模拟电子技术基础-第1章-常用半导体器件

1、第1章 常用半导体器件1.1 半导体基础知识1.2 半导体二极管2021/9/121作业1.2（一个二极管的计算，二极管的直流模型）1.3（一个二极管的计算，二极管的直流模型）1.4（二极管的交流模型）1.6（稳压管的计算）2021/9/1221.1 半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结的形成及其单向导电性五、PN结的电容效应四、PN结的电流方程和伏安特性2021/9/123一、本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。无杂质稳定的结构本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？ 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场

2、作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。 半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。2021/9/1242、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。束缚电子外加电场方向2021/9/125空穴直

3、接描述束缚电子的运动不太方便用我们假想的（自然界不存在的）、带正电的、与束缚电子反方向运动的那么一种粒子来描述束缚电子的运动比较方便，这种粒子起名叫做“空穴”2021/9/126载流子 外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。2021/9/127半导体导电的两个方面自由电子的运动束缚电子的运动与金属导电相比，金属导电只有自由电子的运动，因为金属没有共价键，而半导体有共价键,所以有两个方面2021/9/

4、128半导体中的载流子自由电子空穴本征半导体中的自由电子和空穴成对出现本征半导体的特性：（1）热敏特性（2）光敏特性（3）搀杂特性三种方式都可使本征半导体中的载流子数目增加，导电能力增强，但是并不是当做导体来使用，因为与导体相比，导电能力还差得远。2021/9/129二、杂质半导体 1、 N型半导体磷（P） 杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？自由电子是多子，空穴是少子 2021/9/12102、 P型半导体硼（B）多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越

5、强， 在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？空穴是多子，自由电子是少子 2021/9/1211杂质半导体虽然比本征半导体中的载流子数目要多得多，导电能力增强，但是也并不能象导体那样被用来传导电能，而是用来形成PN结2021/9/1212电流的参考方向的定义电流的真实方向的定义2021/9/1213P区N区P区N区载流子由于浓度的差别而产生的运动称为扩散运动。 在扩散的过程中，在交界面处自由电子和空穴复合。自由电子和空穴复合出现内电场 。三、PN结的形成及其单向导电性2021/9/1214P区N区P区N区P区N区P区P区N区P区N

6、区扩散运动=漂移运动时达到动态平衡2021/9/12151. 交界面出现自由电子、空穴的浓度差别P区N区空穴多自由电子少空穴少自由电子多P区空穴（多子）向N区扩散N区自由电子（多子）向P区扩散同时进行2.扩散的过程中自由电子和空穴复合，留下不能移动的杂质离子，形成内电场2021/9/12163. 内电场的出现使少数载流子向对方漂移N区空穴（少子）向P区漂移P区自由电子（少子）向N区漂移同时进行4. 刚开始,扩散运动大于漂移运动, 最后,扩散运动等于漂移运动,达到动态平衡2021/9/1217扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动扩散运动产生扩散电流。扩散电流的真实方向是从P区指向N

7、区的 。漂移运动少子在电场的作用下向对方漂移,称漂移运动。漂移运动产生漂移电流。漂移电流的真实方向是从N区指向P 区的 。动态平衡扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。PN 结稳定的空间电荷区又称高阻区也称耗尽层2021/9/1218载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动。形成的电流称为扩散电流。扩散电流的真实方向：P指向N电流的参考方向的定义电流的真实方向的定义2021/9/1219少子在内电场的作用下产生的运动称为漂移运动。形成的电流称为漂移电流。漂移电流的真实方向： N指向 P2021/9/1220P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；P区的电位低于N区的电位，称为

8、加反向电压，简称反偏；PN结正偏、反偏的定义2021/9/1221PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。2021/9/1222PN结具有单向导电性线性电阻具有双向导电性2021/9/1223四、PN结的电流方程和伏安特性PN结两端的电压与流过PN结电流的关系式2021/9/12242021/9/1225五、PN结的电容效应1. 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容

9、的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2. 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容： 结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！2021/9/12261.2 半导体二极管一、二极管的结构二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数五、稳压二极管2021/9/1227 一、二极管的结构将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。点接触型：结面积小，结电容小故结允许的电流小最高工作频率高面接触型：结面积大，结电容大故结允许的电流大最高工作频

10、率低平面型：结面积可小、可大小的工作频率高大的结允许的电流大2021/9/1228规定二极管的端电压uD的参考方向和二极管的电流iD的参考方向 二、二极管的伏安特性及电流方程2021/9/1229参考方向的选取共有四种可能，本教材中选择其中的一种。2021/9/12302021/9/1231线性电阻参考方向的选取只有两种可能：关联、非关联。因为双向导电2021/9/1232（a）硅二极管2CP10的伏安特性曲线 （b）锗二极管2AP15的伏安特性曲线二极管的伏安特性及电流方程 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性2021/9/1233死区电压Uth 硅二极管的死区电压一般为0.5V，锗二极

