模电常用半导体器件讲解

1、第一章半导体器件基础1.1 半导体的基本知识1.2 半导体二极管1.3 半导体三极管及模型1.4 场效应管1.1半导体的基本知识在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导 体、绝缘体和半导体。典型的半导体是硅Si和错Ge,它们都是4价元素。硅原子错原子硅和错最外层轨道上的 四个电子称为价电子。一.本征半导体本征半导体一化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%,常称为“九个9”。本征半导体的共价键结构在绝对温度T=OK时,所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱,接近绝缘体。当温度升高或受到光的照

2、射时，束缚 电子能量增高，有 的电子可以挣脱原 子核的束缚，而参 与导电，成为自由电子。°自由电子产生的 同时，在其原来的共 价键中就出现了一个 空位，称为空穴。这一现象称为本征激发，也称热激发。+4+4( +4)空穴自由电子+4).( +4)导电机制可见本征激发同时产生 电子空穴对。外加能量越高（温度 越高），产生的电子空 穴对越多。与本征激发相反的现象复合在一定温度下，本征激 发和复合同时进行，达 到动态平衡。电子空穴 对的浓度一定。 常温300K时：+ 自由电子硅：1.4x10” 3电子空穴对的浓度Am错：2.5x1043载流子自由电子带负电荷电子流 $、空穴带正电荷空穴流,忌

3、电流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。二.杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的 半导体称为杂质半导体。1. N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例 如磷，神等，称为N型半导体。N型半导体电子空穴对自由电子硅原子.但）三叵£多数载流子. N型半导体 '©©©Ql°OeOee ©自由电子施主砺少数载流子空穴2.P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、像等。电子空穴对t p型半导体0° O° ©° 011; 0°。

4、1 QO QO QO QO 住主离子多数载流子空穴 少数载流子自由电子杂质半导体的示意图多子二空穴多子一电子N型半导体P型半导体。e°。0°。Q55 ©e少子一空穴少子一电子少子浓度多子浓度与温度有关与温度无关三.PN结及其单向导电性1.PN结的形成PN结合f因多子浓度差-多子的扩散t空间电荷区f形成内电场 T阻止多子扩散，促使少子漂移。内电场Ep型半.导体空间电荷区N型半导体0° ©° ©°°；。QO：Q Q° O° 0cIGO。耗尽层少子漂移电流多子扩散电流补充耗尽层失去的多子，耗

5、尽层窄，E |少子飘移.一多子扩散动画演示又失去多子，耗尽层宽，E t内电场EP型半导体 耗尽层N型半导体Q° ©°p © G。O多子扩散电流少子漂移电流 动态平衡： 扩散电流=漂移电流总电流=0势垒U。一盟；2. PN结的单向导电性 加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场一耗尽层变窄一扩散运动漂移运动 一多子扩散形成正向电流P型半导体 空间电荷区N型半导体 QOQOqqIqo。'；。I 春.内电场ENlEwR 加反向电压电源正极接N区，负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场

6、一耗尽层变宽一漂移运动扩散运动一少子漂移形成反向电流/ R在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是3 9= O内电场E空间电荷区一定的，故/R基本上与外 加反压的大小无关，所以 称为反向饱和电流。但/r 与温度有关。具有较大的正向 PN结导通；具有很小的反向 PN结截止。漂移电流，呈现高电阻,3.PN结的伏安特性曲线及表达式根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图热击穿烧坏PN结PN结加正向电压时, 扩散电流，呈现低电阻, PN结加反向电压时,由此可以得出结论：PN结具有单向导 电性。根据理论分析:u/si - 1)i为流过PN结的电流，s为反向饱和电流 UT =kT/q称为温度的电压当量当&

7、gt;0时 e%»l. T %丁i « /sez T当 vou»u 1 时 e << i为PN结两端的电压降其中A为玻耳兹曼常数1.38X10-23夕为电子电荷量L6X 10-9T为热力学温度对于室温（相当T=300K）贝IJ有=26 mVo4.PN结的电容效应 PN结具有一定的电容效应，称为结电容（Cj）,数值 较小，在中低频时，可视为开路，但在高频时，它的 影响不可忽略，可造成反向漏电，破坏单向导电性。 结电容由两种电容组成，一是势磊电容 Cb,二是扩散电容Cd Cj= Cb+Cd 1）势磊电容CB,其数值约为儿皮法至12百皮法。空 间电荷层的厚薄

8、的变化所等效的电容。与电容的充放 电类似。4.PN结的电容效应 2）扩散电容Cd 是多子作扩散运动时的积累所造成的电容效应。 所有点电容的集合称为扩散电容。 Cd的值在十儿皮法至数千皮法。 PN结正偏时，主要是扩散运动，所以结 电容主要由Cd决定，而反偏时，阻挡层变厚，结 电容主要有CB决定。1. 2半导体二极管结构二极管=PN结+管壳+引线N符号阳极阴极二极管按结构分三大类:(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。金属触丝正极引线外壳负极引线N型错(2)面接触型二极管PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。正极引线负极引线用于集成电路制造工艺中。 PN结面积可

9、大可小，用 于高频整流和开关电路中。平面型二极管负极引线半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下:2AP9I1一 用数字代表同类器件的不同规格。一 代表器件的类型，p为普通管，z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge, B为P型Ge, C为N型Si, D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。-、半导体二极管的vA特性曲线一极管的主要短管长期连续工（1）最大整流电流Af作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。反向击穿电压Uhk7反向电流4_“ 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压Urr O在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管

10、的反向电流一般在纳安（nA）级；错二极三.二极管的简易测试用万用表（RxlOO或RxlK）测试:将万用表的红黑表笔分别接二极管两端,若测得阻值小，再将红黑表笔对调测试，测得电阻值大, 则表明二极管完好且阻值小的那次测量中（导通）万 用表黑表笔所连那端为正极（阳极），红表笔所连为 二极管负极（阴极）；若两次测量阻值都很小，则管子短路；都很大时则管子断路，此两种情况管子都已损坏。四二极管使用注意事项1、二极管应按照用途、参数及使用环境选 择；2、使用二极管注意极性，二极管承受的电流电压等不能超过手册规定极限值;3、焊接小功率二极管时用的电烙铁应用35W以下的，焊接要迅速，且至少离外壳端面2mm五.

