第1章常用半导体器件

第一章常用半导体器件

§1.1半导体基础知识

§1.2半导体二极管

§1.3晶体三极管(BJT) §1.4场效应管(FET)§1.1半导体基础知识 一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成过程 四、PN结的单向导电性 五、PN结的电容效应1、半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质3、特性：掺杂性、热敏性、光敏性§

1.1半导体基础知识

2、材料单质:硅（Si）、锗（Ge）化合物：砷化嫁（GeAs）4、半导体本征半导体杂质半导体

一、本征半导体 本征半导体是纯净且具有完整晶格结构的半导体。

1、本征半导体的晶体结构无杂质稳定的结构2、本征半导体中的两种载流子两种载流子在热激发下，价电子挣脱共价键的束缚变为具有较高能量的电子。自由电子的游离在共价键中留下的空位因热激发产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。运载电荷的粒子自由电子与空穴相遇，二者同时消失的现象称为复合。3、本征浓度

一定温度下，本征激发产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。

常温下只有极少数原子才会产生本征激发，本征半导体的导电性能很差。常温下（T=300K）ni=pi=1.43×1010cm-3（Si）ni=pi=2.38×1013cm-3（Ge）自由电子浓度空穴浓度热力学温度二、杂质半导体

1、

N型半导体

磷（P）多数载流子—多子本征激发产生的空穴—少子提供自由电子的原子N型半导体的导电主要靠自由电子2、P型半导体

多数载流子硼（B）本征激发产生的自由电子—少子接受电子的原子电中性P型半导体的导电主要靠空穴

杂质半导体的多子浓度近似等于掺杂浓度，与温度无关。少子浓度仅由本征激发产生，但对温度敏感，影响半导体器件的性能。三、PN结的形成过程P区空穴浓度远高于N区N区的自由电子浓度远高于P区扩散运动—因浓度差多子产生的运动浓度不同→多子扩散→交界面多子浓度减低→产生内电场漂移运动—因电场作用少子产生的运动少子内电场→扩散减弱,漂移加强→动态平衡→稳定电荷层四、PN结的单向导电性内电场减弱→耗尽层变薄→扩散强于漂移→多子扩散形成很大的正向电流I。内电场增强→耗尽层变厚→漂移强于扩散→少子漂移形成很小的反向饱和电流Is。五、PN结的电容效应

1、势垒电容

PN结外加电压变化时，有电荷积累和释放的过程，空间电荷区宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb。2、扩散电容

PN结外加正向电压变化时，空间电荷区两侧的扩散区域内载流子浓度变化所等效的电容称为扩散电容Cd。

结电容：Cj=Cb+Cd为什么半导体器件有最高工作频率？超过最高工作频率，PN结失去单向导电性。§1.2半导体二极管一、二极管的伏安特性二、二极管的主要参数三、二极管的等效电路模型 四、二极管的基本应用电路 五、稳压二极管§1.2半导体二极管 将PN结封装并引出两个电极，就构成半导体二极管。内部结构示意图电路符号小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管一、二极管的伏安特性开启电压反向饱和电流击穿电压材料开启电压导通电压反向饱和电流Si0.5V0.6~0.8V<0.1µAGe0.1V0.1~0.3V几十µA热电压1、单向导电性2、温度特性

T（℃）↑→正向曲线左移→每升高1oC，u减小（2~2.5）mV。

T（℃）↑→反向曲线下移→每升高10oC，IS增大约一倍。二、二极管的主要参数

1、最大整流电流IF：最大平均值

2、最高反向工作电压UR：最大瞬时值

3、反向电流IR：反向饱和电流IS

4、最高工作频率fM:由结电容Cj决定国外型号硅整流二极管<5<5<10501002001000100030001N40011N40021N4002面接触型硅整流二极管3kHz≤500≤1000100300100030002CZ55C2CZ56E面接触型硅整流二极管3kHz≤100252001001002CZ52A2CZ52D点接触型锗二极管≤1150MHz100MHz≤250≤20020101682AP12AP9备注Cj(pF)fMIR(μA)UR(V)IF(mA)参数型号几种二极管的典型参数三、二极管等效电路模型1、伏安特性分段折线近似模型

导通时UD=0截止时ID=0导通时UD=Uon截止时ID=0V>>UonV与Uon相差不很大V与Uon相差不大导通时rD为常量截止时ID=0近似分析中最常用近似分析中如何选择合适的电路模型？100V？5V？1V？电路模型？V=1V，图解法求Q点。uD=V－IRQ实测伏安特性UDID静态工作点根据外加电压的数值和所能容许的误差来选择电路模型如何判断二极管的工作状态？哪个二极管优先导通？D2优先导通D1截止D1导通范例分析UO=？IR=？D2、D3、D4优先导通D1截止2、小信号模型交流小信号静态工作点动态电阻含交、直流的二极管电路的分析直流通路小信号等效电路四、二极管基本应用电路1、整流电路