11、管的死区电压一般为0.1V。 硅二极管正向导通电压约为0.7V，锗二极管正向导通电压约为0.2V。反向击穿电压UBR 。2021/9/1234温度对二极管的伏安特性的影响当温度升高时，二极管的伏安特性曲线左移。当温度降低时，二极管的伏安特性曲线右移。2021/9/1235二极管的电阻（一）二极管的直流电阻rD二极管两端的直流电压UD与直流电流ID之比就是二极管的直流电阻rD。非线性电阻Q点处的直流电阻rD是连接Q点与坐标原点的直线的斜率的倒数。2021/9/1236（二）二极管的交流电阻rd在工作点Q附近，二极管两端电压的变化量和与之对应的电流变化量之比就是二极管的交流电阻rd。 非线性电阻非

12、线性电阻的直流电阻和交流电阻不同线性电阻的直流电阻和交流电阻相同 交流电阻rd的大小也是随工作点Q的变化而变化的，工作点的电流越大，rd就越小。 rd =26mv/ ID(mA)2021/9/1237五、二极管的主要参数(一) 最大整流电流IF 二极管长期连续工作时，允许通过的最大正向平均电流。(二) 反向击穿电压UBR 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UBR。(三)最大反向工作电压URM 指管子允许施加的反向电压最大值。UBR=2URM(四)反向电流IR 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。2021

13、/9/1238三、二极管的等效电路2021/9/1239（一）二极管的直流电阻rD二极管两端的直流电压UD与直流电流ID之比就是二极管的直流电阻rD。非线性电阻Q点处的直流电阻rD是连接Q点与坐标原点的直线的斜率的倒数。二极管（非线性）的电阻的定义2021/9/1240（二）二极管的交流电阻（动态电阻）rd在工作点Q附近，二极管两端电压的变化量和与之对应的电流变化量之比就是二极管的交流电阻rd。 非线性电阻非线性电阻的直流电阻和交流电阻不同线性电阻的直流电阻和交流电阻相同 交流电阻rd的大小也是随工作点Q的变化而变化的，工作点的电流越大，rd就越小。 rd =26mv/ ID(mA)2021/

14、9/1241二极管的模型（等效电路）（一）直流模型（1） 直流理想模型（2） 直流恒压降模型（3）直流折线模型（4） 直流指数模型（二）交流小信号模型2021/9/1242（1）直流理想模型（2）直流恒压降模型 （3）直流折线模型（4）直流指数模型模型越来越准确，但是计算越来越复杂直流模型用在直流电源作用的电路中（一）直流模型2021/9/1243（1）直流理想模型正偏时导通，管压降为0V，电流决定于外电路。反偏时截止，电流为0，两端电压决定于外电路2021/9/1244（2） 直流恒压降模型管子导通后,管压降认为是恒定的,典型值为0.7V。（硅二极管）（锗二极管将0.7V变为0.2V）202

15、1/9/1245（3）直流折线模型管压降不是恒定的,而是随电流的增加而增加。（硅二极管）0.5V是二极管的死区电压（锗二极管将0.5V变为0.1V）2021/9/1246（4） 直流指数模型2021/9/1247（二）交流小信号模型（小信号模型）注意：二极管的交流模型用在交流小信号电源作用的电路中小：能够把曲线看成直线，而误差能够忍受2021/9/1248应用举例一、用二极管直流模型来分析电路二、用二极管交流模型来分析电路二极管在某个电路中可以这样来使用：1、当作非线性电阻来使用，即所有时间内全部在正向导通区2、当作开关来使用，即某段时间内导通，某段时间内截止3、当作开关来使用，即在所有时间内

16、均导通 4、当作开关来使用，即在所有时间内均截止 5、当作小电压稳压器件来使用，即所有时间内全部在正向导通区6、当作大电压稳压器件来使用，即所有时间内全部在反向击穿区2021/9/1249（一）用二极管直流模型来分析电路例1 求电路的ID和UD ，已知R=10K在两种情况下计算: （1） UDD =10V（2） UDD =1V2021/9/1250 解:二极管使用直流理想模型（1）UDD=10V 时首先：将原始电路中的二极管用它的理想模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若0,则理想二极管正向导通；若0,则理想二极管正向

17、导通；若0,则理想二极管正向导通；若0,则理想二极管正向导通；若0,则理想二极管正向导通；若0,则理想二极管正向导通；若0,则理想二极管正向导通；若 ICBOIE=IB+ IC(1)共基极直流电流放大系数(2)共射极直流电流放大系数 2021/9/12115 综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。BJT的电流分配与放大(称为控制更合适)原理小结：2021/9/12116 半导体三极管的型号第二位：A锗

18、PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B2021/9/12117三、BJT的特性曲线2021/9/12118BJT非线性器件，所以电压、电流之间的关系只能用曲线才能描述清楚从使用三极管的角度看，了解特性曲线比了解内部载流子的运动更重要，所以我们现在作为使用者，而不是制造者，我们要对特性曲线进行更深入的分析，而内部载流子的运动规律可以帮助我们解释为什么

