第一章-常用半导体器件

电子系统抽象模型电子系统基本电路1基本电路2基本电路3基本元器件1基本元器件2基本元器件3子系统1子系统2子系统3基本电路基本元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双极型三极管在物理学中，根据材料的导电能力，可以将它们划分为导体、绝缘体和半导体(Semiconductor)。1.1半导体基础知识铜导线(左上)、玻璃绝缘体(左下)和硅晶体(上)·导体:电阻率ρ小于10-3Ω·cm·绝缘体:ρ大于108Ω·cm·半导体:ρ介于导体和绝缘体之间。12’（300mm）1.1半导体基础知识1、掺杂性：半导体中掺杂后，其电阻率大大下降，晶体管。2、热敏性：电阻率随着温度的变化而变化，热敏电阻。3、光敏性：电阻率随着光照增强而下降，光敏元件。1.1半导体基础知识半导体的特性

常用半导体材料有:

硅（Si）、锗（Ge），也有三-五族化合物半导体：GaAs、GaP等1.1半导体基础知识1.1半导体基础知识硅原子Si锗原子Ge简化模型1.1半导体基础知识1.本征半导体—IntrisicSemiconductor本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体硅晶体的结构制造半导体器件的硅材料纯度“九个9”99.9999999%1.1半导体基础知识Fab18.90nm.Pentium4

CPU1.1半导体基础知识1.1半导体基础知识a.单晶硅的共价键结构1.本征半导体—IntrisicSemiconductor在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中,因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。价电子——化学成分纯净的半导体晶体+41.1半导体基础知识b.自由电子空穴对的产生当温度升高或受光照射时本征半导体会发生什么情况?当温度升高或受到光的照射时，束缚电子获得能量，部分电子挣脱原子核的束缚，成为自由电子，与此同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴(hole)1.1半导体基础知识b.自由电子空穴对的产生本征激发（热激发）

电子和空穴都是载流子

在本征半导体中自由电子和

空穴的浓度相等自由电子空穴

空穴带一个单位的正电荷c.空穴导电1.1半导体基础知识1.1半导体基础知识c.空穴导电原来空穴位置形成共价键，原来价电子的位置形成空穴。这个过程叫空穴的移动，空穴移动方向与价电子移动方向相反。

当产生空穴后，由于热运动，空穴周围共价键中相近价电子很容易填补空穴。不加外电场时，空穴的移动无规则当外加电场时，空穴的填补也会定向

空穴导电本质：价电子的移动1.1半导体基础知识1.1半导体基础知识d.自由电子空穴的复合1.1半导体基础知识d.自由电子空穴的复合

当自由电子填补共价键中的空位(空穴)时，自由电子就会释放能量，又形成共价键。这个过程叫电子空穴的复合释放能量

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。即使温度升高或光照,本征半导体的导电能力仍很差1.1半导体基础知识2.杂质半导体—ExtrisicSemiconductor

本征半导体中掺入某些微量杂质元素的半导体，称为杂质半导体.

在一定温度下半导体中电子浓度与空穴浓度乘积是恒定的,与掺杂浓度无关.本征半导体中掺入五价杂质元素(磷、砷等)本征半导体中掺入三价杂质元素(硼、镓等)N型半导体P型半导体1.1半导体基础知识施主原子多余电子受主原子空穴例：在T=300K的条件下，本征硅中掺亿分之一的5价原子，硅原子的浓度已知为5.1×1022/cm3

，对比掺杂前后的自由电子和空穴浓度。杂质浓度为p×n=pi

×ni=ni2

p=ni2

/n=(1.43×1010)2

/5.1×1014=4.1×105/cm35.1×1022

/108=5.1×1014/cm31.1半导体基础知识本征半导体中自由电子空穴的浓度为1.43×1010/cm3n≈5.1×1014/cm3掺入五价元素的结果是自由电子变多，空穴变少，载流子总的浓度增加，导电能力大大增强,而且导电能力由多子决定.掺杂前后的自由电子和空穴浓度对比1.1半导体基础知识掺杂前掺杂后自由电子浓度1.43×10105.1×1014空穴浓度1.43×10104.1×105自由电子+空穴2.86×10105.1×1014思考：本征半导体掺杂的目的？结论：

