第四章半导体器件

1Chapter4半导体分立器件及其基本电路2/22第1讲半导体的基本知识PN结及其单向导电特性3/224.1半导体的基本知识与PN结4.1.1

半导体的基本知识1.本征半导体导体：自然界中很容易导电的物质。金属一般都是导体。绝缘体：几乎不导电的物质。如橡胶、陶瓷、塑料和石英。半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。物质按导电性可分为4/22完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。

+4+4+4+4+4+4+4+4共价键通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。有时把半导体叫做晶体。在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。5/22本征半导体的导电机理6/22本征半导体的导电机理共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，因此本征半导体的导电能力很弱。7/22本征半导体的导电机理在绝对零度（T=0K）和没有外界激发时，价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。8/22本征半导体的导电机理在常温下，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。自由电子和空穴的数量是一样多的。9/22本征半导体的导电机理在其它力的作用下，空穴吸引邻近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。10/22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。温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强。因此，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电机理11/22半导体的导电机理不同于导体，所以它具有不同于导体的特点。比如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。本征半导体的导电机理12/222.杂质半导体半导体的基本知识与PN结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。其原因是掺杂使半导体的某种载流子浓度大大增加。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。13/22N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子因给出一个电子，被称为施主原子。+4+4+4+4+4+4+4+5+5自由电子正离子14/22N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的自由电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度。所以，自由电子的浓度远大于空穴的浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。15/22P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼。晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。硼原子因接受电子，被称为受主原子。+4+4+4+4+4+4+4+3+3空穴负离子16/22P型半导体中的载流子是什么？1、由受主原子提供的空穴，浓度与受主原子相同。2、本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度。所以，空穴的浓度远大于自由电子的浓度。空穴称为多数载流子（多子），自由电子称为少数载流子（少子）。17/22杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体18/224.1.2PN结半导体的基本知识与PN结1.PN结的形成

在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体。在两种半导体交界面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。19/22P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20/22漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。21/22漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E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。22/221、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴、N区中的自由电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P区中的自由电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意23/222.PN结的单向导电性半导体的基本知识与PN结

PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：当PN结加外电压时，外电压的正极接P区、负极接N区。

PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：当PN结加外电压时，外电压的负极接P区、正极接N区。常用术语：24/22PN结正向偏置－－－－++++内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱,多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流25/22－－－－++++内电场外电场变厚NP_内电场被加强,多子的扩散受抑制。少子漂移加强,但少子数量有限,只能形成较小的反向电流。PN结反向偏置26/22PN结的特性当PN结外加正向电压时，有较大的正向电流，PN结导通，呈现一低电阻。当PN结外加反向电压时，电流很小，PN结截止，呈现一高电阻。单向导电性PN结是组成各种半导体器件的基础单元27/17第2讲半导体二极管及其应用电路28/174.2半导体二极管及其应用电路4.2.1半导体二极管

将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。+−iDuD电路符号1、二极管的符号29/17(2)面接触型二极管(1)点接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频路。二极管按结构可分为：30/222、二极管伏安特性(1)正向特性当V>0即处于正向特性区域，正向区又分为两段当0<V<Vth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。当V>Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V正向特性死区电压31/17604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V死区电压硅管：0.5V，锗管：0.1V。导通时的正向压降硅管：0.6~0.7V，锗管：0.2~0.3V。(1)正向特性2、二极管伏安特性正向特性死区电压第一象限是毫安级的，第三象限是微安级。正向导通压降是在管子正向导通的时候，二极管两端的电压，也就是它引起的压降；32/222、二极管伏安特性(2)反向特性当V<0时，即处于反向特性区域，反向区也分为两个区域当VBR<V<0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称为反向饱和电流IS

。希望这个电流越小越好。当V>VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。33/17

当反向电压增大至U(BR)时，反向电流将突然增大。二极管失去单向导电性。(3)反向击穿特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V(2)反向特性小功率硅管：＜1A小功率锗管：10~100A当u＜0时，i=−Is（反向饱和电流）击穿电压U(BR)反向特性反向击穿34/173、主要参数