19、特性曲线是这样。特性曲线的分类输入特性曲线输出特性曲线共射接法特性曲线共基接法特性曲线共集接法特性曲线NPN管特性曲线PNP管特性曲线2021/9/12119我们只研究NPN共射 特性曲线（输入、输出）规定电压和电流的参考方向如图所示：注意电压变量、电流变量的写法：小写的字母，大写的下标 iB=f(uBE) uCE=constiC=f(uCE) iB=const2021/9/12120 iB=f(uBE) uCE=const(2) 当uCE1V时， uCB= uCE - uBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的uBE下iB减小，特性曲线右移。(1) 当uCE=0V时，

20、相当于发射结的正向伏安特性曲线。（饱和区）1、 NPN共射输入特性曲线2021/9/12121NPN共射输入特性曲线的特点描述（1）当uCE=0V时，相当于正向偏置的两个二极管并联，所以与PN结的正向特性相似（2） uCE1V的特性曲线比uCE=0V的右移。原因： uCE1V时集电结反偏，集电结吸引自由电子的能力增强，从发射区注入的自由电子更多地流向集电区，对应于相同的uBE （即发射区发射的自由电子数一定） ，流向基极的电流减小，曲线右移（3） uCE1V与uCE=1V的曲线非常接近，可以近似认为重合（4）有一段死区（5）非线性特性（6）温度上升，曲线左移（7）陡峭上升部分可以近似认为是直线

21、，即iB与uBE成正比，线性区（8）放大状态时，NPN的uBE =0.7V, PNP的uBE =-0.2V2021/9/12122为什么UCE增大曲线右移？ 对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。为什么像PN结的伏安特性？为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？输入特性2021/9/12123饱和区：iC明显受uCE控制的区域，该区域内，一般uCE0.3V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。iC=f(uCE) iB=const2、 NPN共射输出特性曲线截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时， uBE

22、小于死区电压。放大区：iC平行于uCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。2021/9/12124输出特性是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下 ?对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。 为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？饱和区放大区截止区2021/9/121252021/9/12126NPN共射输出特性曲线的特点描述截止区: 的区域:三个电极上的电流为0,发射结和集电结均反偏,相当于开关打开,在数字电路中作为开关元件的一个状态。 饱和区：直线上升和弯曲的部分， 发射结电压0.7V(硅管)或0.2V(锗管)；发射结和

23、集电结均正偏,相当于开关闭合,在数字电路中作为开关元件的一个状态。 放大区：曲线近似水平的区域，曲线随uCE增加略有上翘，基区宽度调制效应，发射结 正偏,集电结反偏。集电极电流主要决定于基极电流。2021/9/12127四、BJT在三个状态下的特点截止区: 三极管的三个电极所在的支路中的电流为0,任意两个极之间的电压是多少，决定于外电路，满足电路方程。饱和区： NPN的uBE =0.7V, PNP的uBE =-0.2V，没有，三极管的三个电极所在的支路中的电流决定于外电路，满足电路方程。放大区：NPN的uBE =0.7V, PNP的uBE =-0.2V， 有，三极管的三个电极所在的支路中的电流

24、决定于外电路，满足电路方程。2021/9/12128方法一方法二五、判断BJT工作状态的解题思路2021/9/12129饱和区:发射结正偏，集电结正偏截止区：发射结反偏，集电结反偏或：UBE0.5V（Si)|UBE | 0.2V（Ge)放大区:发射结正偏，集电结反偏但是用这种判据不方便方法一2021/9/12130方法二：1、把三极管从电路中拿走，在此电路拓扑结构下求三极管的发射结电压：若发射结反偏或零偏或小于死区电压值：则三极管截止.若发射结正偏：则三极管可能处于放大状态或处于饱和状态，需要进一步判断。进入步骤22、把三极管放入电路中，电路的拓扑结构回到从前；假设三极管处于临界饱和状态（三极

25、管既可以认为是处于饱和状态也可以认为是处于放大状态，在放大区和饱和区的交界区域，此时三极管既有饱和时的特征UCES =0.3V又有放大的特征IC=IB）,求此时三极管的集电极临界饱和电流ICS ，进而求出基极临界饱和电流IBS 。 ICS是三极管的集电极可能流过的最大电流（在三极管状态改变的前提下， VCC和RC保持不变）3、在原始电路拓扑结构基础上，求出三极管的基极支路中实际流动的电流iB4、比较iB和IBS的大小:若iB IBS ，则三极管处于饱和状态; 或者 IB ICS若iB IBS ，则三极管处于放大状态； 或者 IB IBS ，所以三极管处于饱和状态 例题3 Rb=200k ,RC

26、=2K,VCC=12V， =50比较iB和IBS的大小：iB IBS ，所以三极管处于放大状态 2021/9/12134如何改变三极管的状态只要改变iB和IBS的比较关系即可保持IBS不变，通过改变Rb可改变iB 或保持iB 不变，通过改变RC可改变IBS2021/9/12135六、BJT的主要参数2021/9/12136BJT的主要参数(1)共发射极直流电流放大系数1. 电流放大系数 (2) 共发射极交流电流放大系数 uCE=const(3) 共基极直流电流放大系数 (4)共基极交流电流放大系数 uCB=const2021/9/12137 2. 极间反向电流(1) 集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。 BJT的主要参数2021/9