在N型半导体中，自由电子数目远多于空穴数目

自由电子为多数载流子(majoritycarrier)，简称：多子

空穴为少数载流子(minoritycarrier)，简称：少子P型半导体刚好相反，自由电子为少子，空穴为多子

思考：本征半导体中存在多子少子吗？N型半导体P型半导体施主原子自由电子受主原子空穴1.1半导体基础知识1.1半导体基础知识N型半导体共价键结构N型半导体简化示意图P型半导体共价键结构P型半导体简化示意图如何产生？硅原子在哪里？自由电子空穴1.1半导体基础知识3.PN结的形成—PNJunctionP区N区扩散运动：载流子浓度差引起的运动漂移运动：载流子在电场力作用下的运动P、N半导体结合→1.1半导体基础知识3.PN结的形成—PNJunctionP区N区复合载流子浓度差→多子的扩散→

diffusion空间电荷区space-charge形成内建电场←built-inelectricfield阻碍多子扩散，促进少子漂移←+-

空间电荷区（耗尽层、PN结）随着空间电荷区的增加1.1半导体基础知识3.PN结的形成—PNJunction最后达到动态平衡：扩散电流＝漂移电流+-→多子扩散运动减弱→少子漂移运动增强P区N区1.1半导体基础知识3.PN结的形成—PNJunction1.1半导体基础知识4.PN结的单向导电性①加正向电压(forwardbias)—电源正极接P区,负极接N区+-

→耗尽层变窄外电场的方向与内电场方向相反,外电场削弱内电场：→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流(大)1.1半导体基础知识4.PN结的单向导电性1.1半导体基础知识②加反向电压(reversebias)—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,外电场增强内电场：

→耗尽层变宽→扩散运动<漂移运动→少子漂移形成反向电流(小)4.PN结的单向导电性1.1半导体基础知识4.PN结的单向导电性1.1半导体基础知识正偏：多子扩散电流远远大于少子漂移电流，多子扩散形成很大的正向电流，PN结表现为很小的电阻，PN结导通(ON)总结PN结：单向导电性反偏：多子扩散运动无法进行，少子漂移，形成很小的反向电流，PN结表现为很大的电阻，PN结截止(OFF)1.1半导体基础知识5.PN结的伏安特性(I/Vcharacteristics)根据理论分析（半导体物理），pn结电流方程：

其中，：结两端的电压降：流过pn结的电流：反向饱和电流(reverse-biassaturationcurrent)

与温度、材料、结面积、结构有关:温度的电压当量(thermalvoltage)

室温下（T=300K），正偏时:反偏时:1.1半导体基础知识I/V特性曲线PN结的击穿当反向电压增加到一定值时，由于空间电荷区的电场很强，会发生反向击穿—Breakdown击穿又可分为：电击穿和热击穿电击穿——可恢复（可逆）

包括齐纳击穿和雪崩击穿热击穿——电击穿后不限流,导致PN结过流过热而永久性

烧毁（不可逆）1.1半导体基础知识雪崩击穿-碰撞击穿Avalanchebreakdown被加速的载流子撞击晶格，激发出新的电子-空穴对，又被加速，形成连锁反应，使电流剧增齐纳击穿-电场击穿Zenereffect反偏电压过大,电场过强,将共价键中价电子拉出,成为自由电子I/V特性曲线PN结的电击穿1.1半导体基础知识6.PN结的电容效应①势垒电容

反偏时，当u变化时，耗尽层宽度随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。-+②扩散电容

正偏时，PN结耗尽层两侧存在非平衡少子的堆积现象，堆积的数量随正偏的增加而增加，这也相当于电容的充放电。1.1半导体基础知识6.PN结的电容效应对器件的高频特性有很大的影响结电容反偏正偏1.1半导体基础知识6.PN结的电容效应1.1半导体基础知识7.PN结的温度特性pn结电流方程

