半导体器件课件

4.1半导体的基础知识4.2PN结及半导体二极管4.3三极管第四章半导体器件模拟电路：研究输出与输入信号之间的大小、相位、失真等方面的关系。

基本电路元件：晶体管、场效应管、集成运算放大器。

基本模拟电路：信号放大及运算（信号放大、功率放大）、信号处理（采样保持、电压比较、有源滤波）、信号发生（正弦波发生器、三角波发生器等）。研究方法：建立等效模型，近似计算。导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。导体、半导体和绝缘体§4.1半导体的基本知识4.1.1本征半导体现代电子学中，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(14-6)本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，每个原子都处在正四面体的中心，而相邻四个原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有可以自由运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。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。1.载流子、自由电子和空穴+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子自由电子、空穴成对出现2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4

在其它力的作用下，空穴可吸引附近的电子来填补，其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，因此可认为空穴是载流子。

本征半导体中存在数量相等的两种载流子：自由电子和空穴。自由电子：在晶格中运动；空穴：在共价键中运动4.1.2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。N型半导体（主要载流子为电子，电子半导体）P型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）N型半导体多余电子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSi硅或锗+少量磷N型半导体空穴P型半导体硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动硅或锗+少量硼P型半导体4.2.1PN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。§4.2PN结及半导体二极管(14-18)P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动就越强，而漂移的结果使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。(14-19)P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动

当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡时，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。(14-21)1.空间电荷区中几乎没有载流子。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:4.2.2PN结的单向导电性

PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。

PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。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+_正向电流发光稳压检波开关4.2.3半导体二极管(1)、基本结构PN结加上管壳和引线

结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(14-29)UI

理想二极管：正向导通----管压降为零反向截止----相当于断开导通压降硅0.7V锗0.2V

二极管电路分析

分析方法：

1.断开二极管

2.a)分析其两端电位高低，

b)或其两端所加电压UD的正负。3.a)V阳>V阴→导通

V阳<V阴→截止

b)UD>0→导通

UD<0→截止二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例例1：二极管半波整流例2：已知：管子为锗管，VA=3V，VB=0V。导通压降为0.3V，试求：VY=?方法：先判二极管谁优先导通，导通后二极管起嵌位作用两端压降为定值。因：VA>VB故：DA优先导通DB截止若：DA导通压降为0.3V则：VY=2.7V解：DA-12VVAVBVYDBR(14-33)例3：已知：管子为锗管，VA=3V，VB=0V。导通压降为0.3V，试求：VY=?方法：先判二极管谁优先导通，导通后二极管起嵌位作用两端压降为定值。因：VA<VB故：DB

优先导通DA截止若：DB导通压降为0.3V则：VY=0.3V解：DAVAVBDBVY+12VRFD1D2AB-12V例4：-0.3V2.7V2.7V2.7V设二极管的导通压降为0.3伏。FD1D2AB+12V例5：设二极管的导通压降为0.3伏。0.3V0.3V0.3V3.3Vui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例6：二极管的用途：

整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––符号UZIZIZMUZIZ伏安特性

稳压管正常工作时，需加反向电压，工作于反向击穿区。使用时要加限流电阻稳压原理：稳压管反向击穿以后，电流变化很大，但其两端电压变化很小。_+UIO曲线越陡电压越稳4.2.4稳压二极管(1)

稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)

电压温度系数U

环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3)

动态电阻(4)

稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(5)

最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。稳压二极管的主要参数:例1：已知：Uz=12V，IZM=18mA，R=1.6KΩ。试求：Iz=?限流电阻R