交流电单向脉动的直流电2、限幅电路ui>0.7V时，uo=0.7Vui<-0.7V时，uo=-0.7V┃ui┃<0.7V时，uo=ui如何预置输出电压的范围？电路结构特点？ui>E1时，uo=E1ui<-E2时，uo=-E2E1>ui>-E2时，uo=ui五、稳压二极管反向击穿后，在一定的电流范围内具有稳压特性。反向击穿区稳定电压UZ最小稳定电流IZmin最大稳定电流IZmax额定功耗

PZM=UZIZM动态电阻rz=ΔUZ/ΔIZ几种典型稳压管的主要参数型号UZ(V)rZ(Ω)IZ(mA)IZM(mA)PZM(W)2CW523.2~4.5<7010550.252CW6011.5~12.5<405190.252DW2322DW7C6.0~6.5≤1010300.21N7578.9~9.3≤20200.5UZ=6V，IZmin=5mA如何判断稳压二极管的工作状态？DZ稳压DZ截止范例分析一UZ1=6V，UZ2=8V，Uon=0.7VUO1=14VUO2=1.4VUO3=6.7VUO4=8.7VUO5=6VUO6=0.7V范例分析二UZ1=7V，UZ2=6VDZ2优先稳压DZ1稳压DZ2稳压2DW3:UZ=9V，rz=4Ω范例分析三ΔUI/UI=10%ΔUO/UO=?动态电阻rz§1.3

晶体三极管

一、

晶体管的结构和类型

二、

晶体管的放大原理 三、晶体管的特性曲线 四、晶体管的主要参数 五、 温度对晶体管特性的影响晶体三极管的几种常见外形§1.3

晶体三极管（BJT）小功率管中功率管大功率管一、晶体管的结构及类型面积大多子浓度高多子浓度低且很薄二、晶体管的放大原理NPN管：UBE

>Uon

,UCB>0PNP管：UEB

>

Uon

,UBC>0放大偏置条件发射结正偏集电结反偏扩散运动形成发射极电流IE少子的漂移形成集电结反向电流复合运动形成基极电流IB漂移运动形成集电极电流IC基区空穴扩散形成扩散电流电流分配关系直流电流放大系数通常几十~几百近似分析不区分交流电流放大系数穿透电流三、

晶体管的特性曲线

1、输入特性iB

=f(uBE)┃UCE为什么UCE增大曲线右移？为什么类似PN结的伏安特性？为什么UCE增大到一定值时曲线右移就不明显了？

工程上常用UCE>1V的任何一条曲线来近似表示UCE>1V的所有曲线。2、输出特性iC

=f(uCE)┃IB工作状态uBEiCuCE截止＜UonICEO>uBE放大≥

UonβiB≥

uBE饱和≥

Uon＜βiB

≤

uBE为什么饱和区uCE较小时iC随uCE变化很大？

为什么放大区曲线几乎与横轴平行？晶体管简化直流模型工作状态uBEiCuCE截止＜UonICEO>uBE放大≥

UonβiB≥

uBE饱和≥

Uon＜βiB

≤

uBE很小饱和压降UCES约0.3V(Si)约0.1V(Ge)

如何确定晶体管的工作状态？范例分析一NPN（Si）T1T2T3T4UB/V0.71-10UE/V00.3-1.70UC/V50.7

015工作状态放大饱和放大截止UBE=0.7V=UonUCE=5V>UBEUBE=0.7V=UonUCE=0.4V<UBEUBE=0.7V=UonUCE=1.7V>UBEUBE=0V<UonUCE=15V>UBE工作状态？uo=?范例分析二UBE=0.7V,β=50,

UCES=0.2V当ui=0V时，发射结的偏置情况？则T的工作状态？当ui=5V时,发射结的偏置情况？则T可能的工作状态？假定T处于放大状态,UCE=？则T的工作状态？

如何确定放大管的管型、管脚及材料？

放大状态下三个极的电位关系

NPN:UC≥UB>UEPNP:UC≤UB<UE┃UBE┃=0.5~0.8V（Si）┃UBE┃=0.1~0.3V（Ge）NPN（Si）PNP（Si）PNP（Ge）bcebbececUBE=0.7VUBE=-0.7VUBE=-0.2V四、晶体管的主要参数

直流参数：交流参数：越小越好？特征频率？极限参数：最大集电极耗散功率最大集电极电流c-e间反向击穿电压几种典型小功率三极管的主要参数类别型号PZM(mW)ICM(mA)U(BR)CEO(V)βICBO(μA)ICEO(μA)fT(MHz)低频小功率锗管3AX31A125125≥1240~180≤20≤1000高频小功率硅管3DG100C3DG6C10020≥2020~200≤0.1≥250PNP型硅管9012625500≥2064~200≤0.1≤0.1500NPN型硅管9013625500≥2064~200≤0.1≤0.1100如何确定β