和都是温度的函数，故PN的I/V特性也与温度有关。正向曲线：T反向曲线：T下移左移思考题：2、在N型半导体中掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体3、N型半导体的多子是自由电子，所以它带负4、PN结在无光照，无外加电压时，结电流为零5、PN结加正电压时，空间电荷区将变宽6、空穴导电本质是电子的移动1、在温度相同的情况下，锗半导体比硅半导体载流子浓度要高（√）（√）（×）（√）（×）（×）1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构1.2.2二极管的伏安特性与参数1.2.3二极管的等效电路1.2.4其它半导体二极管常用二极管实物图1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分点接触型、面接触型和平面型三大类。二极管的电气符号特点：结面积小，结电容小，承受的电流有限点接触型结构示意图①点接触型二极管用途：高频电路，小功率整流1.2半导体二极管②面接触型二极管面接触型结构示意图特点:结面积大，结电容大，承受的电流大用途:工频电路大电流整流电路1.2半导体二极管③平面型二极管平面型结构示意图特点：采用扩散法制成，往往用于集成电路制造工艺中用途:PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中1.2半导体二极管二极管与PN结伏安特性曲线的区别：1.二极管存在串连电阻R（半导体体电阻和引线电阻）2.二级管存在反向漏电流1.2.2二极管的伏安特性：反向饱和电流:温度的电压当量

二极管的I/V特性仍由

近似描述。导通压降:硅管0.6~0.8V锗管0.1~0.3V反向击穿电压UBR死区电压硅管0.5V,锗管0.1V材料开启电压Uon导通电压V硅Si0.5V0.6~0.8(0.7)锗Ge0.1V0.1~0.3(0.2)1.2半导体二极管二极管伏安特性与温度T的关系1.2.2二极管的伏安特性1.2半导体二极管1.2.3二极管的主要参数1N400系列整流管：3kHz；1N4148开关管：～MHz最大整流电流：长期工作所允许的最大正向平均电流(2)反向击穿电压(3)最大反向工作电压(通常取的一半)(4)反向电流

(

下的反向电流)(5)最高工作频率：工作上限频率超过此频率，结电容不能够忽略，二极管的单向导电性受到破坏。1.2半导体二极管1.2.4二极管的等效电路--equivalentcircuit1、理想二极管模型正向工作时二极管导通电压等于0,反向时二极管开路,特性曲线如右图所示,一般适用于大信号工作状态,例如逻辑电路、整流电路中。2、开关模型(恒压降模型）-常用正向导通时。相当于理想二极管串联一个0.7伏（导通电压，并非是开启电压Uon）的恒定电压源，特性曲线如右图所示。由于该模型比较简单，在模拟电路中用得比较多。uiuott例1：二极管半波整流二极管的应用举例二极管导通电压UD＝0

例2：电路如下图所示，已知ui＝5sinωt（V），二极管导通电压UD＝0.7V。试画出ui与uo的波形。二极管的应用举例uiuott1.2半导体二极管1.2.4二极管的等效电路--equivalentcircuit3、折线模型正向导通时。相当于理想二极管串联一个等效电阻

和一个电压源Uon，特性曲线如右图所示。4、微变等效模型（小信号模型）二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。微变电阻的计算：1.2半导体二极管根据求出Q点处的微变电导：常温下T=300K时：结论：Q点的改变，也会改变，随正向电流增大而减小。值得注意的是：是二极管两端电压和电流的变化量之比1.2半导体二极管1.2.5特殊二极管稳压二极管利用PN结反向击穿后，在一定电流范围内，电压不随电流变化，这一特点制成的器件。它既具有普通二极管的单向导电特性，又可工作于反向击穿状态。1、稳压二极管UIIZminIZmaxUZIZUZ符号：稳压二极管使用注意：1、工作在反向击穿状态；

2、要有合适的限流电阻；

3、负载RL与稳压管并联。1.2半导体二极管稳压二极管举例：例4：已知稳压管的稳压值Uz=6V，稳定电流的最小值Izmin=5mA。求下图电路中Uo1和Uo2各为多少？1.2半导体二极管稳压二极管主要参数(1)稳定电压Uz在规定的工作电流Iz下，所对应的工作电压。(2)动态电阻(3)最大耗散功率