(2)最高反向工作电压UDRM

保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压，一般是击穿电压的一半。(1)最大整流电流IFM

二极管长时间使用时允许流过的最大正向平均电流。(3)最大反向电流IRM指二极管在常温下承受最高反向工作电压时的反向饱和电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。所以在使用二极管时要注意温度的影响。硅二极管在nA级，锗二极管在uA级。35/174、二极管的电路模型

二极管是一种非线性器件，一般采用非线性电路的模型分析法。+−iDuD在正向偏置时，其管压降为零，相当于开关的闭合。当反向偏置时，其电流为零，阻抗为无穷，相当于开关的断开。具有这种理想特性的二极管也称为理想二极管(1)理想模型+−iDuD在实际电路中，当电源电压远大于二极管管压降时，利用此模型分析是可行的。36/174、二极管的电路模型

二极管是一种非线性器件，一般采用非线性电路的模型分析法。oiDuD二极管导通后，硅管：uD＝0.7V，锗管：uD＝0.3V。(2)恒压降模型是指二极管正向导通时，其管压降为恒定值，且不随电流而变化。只有当二极管的电流ID大于等于1mA时才是正确的。反偏时与理想模型是一样的。37/174.2.2二极管应用电路

利用二极管的单向导电性，可组成整流、检波、限幅、保护等电路。例图示电路是一限幅电路。当tui/V画出输出电压波形(用理想模型)。uiuO＋－UREFRD＋－＋－R=1k，UREF=3V时，38/17常用的判断方法是：

首先假设二极管断开，然后求得二极管阳极与阴极之间将承受的电压UU>导通电压，二极管正向偏置，导通；U<导通电压，二极管反向偏置，截止；理想二极管的导通电压＝0分析：

判断二极管在电路中的状态：导通还是截止。阳极电位和阴极电位做比较。uiuO＋－UREFRD＋－＋－39/17uAB＝ui－3二极管导通当ui>3时，uAB>0ui＋－R＋－3V＋－uo当ui<3时，uAB<0二极管截止uiR＋－＋－uo＋－3Vui＋－R＋－3VABuo＝3Vuo＝ui断开二极管40/17tui/V33uo/Vt2）画输出波形图当ui>3时，uo＝3V当ui<3时，uo＝uiuiuO＋－UREFRD＋－＋－R=1k，UREF=3V41/174.2.3特殊二极管

是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样。I/mAOUZIZIZM+正向+反向UZIZU/V1.稳压管

稳压管反向击穿后，电流虽在很大范围内变化，但其两端的电压变化很小。——稳压特性42/17

电阻R的作用:起限流作用，以保护稳压管；

当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。稳压二极管在工作时应反接，并串入一个调节电阻R。稳压二极管稳压电路43/17稳压原理分析：例：假设RL不变，UI增大UIUO

IZIUR

UO基本不变电阻R上电压的增加量与输入电压UI的增加量差不多44/172.发光二极管

当电流流过时，发光二极管发光。光的颜色由二极管材料（如砷化镓、磷化镓）决定。发光二极管通常用作显示器件，工作电流一般在几mA至几十mA之间。另一重要作用：将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后用光电二极管接收，再现电信号。发光二极管的符号45/173.光电二极管

光电二极管工作于反向运用状态，可将光信号转变为电信号。其特点是它的反向电流与照度成正比。IV照度增加I光电二极管的符号46/20第3讲半导体三极管47/204.4.1半导体三极管1、三极管的结构和符号NNPBEC基极发射极集电极NPNPPNBEC基极发射极集电极PNP按结构可分为：NPN型和PNP型。48/20BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高49/20BECNNP基极发射极集电极发射结集电结50/20BECNPN型三极管BECPNP型三极管三极管的符号