的阻值是否合适？解：Iz=(20–Uz)/R=(20-12)/1.6x103

=5mA因：IZ<IZM故：限流电阻R

的阻值合适+IZDZ+20VR=1.6kUZ=12VIZM=18mA§3.4半导体三极管(a)金属圆壳封装三极管

(b)塑料封装三极管

(c)大功率三极管

3.4.1

基本结构常见：硅管主要是平面型，锗管都是合金型(a)平面型(b)合金型BEP型硅N型硅SiO2保护膜铟球N型锗N型硅CBECPP铟球结构图NPN型晶体管PNP型晶体管发射区集电区基区集电结发射结基极发射极集电极CENNPB发射区集电区基区发射结集电结集电极发射极基极CEPPNBNNCEBPCETBIBIEIC符号BECPPNETCBIBIEIC符号(14-43)基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大发射结集电结BECNNP基极发射极集电极+++++++++++++__________________________+++++++++++++BECNNP

三极管放大的外部条件：发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VBNPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

EBRBECRC3.4.2电流分配和放大原理从电位的角度看晶体管电流放大的实验电路

设EC=6V，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，测量结果如下表：

各电极电流关系及电流放大作用mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05(1)IE=IB+IC符合基尔霍夫定律(2)IC

IB

，

IC

IE

(3)IC

IB

晶体管的电流放大作用：基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大的变化。

放大实质：用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，晶体管是电流控制器件。晶体管电流测量数据结论:ICIEIB+UCE+

UBE

B

NPN型晶体管+UBE

IBIEIC

B+UCEPNP型晶体管晶体管起放大作用的条件：发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。晶体管内部运动发射区向基区扩散电子电子在基区扩散和复合集电区收集从发射区扩散过来的电子BECNNP基极发射极集电极电流分配和放大原理BECNNPEBRBECIEIBE

基区空穴向发射区的扩散可忽略.

进入P

区的电子除极少数与基区空穴复合，形成电流IBE,基区要薄，浓度小，使绝大多数电子扩散到集电结.

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。BECNNPEBRBECIEICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE

集电结反偏，由少子形成的反向电流ICBO，受温度影响比较大。

从发射区扩散到基区到达集电区边缘的电子被拉入集电区形成ICE。IB=IBE-ICBOIBEIB直流电流放大倍数：ICE与IBE之比

要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。4.3.3特性曲线

即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线：

1）直观地分析管子的工作状态

2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路

重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线输入回路输出回路一、输入特性曲线UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE=0VUCE=0.5V0IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V特点:非线性

工作压降

硅管UBE0.6~0.7V锗管UBE0.2~0.3V死区电压硅管0.5V锗管0.1V二、输出特性曲线IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0称为放大区或线性区当UCE大于一定数值时,IC只与

IB有关,且IC=IB发射结正偏集电结反偏(14-58)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0深度饱和时硅管UCES0.3V锗管UCES0.1V此区域中：UCEUBE,发射结正偏，集电结正偏，IC<IB，称为饱和区(14-59)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0

此区域中：IB=0,IC=ICEOUBE<死区电压，发射结反偏，集电结反偏，称为截止区。(14-60)输出特性三个区域的特点放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：UCE>

UBE

，IC=IB,且IC

=

IB+UBE>0

CTEICIEIB+UCEB

-

UBC<0+

(14-61)(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC+IEB+UBE>

0

CTE

-

UBC>

0+

(14-62)(3)截止区：发射结反偏，集电结反偏。

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

IC=0IB=0+UCE

UCCIEB+UBE≤0

CTE

-

UBC<0+

(14-63)例1:

=50，USC

=12V,

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V

时，晶体管工作于哪个区？解：当USB

=-2V时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0T管工作于截止区

(14-64)T管工作于放大区ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE解：USB

=2V时：IC最大饱和电流：(14-65)解：USB

=5V时:ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBET管工作于饱和区，因IC和IB

已不是倍的关系IC最大饱和电流：(14-66)已知UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA求和。IB=60A,IC=2.3mA在以后的计算中，一般作近似处理：=例题￣解：IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2(14-67)三、主要参数

前述电路中，三极管的发射极是输入和输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：

工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：1.电流放大倍数和

(14-68)2.集-基极反向截止电流ICBO

ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBOICBOA+–EC3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。(14-69)4.集电极最大允