11、特殊二极管+Uz限流电阻反偏电压NUz,) 反向击穿U1.稳压二极管：应用在反向击穿区的特殊二极管当稳压二极管工作在 反向击穿状态下，工作 电流Iz在Izmax和Izmin 之间变化时，其两端电 压近似为常数稳压二极管的主要参数（1）稳定电压心在规定的稳压管反向工作电流。下，所对应的反向工作电压。动态电阻也rz =At/ /A/万愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。（3）最小稳定工作电流，Zmin保证稳压管击穿所对应的电流，若%V（4）最大稳定工作电流Zzma、超过，zmax稳压管会因功耗过大而烧坏oU2 .发光二极管1）普通发光二极管2）红外线发光二极管3）激光发光二极管3 .光电二极管4 .变

12、容二极管1.3半导体三极管及模型半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行,此，还被称为双极型晶体(Bipolar Junction Transistor,简称BJT) oB JT是由两个PN结组成的o一.BJT的结构NPN型发射结集电结符号:三极管的结构特点:PNP型b(1)发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。(2)基区要制造得很薄且浓度很低。二.BJT的分类1)按结构分：NPN管和PNP管;2)按制作材料分：硅管和错管;3)按工作频率分：高频管和低频管;4)按功率大小分：大、中、小功率管;5)按工作状态分：放大管和开关管三,BJT的内部工作原理(NPN管)三极管

13、在工作时要 加上适当的直流偏 置电压。若在放大工作状态：发射结正偏：由Vbb保证 集电结反偏： 由Vcc、Vbb保证Ucb=Uce- Ube > 01 . BJT内部的载流子传输过程(1)因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子，形成了扩散电流同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为，EP。但其数量小,可忽略。所以发射极电流/e'/en。Ik(2)发射区的电子注 入基区后，变成了少数载人b 流子。少部分遇到的空穴 vBB. 复合掉，形成/bn。所以基 极电流/b'/bn。大部分 到达了集电区的边缘。2 .电流分配关系定义： a =组-1e其值的大小约为0.9-0

14、. 99o1c与品之间的关系：，C -C，e+，cbox aleRbI cVbb-所以：a xj三个电极上的电流关系：ZE =/c+，b，C与，B之间的关系:联点以下两式：C=a'E+/cBOI E=，c+ / B得，（：=。4：+人取）=。（般+。）+，CB。 rn°FM N得：般=66十，CEO H 01b四.BJT的特性曲线（共发射极接法）（1）输入特性曲线（1） ce=°V时，相当于两个PN结并联。（2）当ce=W时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复 合减少，在同一BE电压下，？B减小。特性曲线将向右稍微移动一些。（3） “ceNIV再增加时，

15、曲线右移很不明显。(2)输出特性曲线HAce)I ig=const现以iB=60uA一条加以说明。(1)当ce=OV时，因集电极无收集作用，达=0。(2) CE T T，c T。(3)当 CE>1V 后， 收集电子的能力足够强。 这时，发射到基区的电 子都被集电极收集，形 成所以 CE再增加， ，C基本保持不变。同理，可作出%=其他值的曲线。输出特性曲线可以分为三个区域：ce<0.7Vo饱和区Zc受 CF显著控制的区域，该区域内 此时发射结正偏，集电结也正偏。截止区Zc接近零的区域，相当，B=O的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区饱和区'c (mA)A/c=

16、M/b曲线基本平行等 距。此时，发 射结正偏，集电 结反偏。该区中有：放大区=100uA% =8 OuA% =60uA% =4 OuA=2 OuA-ZB=O(V)截止区五.BJT的主要参数Azc _ (2.3-1.5)mA _A = "(60 40)A =一般取 20200之间(2)共基极电流放大系数:错管：/CB。为微安数量级，硅管：，CBO为纳安数量级。,CEO2 .极间反向电流(1)集电极基极间反向饱和电流，CBO发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。 它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。(2)集电极发射极间的穿 透电流ZcEO基极开路时，集电极到

17、发射 极间的电流穿透电流。其大小与温度有关。/CBO=(1 + /?)/cBO3 .极限参数(1)集电极最大允许电流/cm人增加时，尸要下降。当分值下降到线性放大区廊的70%时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流及加。(2)集电极最大允 许功率损耗Pcm集电极电流通过集 电结时所产生的功耗，Pc= / JcE V PcM(3)反向击穿电压BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种:U(br)ebo集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大 反向电压。其值一般几伏十几伏。 U (BR) CBO发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏几百伏。V (BR) CEO基极开路 时，集电极与发射极之间:大反向电压。在实际使用时，还有 U (BR) CER' U(BR)CES 等击穿电压。t4BRjCBO/Ubr)eboUbr)ceo六.三极管的模型及分析方法.BJT的模型.非线性器件直流模型b o-=，cOc放大状态pD发射结导通压降Ud硅管U.7V褚管0.3V截止状态o e饱和状态UcESQ饱和压降Uces硅管0.3V倍管OJV二.BJT电路的分析方法（直流）1.模型分析法（近似估算法）（模拟p5859）例：共射电路