第1章半导体器件

会计学1第1章半导体器件..典型习题一、已知各极电位，判定工作状态第1页/共53页第一章常用半导体器件主要内容：1.半导体的基本知识2.常用半导体器件

（1）二极管（2）三极管（3）场效应管第2页/共53页§1.1半导体的基本知识1.1.1本征半导体一、半导体A光敏和热敏特性B掺杂特性二、本征半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。

纯净的具有晶体结构的半导体。性质：第3页/共53页现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。Si硅原子Ge锗原子第4页/共53页1、本征半导体的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4除去价电子后的正离子完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。本征半导体的导电能力很弱。第5页/共53页2、本征半导体的导电机理(1)载流子载流子：可以运动的带电粒子。在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有载流子，它的导电能力为0，相当于绝缘体。本征激发：在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。这种现象称为本征激发。第6页/共53页+4+4+4+4

空穴失去带负电的电子，相当于带等量的正电荷；空穴吸引附近的束缚电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移。因此空穴相当于可以运动的正电荷，故可视为载流子。第7页/共53页+4+4+4+4自由电子束缚电子

本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴，故称电子空穴对。第8页/共53页1.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。

按照掺入的杂元素不同，杂质半导体可分为：N型半导体P型半导体第9页/共53页N型半导体多余电子+

符号SiPSiSi硅或锗+少量磷N型半导体第10页/共53页空穴P型半导体

符号SiSiSiB硅或锗+少量硼P型半导体第11页/共53页杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体空穴：多子自由电子：少子++++++++++++++++++++++++N型半导体自由电子：多子空穴：少子第12页/共53页一、PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。1.1.3PN结载流子的两种运动方式：漂移：载流子在电场内所做的定向运动。扩散：载流子由高浓度区向低浓度区的运动。第13页/共53页P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动第14页/共53页扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。第15页/共53页漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。第16页/共53页二、PN结的单向导电性PN结加正向电压（正向偏置）：P区加正、N区加负电压（P区电位高于N区电位）。PN结加反向电压（反向偏置）：P区加负、N区加正电压（P区电位低于N区电位）。第17页/共53页PN结正向偏置－－－－++++内电场减弱，使扩散加强，扩散飘移，正向电流大空间电荷区变薄PN+_正向电流第18页/共53页PN结反向偏置－－－－++++

空间电荷区变厚NP+_++++－－－－内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流很小，A级第19页/共53页三、PN结的伏安特性PN结的电流方程其中：UT——温度的电压当量uD——外加电压IS——反向饱和电流PN结的伏安特性当外加正向电压，uD>>UT时，，PN结为正向导通状态。当外加反向电压，uD>>UT时，，PN结为反向截止状态。第20页/共53页PN结的反向击穿

当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。

雪崩击穿

齐纳击穿

电击穿——可逆热击穿——不可逆第21页/共53页雪崩击穿在材料掺杂浓度较低的PN结中，当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增强。这样，通过空间电荷区的电子和空穴，就会在电场作用下获得的能量增大，在晶体中运动的电子和空六将不断地与晶体原子又发生碰撞，当电子和空穴的能量足够大时，通过这样的碰撞的可使共价键中的电子激发形成自由电子–空穴对。新产生的电子和空穴也向相反的方向运动，重新获得能量，又可通过碰撞，再产生电子–空穴对，这就是载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多而快，这样，反向电流剧增，PN结就发生雪崩击穿。

利用该特点可制作高反压二极管。

PN结的雪崩击穿示意图齐纳击穿在材料掺杂浓度较高的PN结中，在加有一定的反向电压下，PN结空间电荷区中存一个强电场，它能够破坏共价键，将束缚电子分离出来造成电子–空穴对，形成较大的反向电流，发生齐纳击穿。利用该特点可制作稳压二极管。第22页/共53页四、PN结的电容效应P+-N势垒电容：耗尽层是积累空间电荷的区域，当外加反向电压时，就会引起耗尽层的空间电荷的变化，相当于电容的充放电，称为势垒电容扩散电容：当外加正向电压时，注入P区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流越大，积累的电荷就越多。这样所产生的电容效应称扩散电容电容效应会影响PN结的单向导电性第23页/共53页1.2.1结构与符号PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PNPN符号阳极阴极§1.2半导体二极管第24页/共53页1.2.2伏安特性UI导通压降UD:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压U(BR)开启电压（死区电压）Uon:硅管0.5V,锗管0.2V。UIE+-反向漏电流(很小，A级)第25页/共53页（3）静态电阻Rd，动态电阻rDUQIQUS+-R静态工作点Q（UQ，IQ）第26页/共53页（3）静态电阻Rd，动态电阻rD静态电阻：Rd=UQ/IQ

