB

=0iB

=0溫度每升高1C，

(0.51)%。輸出特性曲線間距增大。O2.5.3晶體三極管的主要參數(shù)一、電流放大系數(shù)1.共發(fā)射極電流放大系數(shù)iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321—直流電流放大系數(shù)

—交流電流放大系數(shù)一般為幾十

幾百QiC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O246843212.共基極電流放大系數(shù)

1一般在0.98以上。

Q二、極間反向飽和電流CB極間反向飽和電流

ICBO，CE極間反向飽和電流ICEO。三、極限參數(shù)1.ICM

—集電極最大允許電流，超過時

值明顯降低。2.PCM—集電極最大允許功率損耗PC=iC

uCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作區(qū)U(BR)CBO

—發(fā)射極開路時C、B極間反向擊穿電壓。3.U(BR)CEO

—基極開路時C、E極間反向擊穿電壓。U(BR)EBO

—集電極極開路時E、B極間反向擊穿電壓。U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO小結第2

章一、兩種半導體和兩種載流子兩種載流子的運動電子—自由電子空穴—價電子兩種半導體N型(多電子)P型(多空穴)二、二極管1.特性—單向導電正向電阻小(理想為0)，反向電阻大()。iDO

uDU(BR)IFURM2.主要參數(shù)正向—最大平均電流IF反向—最大反向工作電壓U(BR)(超過則擊穿)反向飽和電流IR(IS)(受溫度影響)IS3.二極管的等效模型理想模型(大信號狀態(tài)采用)uDiD正偏導通電壓降為零相當于理想開關閉合反偏截止電流為零相當于理想開關斷開恒壓降模型UD(on)正偏電壓UD(on)

時導通等效為恒壓源UD(on)否則截止，相當于二極管支路斷開UD(on)=(0.60.8)V估算時取0.7V硅管：鍺管：(0.10.3)V0.2V折線近似模型相當于有內阻的恒壓源UD(on)4.二極管的分析方法模型法微變等效電路法5.特殊二極管工作條件主要用途穩(wěn)壓二極管反偏穩(wěn)壓發(fā)光二極管正偏發(fā)光光敏二極管反偏光電轉換三、半導體放大器件晶體三極管1.形式與結構NPNPNP三區(qū)、三極、兩結2.特點基極電流控制集電極電流并實現(xiàn)放大放大條件內因：發(fā)射區(qū)載流子濃度高、

基區(qū)薄、集電區(qū)面積大外因：發(fā)射結正偏、集電結反偏3.電流關系IE=IC+IBIC=

IB+ICEO

IE=(1+)

IB+ICEOIE=IC+IBIC=

IB

IE