发射极的箭头代表发射结正向偏置时发射极电流的实际方向。51/202、三极管的电流分配与放大作用

用实验说明三极管的电流分配与放大作用。

为了使三极管具有放大作用，电源UB和UC

必须使发射结加正向电压，集电结加反向电压。

改变可变电阻RB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE

都发生变化，52/20IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05三极管电流测量数据结论：(1)符合KCL，且

IC≈IE(2)

有电流放大作用。电流放大系数：前者表示直流，后者表示交流。53/20BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管NPN型与PNP型三极管的工作原理相同，只是使用时所加电源的极性不同。54/203、特性曲线

实验电路三极管各电极电压与电流之间的关系曲线55/20（1）输入特性iB(A)uBE(V)204060800.40.8UCE1V

死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。工作压降：硅管UBE0.6~0.7V锗管UBE0.2~0.3V56/20（2）输出特性iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为放大区。当UCE大于一定的数值，使集电结反偏时，IC只与IB有关，IC=IB。发射结正偏，集电结反偏57/20iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。发射结、集电结均正偏58/20iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEOUBE<死区电压，称为截止区。发射结、集电结均反偏59/20iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A截止区放大区饱和区发射结正偏集电结反偏发射结正偏集电结正偏发射结反偏，集电结反偏小结60/20（a）3V3.7V8V-3V2V2.3V（b）例判断工作在放大状态的三极管的型号、材料、管脚。61/20分析：1）工作于放大状态的三极管，发射结应正偏，集电结应反偏，因而NPN型有VC>VB>VE，PNP型有VC<VB<VE。可见基极电位总是居中，据此可确定基极。2）硅管|UBE|=0.6~0.8V，锗管|UBE|=0.2~0.4V，则与基极电位相差此值的电极为发射极，并可判断是硅管还是锗管。3）余下一电极为集电极。4）集电极电位为最高的是NPN型管，集电极电位为最低的是PNP型管。62/20（a）NPN型硅管，-发射极，-基极，-集电极（b）PNP型锗管，-集电极，-基极，-发射极（a）3V3.7V8V-3V2V2.3V（b）63/20例

测得电路中三极管3个电极的电位如图所示。问哪些管子工作于放大状态，哪些处于截止、饱和状态，哪些已损坏？硅管-3V0V-2.7V发射结、集电结均反偏，管子工作于截止状态。硅管−2.8V−1.4V−3.5V发射结正偏、集电结反偏，管子工作于放大状态。64/20锗管1.2V1.3V1.5V发射结、集电结均正偏，管子工作于饱和状态。锗管−0.3V−3V0V发射结正偏、集电结反偏，管子工作于放大状态。硅管2V12V−0.7VUBE=2.7V，远大于发射结正偏时的电压，故管子已损坏。65/23第4讲放大电路的基本概念共发射极放大电路66/234.3放大电路的基本概念及其性能指标4.3.1放大电路的基本概念电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。放大电路RL++Rs+信号源负载放大的对象：输入信号（电压或电流）放大的本质：能量的控制放大的特征：功率放大放大的基本要求：不失真放大67/234.3.2放大电路的性能指标1.放大倍数

电压增益（电压放大倍数）电流增益

表征放大电路对微弱信号的放大能力，又称增益。放大电路RL++Rs+68/232.输入电阻ri放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。放大电路RL++Rs+69/23放大电路输入电阻：RSIi.Ui.70/233.输出电阻ro放大电路对其负载而言，相当于信号源，我们可以将它等效为戴维宁等效电路，这个戴维宁等效电路的内阻就是输出电阻。ro是衡量放大电路带负载能力的指标。ARSUS.ro71/23?如何确定电路的输出电阻？1、所有的电源置零。2、加压求流法。将独立源置零，保留受控源。ARS+-U.I.72/234.4.2共发射极放大电路以共发射极放大电路为例讲解放大电路的分析方法