（非线性）动态电阻：rD=UQ/

IQ在工作点Q附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为微变等效电阻iuIQUQQIQUQ第27页/共53页1.2.3主要参数1.最大整流电流IF：2.反向击穿电压URJ：3.反向电流IR：二极管长期运行时允许流过的最大电流。

4.最高工作频率fM：不影响单向导电性的上限截止频率。第28页/共53页例1：二极管：死区电压=0.5V，正向压降＝0.7V(硅管)

理想二极管：死区电压=0，正向压降=0

RLuiuOuiuott二极管半波整流第29页/共53页例2：二极管的应用(设RC时间常数很小）RRLuiuRuotttuiCuRuo第30页/共53页1.2.4稳压二极管IZmax稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流IZ在Izmax和

Izmin之间时,其两端电压近似为常数正向同二极管稳定电流稳定电压第31页/共53页例：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ

稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200。若负载电阻变化范围为1.5k~4k，是否还能稳压？第32页/共53页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）负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用第33页/共53页§1.3半导体三极管1.3.1基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型第34页/共53页BECNPN型三极管BECPNP型三极管符号：NPNCBEPNPCBE第35页/共53页BECNNP基极发射极集电极发射区：掺杂浓度最高第36页/共53页发射结集电结BECNNP基极发射极集电极+++++++++++++__________________________+++++++++++++第37页/共53页1.3.2电流放大原理BECNNPEBRBEc发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。IE1进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB，多数扩散到集电结。IB＋＋＋－＋－－－＋＋＋＋－－－－第38页/共53页BECNNPEBRBEcIE从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。IC2ICIB＋＋＋－＋－－－＋＋＋＋－－－－要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。第39页/共53页共射直流电流放大倍数（静态）电流放大倍数=IC/

IBIC=IB共射交流电流放大倍数（动态）IB：IB+IBIC：IC+IC=IC/

IBIC=

IB一般认为：

=，=20~100第40页/共53页1.3.3特性曲线ICmAAVVUCEUBERBIBUSCUSB

实验线路(共发射极接法)CBERC第41页/共53页IB

与UBE的关系曲线（同二极管）（1）输入特性:UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8第42页/共53页（2）输出特性（IC与UCE的关系曲线）IC(mA)1234UCE(V)3691240A60AQQ’=IC/

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

IB

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

IB=3mA/60A=50第43页/共53页输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A放大区当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB,且

IC=

IB饱和区UCEUBE，集电结正偏IB>ICUCE0.3V截止区IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压第44页/共53页输出特性三个区域的特点:(1)放大区

IC=IB,且

IC=

IB

，BE结正偏，BC结反偏(2)饱和区

IC达饱和，IC与IB不是倍的关系，IB>IC

。BE结正偏，BC结正偏，即UCEUBE

（UCE0.3V

，UBE0.7V）

(3)截止区

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO0（ICEO穿透电流，很小，A级）

第45页/共53页1.3.3主要参数1.电流放大系数

1）共射极电流放大系数：

β≈IC/IB≈△iC/△iB≈β

实际电路使用时一般采用β=30－80的BJT作为放大管。

2）共基极电流放大系数

α≈IC/IE≈△iC/△iE≈α第46页/共53页2.极间反向电流1）C-B极反向饱和电流ICBOE极开路，C、B极间的反向饱和电流硅管小于锗管，而且受温度影响较大。应用时选用ICBO较小的BJT。2）C-E极反向饱和电流ICEO

B极开路时，C-E极间的穿透电流 有ICEO=(1+β)ICBO3.特征频率fT

由于结电容的作用，信号频率增大会使β下降并产生相移。使β下降为1时的信号频率称为特征频率fT

。应尽量选用fT较高的BJT。第47页/共53页4.极限参数：a)集电极最大允许电流ICMb)集电极最大允许功耗PCMc)极间反向击穿电压

UCBO:大小可从几十至上千伏。

UCEO:与ICEO相关，

UCEO<<UCBO。

UEBO:大小从1/10~10VICUCE安全工作区ICUCE=PCMU(BR)CEO第48页/共53页1.2.4.温度对特性的影响1.温度对ICBO的影响温度每升高10℃时,ICBO约增加一倍。2.温度对输入特性的影响温度升高，输入特性曲线将左移。2.温