半导体基础知识

2.1

半导体的基础知识2.2

半导体二极管2.3

二极管电路的分析方法2.4

特殊二极管小结2.5

双极型半导体三极管第2章半导体器件2.1半导体的基础知识2.1.1本征半导体2.1.2杂质半导体2.1.3

PN结2.1.1

本征半导体半导体—本征半导体—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子

—自由运动的带电粒子。共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。元素半导体：硅、锗化合物半导体：砷化镓掺杂：硼、磷等半导体的重要物理特性是它的电导率，电导率与材料内单位体积中含的电荷载流子的数量有关。硅(锗)的原子结构简化模型惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动本征激发：复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动

结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；

2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；

3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。2.1.2杂质半导体一、N型半导体和P型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数

电子数2.1.2杂质半导体一、N型半导体和P型半导体P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子电子—少子载流子数

空穴数二、杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN型半导体I

INP型半导体

I

IP三、P型、N型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数载流子PN2.1.3PN结一、PN结(PNJunction)的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散2.复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层)空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。内建电场3.扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。二、PN结的单向导电性1.外加正向电压(正向偏置)—forwardbiasP区N区内电场外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子I少子

I多子2.外加反向电压(反向偏置)

—reversebias

P

区N

区内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;

反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子

0三、PN结的伏安特性反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT

=26mVOu

/VI

/mA正向特性反向击穿加正向电压时加反向电压时i≈–IS2.2

半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构和类型1.2.2二极管的伏安特性1.2.3二极管的主要参数2.2.1半导体二极管的结构和类型构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金正极

引线负极

引线集成电路中平面型PNP型支持衬底2.2.2二极管的伏安特性一、PN结的伏安方程反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT

=26mV二、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD

=0Uth

=

0.5V

0.1V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0U

Uth

UD(on)

=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V锗管0.2V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)

U0iD=IS<0.1A(硅)

几十A

(锗)U<

U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。

(击穿电压<6V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(击穿电压>6V，正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020二极管的电阻根据电阻的定义R=U/I，可见二极管电阻是随电压变化的，所以是非线性电阻。0iD

/mAuD/V但若把电流控制在某小区域变化，这时的微变电阻则可看作线性的。温度对二极管特性的影响iD

/mAT

升高时，UD(on)以(22.5)mV/C下降604020–0.0200.4–25–50uD/V20C90C2.2.3二极管的主要参数1.

IF—

最大整流电流(最大正向平均电流)2.

URM—

最高反向工作电压，为U(BR)/2

3.

IR

—

反向电流(越小单向导电性越好)4.

fM

—

最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO影响工作频率的原因—PN结的电容效应

结论：1.低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗减小，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。2.3

二极管电路的分析方法1.3.1理想二极管及二极管特性的折线近似1.3.2图解法和微变等效电路法2.3.1理想二极管及二极管特性的折线近似一、理想二极管特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=二、二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)三、二极管的折线近似模型uDiDUD(on)UI斜率1/rDrD1UD(on)UD(on)例2.3.1

硅二极管，R=2k，分别用二极管理想模型和恒压降模型求出VDD=2V和VDD=10V时IO和UO的值。[解]VDD=2V

理想IO=VDD/R=2/2

=1(mA)UO=VDD=2V恒压降UO=VDD–UD(on)=20.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2

=0.65(mA)VDD=10V

理想IO=VDD/R=10/2

=5(mA)恒压降UO=100.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)VDD大，

采用理想模型VDD小，

采用恒压降模型例2.3.2

试求电路中电流I1、I2、IO和输出电压

UO的值。解：假设二极管断开UP=15VUP>UN二极管导通等效为0.7V的恒压源PNUO=VDD1

UD(on)=150.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UOVDD2)/R=(14.312)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)例2.3.3二极管构成“门”电路，设V1、V2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时，求输出电压UO的值。0V正偏导通5V正偏导通0V输入电压理想二极管输出电压UAUBV1V20V0V正偏导通正偏导通0V0V5V正偏导通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏导通0V5V5V正偏导通正偏导通5V例2.3.5

ui=2sin

t(V)，分析二极管的限幅作用。ui较小，宜采用恒压降模型ui<0.7VV1、V2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7VV2导通V１截止ui<

0.7VV1导通V2截止uO=0.7V思考题:

V1、V2支路各串联恒压源，输出波形如何？(可切至EWB)OtuO/V0.7Otui

/V20.7uiudRidrd三、小信号电路分析法对于交流信号电路可等效为例1.3.6

ui

=5sint(mV)，VDD=4V，R=1k，求iD和uD。[解]

1.静态分析令ui

=0，取UQ0.7VIQ=(VDDUQ)/R=3.3mA2.动态分析rd=26/IQ=26/3.38()Idm=Udm/rd=5/80.625(mA)id

=0.625sint3.总电压、电流=(0.7+0.005sint)V=(3.3+0.625sint)mA2.4

特殊二极管2.4.1稳压二极管2.4.2光电二极管2.4.1稳压二极管一、伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ

/mAuZ/VOUZ

IZmin

IZmaxUZIZIZ特性二、主要参数1.

稳定电压UZ

流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流IZ

越大稳压效果越好，小于Imin

时不稳压。3.