、PCM、ICM、U(BR)CEO？

2.5U(BR)CEO≈25VPCM=iCuCE=25mW五、温度对晶体管特性及参数的影响

温度升高，正向特性左移。即IB不变时，UBE将减小约为（2~2.5）mV/oC。

温度升高，输出特性上移。即β

、ICEO均增大。β增加大约（0.5~1）%/oC△iC/>△iC

如何选择合适的晶体管？参数T1T2T3ICBO/μA0.010.10.05UCEO/V505020β15100

100可能击穿电源电压30V

ICBO越小，温度稳定性越好。

UCEO越大，耐压能力越强。β越大，放大能力越强。§1.4 场效应管(FET)

一、结型场效应管（JFET） 二、

绝缘栅型场效应管(IGFET)

三、

场效应管的工作状态§1.4场效应管（FET）1、主要特点 输入电阻高、噪声小、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗低、便于集成化。2、分类一、结型场效应管（JFET）导电沟道耗尽层漏极源极栅极1、工作原理（1）uDS

=0时uGS对导电沟道宽度的影响夹断电压┃uGS┃↑→耗尽层变宽→导电沟道变窄→沟道电阻增加导电沟道（2）UGS(off)<uGS

<0且uDS>0时对漏极电流iD的影响iD随uDS增大而线性增大可变电阻区iD几乎仅仅受控于uGS恒流区uDS的增大几乎全部降落在夹断区的电阻上2、输出特性预夹断轨迹uGD=UGS（off）夹断电压UGS(off)iD几乎仅决定于uGSuGS控制d-s的等效电阻可变电阻区：uGS>UGS(off)，uGD>UGS(off)恒流区：uGS

>UGS(off)，uGD<UGS(off)夹断区：uGS<UGS(off),uGD<UGS(off)iD＝f（uDS）┃uGS

＝常量

3、转移特性漏极饱和电流iD＝f（uGS）┃uDS

＝常量

夹断电压二、绝缘栅型场效应管（IGFET）（一）增强型MOSFET1、工作原理（1）uDS

=0时uGS对导电沟道宽度的影响开启电压uGS增大，反型层将增厚变长,当uGS增大到UGS(th)时，反型层将两个N+区相连，形成导电沟道。反型层耗尽层（2）uGS>UGS(th)

且uDS>0时对漏极电流iD的影响iD随uDS增大而线性增大可变电阻区iD几乎仅仅受控于uGS恒流区uDS的增大几乎全部降落在夹断区的电阻上2.特性曲线预夹断轨迹uGD=UGS（th）可变电阻区：uGS>UGS(th)，uGD>UGS(th)恒流区： uGS

>UGS(th)，uGD<UGS(th)夹断区： uGS<UGS(th),uGD<UGS(th)开启电压（二）耗尽型MOSFET反型层耗尽层正离子uGS=0时，原始导电沟道存在。uGS

>0时，导电沟道变宽。uGS<0时，导电沟道变窄。uGS<UGS（off）时，沟道夹断。特性曲线可变电阻区：uGS>UGS(off)，uGD>UGS(off)恒流区：uGS

>UGS(off)，uGD<UGS(off)夹断区：uGS<UGS(off),uGD<UGS(off)漏极饱和电流夹断电压场效应管转移特性曲线的比较三、FET的工作状态夹断区N沟道：uGS

<UGS(th)(UGS(off)),uGD<UGS(th)(UGS(off))P沟道：uGS

>UGS(th)(UGS(off)),uGD>UGS(th)(UGS(off))恒流区N沟道：uGS

>UGS(th)(UGS(off)),uGD<UGS(th)(UGS(off))P沟道：uGS

<UGS(th)(UGS(off)),uGD>UGS(th)(UGS(off))可变电阻区N沟道：uGS

>UGS(th)(UGS(off)),uGD>UGS(th)(UGS(off))P沟道：uGS

<UGS(th)(UGS(off)),uGD<UGS(th)(UGS(off))范例分析一

已知FET的┃UGS(th)┃、┃UGS(off)┃均为1V,它们各工作于什么区？

恒流区可变电阻区夹断区可变电阻区N-耗尽型N-增强型P-增强型P-耗尽型范例分析二

UGS(off)=5V,IDSS=-3mAUGS＝VGG＝2V<UGS(off)＝5V

ID＝IDSS（1-UGS

/UGS(off)）2

＝-1.08mAUDS＝VDD

-(-ID)RD＝-6.4VUGD＝UGS

-UDS＝8.4V>UGS(off)P-JFET恒流区UGS(off)=-4V,IDSS=6mAN-JFETUGS＝0V>UGS(off)＝-4V

ID＝IDSS＝6mA