PzM＝Uz×Izmax(4)最大稳定工作电流

Izmax,最小稳定工作电流

Izmin1.2半导体二极管2、发光二极管电致发光器件，将电信号转换成光信号。正偏导通时发光。通常由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光。光的波长(颜色)与材料有关，磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄

发光二极管的开启电压和正向导通电压比普通二极管大，正向电压一般为1.3~2.4V。亮度与正向电流成正比，一般需要几～几十个毫安，使用时接限流电阻。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。光。1.2半导体二极管3、光电二极管通常由硅材料制成，管壳有接收光照的透镜窗口。

正常工作在反偏状态。无光照时，只有很小的反向饱和电流，称为暗电流（通常小于0.2uA)；有光照时，PN结受光激发，产生大量电子空穴对，形成较大的电流（光电流）;光电二极管电流与照度正比，用于信号检测、光电传感器、电机转速测量等。

1.2半导体二极管4、变容二极管—VaractorDiode通常用于高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。

变容二极管是根据普通二极管内部“PN结”的结电容能随外加反向电压的变化而变化这一原理专门设计的一种特殊二极管。在工作状态，变容二极管调制电压一般加到负极上，使变容二极管的内部结电容容量随所加电压的变化而变化。压控可变电容器1.3双极型晶体管1.3.1BJT的结构简介1.3.2BJT的电流分配与放大原理1.3.3BJT的特性曲线1.3.4BJT的主要参数三极管实物图1.3.1BJT的结构简介1.3双极型晶体管NPN型三极管的结构PNP型三极管的结构管芯结构剖面图三极管的结构特点:1.3.1BJT的结构简介1.3双极型晶体管1、发射区的掺杂浓度>>集电区掺杂浓度。2、基区很薄(1μm~几μm)且浓度很低。3、集电区面积>基区面积>发射区面积。NPN管的符号PNP管的符号ebc

ebc1.3.2BJT的电流分配与放大原理1.3双极型晶体管外部条件：发射结正偏，集电结反偏。三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。1.各极的作用：发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子1.3双极型晶体管发射区：发射结正偏多数载流子参与导电集电区：集电结反偏少数载流子参与导电基区：多数、少数载流子都参与导电

各极的导电载流子外部条件：发射结正偏，集电结反偏1.3双极型晶体管电流分配关系根据载流子的运动过程可知:其值约为：0.9～0.99。共基直流电流放大系数Common-baseDCcurrentgain定义1.3双极型晶体管载流子的运动过程1.3双极型晶体管定义：共射直流电流放大系数Common-emitterDCcurrentgain（当时，）穿透电流C-Ecut-offcurrentβ由材料、掺杂浓度以及工艺有关,反映三极管电流放大能力1.3双极型晶体管定义：共射交流电流放大系数Common-emittercurrentgain假设：变化时，

不随之变化，则：事实上β是与Ic有关的：其值约为：几十～数千常用：几十～几百1.3双极型晶体管1.3.3BJT的特性曲线一、共发射极输入特性：1.3双极型晶体管共发射极输入特性曲线共射输入特性曲线是以uCE为参变量时，iB与uBE间的关系曲线，即1.3双极型晶体管二、共发射极输出特性：共射输出特性曲线是以iB为参变量时，iC与uCE间的关系曲线，即1.3双极型晶体管输出特性三个区域的特点(1)放大区：发射结正偏，集电结反偏。

(2)截止区：

发射结截止，集电结反偏。

(3)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。

1.3双极型晶体管深度饱和临界饱和三极管工作状态总结1.3双极型晶体管状态发射结集电结IC截止UBE<UON反偏0放大正偏反偏bIB饱和正偏正偏<bIB三极管处于放大状态的特点电流关系电位关系1.3双极型晶体管三极管举例电路如图所示，β=50，VCC=12V，RB=50k，RC=5k。当VBB=-1V，2V，4V时，求晶体管的工作状态？思路：求出BJT各极电位,从而得出BE结和BC