最大工作电流IZM

最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4.动态电阻rZrZ

=UZ/IZ越小稳压效果越好。几几十5.稳定电压温度系数CTV一般，UZ<4V，CTV<0(为齐纳击穿)具有负温度系数；UZ>7V，CTV>0(为雪崩击穿)具有正温度系数；4V<UZ<7V，CTV很小。例2.4.1

分析简单稳压电路的工作原理，

R为限流电阻。IR=IZ+ILUO=UI

–IRRUIUORRLILIRIZ2.4.2发光二极管与光敏二极管一、发光二极管LED(LightEmittingDiode)1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(12)V符号u/Vi

/mAO2特性2.主要参数电学参数：IFM

，U(BR)

，IR光学参数：峰值波长P，亮度

L，光通量发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光点阵LED七段LED,二、光敏二极管1．符号和特性符号特性uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：反向偏置2.主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片2.5双极型半导体三极管2.5.1晶体三极管2.5.2晶体三极管的特性曲线2.5.3晶体三极管的主要参数(SemiconductorTransistor)2.5.1晶体三极管一、结构、符号和分类NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区—集电区emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型ECBECB分类：按材料分：硅管、锗管按功率分：

小功率管<500mW按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管大功率管>1W中功率管0.51W1.三极管内部载流子的传输过程1)

发射结BE正偏，发射区多子电子向基区扩散，形成发射极电流

IE。ICNIEIBN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO2)电子到达基区后多数向BC结方向扩散被集电结内强电场吸引，使其快速漂移过集电结，形成

ICN。少数与空穴复合，形成

IBN

。二、电流放大原理ICNIEIBNI

CBOIB

3)

集电区收集漂移过来的载流子形成集电极电流ICICIC=ICN+ICBO2.三极管的电流分配关系当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB=I

BN

ICBOIC=ICN+ICBO穿透电流IE=IC+IB通常穿透电流都很小3.三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏4.满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极实现电路:2.5.2晶体三极管的特性曲线一、输入特性输入回路输出回路与二极管特性相似O特性基本重合(电流分配关系确定)特性右移(因集电结开始吸引电子)导通电压UBE(on)硅管：(0.60.8)V锗管：

(0.20.3)V取0.7V取0.2V二、输出特性iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321截止区：

IB0

IC=ICEO0条件：两个结反偏截止区ICEOiC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212.放大区：放大区截止区条件：

发射结正偏集电结反偏特点：

水平、等间隔ICEOiC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843213.饱和区：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0条件：两个结正偏特点：IC

IB临界饱和时：

uCE

=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(锗管)放大区截止区饱和区ICEO三、温度对特性曲线的影响1.温度升高，输入特性曲线向左移。温度每升高1C，UBE

(22.5)mV。温度每升高10C，ICBO

约增大1倍。OT2>T12.温度升高，输出特性曲线向上移。iCuCET1iB

=0T2>iB

=0iB

=0温度每升高1C，

(0.51)%。输出特性曲线间距增大。O2.5.3晶体三极管的主要参数一、电流放大系数1.共发射极电流放大系数iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321—直流电流放大系数

—交流电流放大系数一般为几十

几百QiC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212.共基极电流放大系数

1一般在0.98以上。

Q二、极间反向饱和电流CB极间反向饱和电流

ICBO，CE极间反向饱和电流ICEO。三、极限参数1.ICM

—集电极最大允许电流，超过时

值明显降低。2.PCM—集电极最大允许功率损耗PC=iC

uCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区U(BR)CBO

—发射极开路时C、B极间反向击穿电压。3.U(BR)CEO

—基极开路时C、E极间反向击穿电压。U(BR)EBO

—集电极极开路时E、B极间反向击穿电压。U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO小结第2

章一、两种半导体和两种载流子两种载流子的运动电子—自由电子空穴—价电子两种半导体N型(多电子)P型(多空穴)二、二极管1.特性—单向导电正向电阻小(理想为0)，反向电阻大()。iDO

uDU(BR)IFURM2.主要参数正向—最大平均电流IF反向—最大反向工作电压U(BR)(超过则击穿)反向饱和电流IR(IS)(受温度影响)IS3.二极管的等效模型理想模型(大信号状态采用)uDiD正偏导通电压降为零相当于理想开关闭合反偏截止电流为零相当于理想开关断开恒压降模型UD(on)正偏电压UD(on)

时导通等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开UD(on)=(0.60.8)V估算时取0.7V硅管：锗管：(0.10.3)V0.2V折线近似模型相当于有内阻的恒压源UD(on)4.二极管的分析方法模型法微变等效电路法5.特殊二极管工作条件主要用途稳压二极管反偏稳压发光二极管正偏发光光敏二极管反偏光电转换三、半导体放大器件晶体三极管1.形式与结构NPNPNP三区、三极、两结2.特点基极电流控制集电极电流并实现放大放大条件内因：发射区载流子浓度高、

基区薄、集电区面积大外因：发射结正偏、集电结反偏3.电流关系IE=IC+IBIC=

IB+ICEO

IE=(1+)

IB+ICEOIE=IC+IBIC=

IB

IE