利用三极管组成的放大电路，其中一个电极作为信号输入端，另一个电极作为信号输出端，第三个电极作为输入、输出回路的公共端。根据公共端的不同，三极管放大电路有三种形式BEC共发射极放大电路共基极放大电路共集电极放大电路73/23RB+ECEBRCC1C2T共发射放大电路的组成放大元件iC=iB，工作在放大区，条件发射结正偏，集电结反偏。uiuo输入输出？参考点74/23集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。RB+ECEBRCC1C2T75/23集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。RB+ECEBRCC1C2T76/23使发射结正偏，并提供合适的基极电流。RB+ECEBRCC1C2T基极电源与基极电阻77/23耦合电容RB+ECEBRCC1C2T隔离输入输出与电路直流的联系,同时能使信号顺利输入输出。78/23单电源供电可以省去RB+ECEBRCC1C2T79/23RB+ECRCC1C2T80/23uiuoRB+ECRCC1C2T放大电路工作时交、直流共存共发射放大电路的工作原理iBuCEiC81/23符号规定：直流量：字母大写，下标大写。IB，IC，UCE。交流量：字母小写，下标小写。ib，ic，uce。瞬时量：字母小写，下标大写。iB，iC，uCE。82/232.静态分析

当输入信号ui=0时，电路中各电压、电流均为直流，故称静态。静态分析：确定电路静态时的IB、IC、UCE即静态工作点Q。（1）用估算法确定静态工作点QC开路83/23输入回路输出回路由直流通路85/23电路如图所示。已知三极管的UBE=0.7V，β=50，Rb=377kΩ，Rc=6kΩ，RL=3kΩ，Rs=100Ω，VCC=12V。试计算：电路的静态工作点Q。例86/23根据直流通路，有则ICQ=βIBQ

=500.03=1.5（mA）

UCEQ=VCC－ICQRc

=12－1.56=3V解：IBQICQ87/18第5讲共发射极放大电路的分析88/183.动态分析动态

当放大电路输入信号ui后，电路中各电压、电流在其静态值附近随信号变化的工作状态。动态分析

分析信号的传输情况，即计算放大电路的性能指标如Au、ri、ro等。89/18（1）三极管的小信号模型首先考察输入回路iBuBE

当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。uBEiB对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。90/18对于小功率三极管：rbe的数量级从几百欧到几千欧。91/18考察输出回路iCuCE所以：输出端相当于一个受ib控制的电流源。近似平行输出端还要并联一个大电阻rce。92/18iCuCEiCuCErce的含义数百kΩ93/18ubeibuceicuberbeibib

rceuceicrce很大，一般忽略94/18弄清楚等效的概念：1、对谁等效。2、怎么等效。++−−ibicubeucebeecib+−uceiccerbeubeib+−be95/18（2）放大电路的小信号等效电路将交流通道中的三极管用小信号模型代替a.画交流通路规则：C短路VCC对地短路整理得交流通路96/18b.画出小信号等效电路三极管用小信号模型代替放大电路的小信号等效电路97/18（3）计算放大电路的性能指标电压放大倍数Au由输入回路：由输出回路：负号表示uo与ui反相98/18输入电阻ri电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。共发射极放大电路的输入电阻低。99/18输出电阻ro受控电流源相当于开路，ro100/18(4)riC1C2RB+VCCRCT-+uiRL+-uO(1)静态值IB、IC、UCE例已知：VCC=12V，RC=3k，RB=300k，=50。试求：(2)输出端开路时的电压放大倍数；(3)输出端接上RL时的电压放大倍数；(5)ro101/18(1)解：直流通路RB+VCCRCTIBIC102/18rbe＋－ibicibRBuiRC＋－uO（2）画出小信号等效电路103/18rbe＋－ibicibRBuiRCRL＋－uO（3）画出小信号等效电路(4)(5)104/17第6讲放大电路的失真分析射极偏置电路射极输出器105/174.放大电路失真分析为了得到尽