模电助教版第1章常用半导体器件

模拟电子技术基础引言“电子技术”开设两门课——“模拟电子技术”

“数字电子技术”

教材与参考书见P629

要求：内容（目录）

作业、考试

课程地位发展与应用

（研究电子器件及其应用的一门学科。或基于半导体器件。）两门课的区别：

·消息信息信号电信号

模拟电信号——模拟电路——模拟系统如TV

数字电信号——数字电路——数字系统如PC

脉冲信号——脉冲电路模数转换（A/D，D/A）——“并存”、“兼容”、数字化原因声音图像方波L=0H=1+14模电

第一章常用半导体器件1.1半导体器件工作机理

1.1.1半导体的导电特性

P597

分:导体(<10-4·cm),半导体(10－3～10＋9·cm),绝缘体(>10+10·cm).+4价电子原子核惯性核

简化模型(b)

：Si14原子结构模型(a):一、本征半导体例:单晶硅(本征硅Si14)例:单晶硅(本征硅Si14)例:单晶硅(本征硅Si14)一、本征半导体—价电子、共价键、自由电子+14Si14原子结构模型(a):价电子原子核+4惯性核

简化模型(b)

：例:单晶硅(本征硅Si14)+4+4+4+4+4+4+4+4一、本征半导体—价电子、共价键、自由电子+14Si14原子结构模型(a):晶体与非晶体晶格与单晶例:单晶硅(本征硅Si14)+4+4+4+4+4+4+4+4一、本征半导体—“电子空穴对”、“复合”、两种载流子—本征激发(热激发)ni(T)

=pi(T)—价电子、共价键、自由电子动态平衡(光激发)热敏元件光敏元件晶体与非晶体晶格与单晶+5+4+4+4+4+4+4+4ni(T)

>>

pi(T)二、杂质半导体1.N型半导体:掺入P15施主原子多子:电子 少子:空穴 +++++++++++++++N型半导体的简化示图正离子多数载流子少数载流子negative少子浓度——与温度有关多子浓度——与温度无关+3+4+4+4+4+4+4+4ni(T)

<<

pi(T)二、杂质半导体2.P型半导体:掺入B5受主原子多子:空穴 少子:电子 ---------------P型半导体的简化示图负离子多数载流子少数载流子positive少子浓度——与温度有关多子浓度——与温度无关1.1.2PN结的形成P601

1.扩散与漂移运动——内建电场E——动态平衡

2.PN结、“空间电荷层”、“势垒区”、“阻挡层:”、“耗尽层”、“电阻”(高阻区)

---------------+++++++++++++++

P型多子空穴少子电子N型多子电子少子空穴(PNJunction)1.1.2PN结的形成P601

1.扩散与漂移运动——内建电场E——动态平衡

2.PN结、“空间电荷层”、“势垒区”、“阻挡层:”、“耗尽层”、“电阻”(高阻区)

P型多子空穴少子电子N型多子电子少子空穴---------------+++++++++++++++负离子

PN结

正离子E内(PNJunction)---------------+++++++++++++++负离子

PN结

正离子E内

P型多子空穴少子电子N型多子电子少子空穴1.1.2PN结的形成P601

1.扩散与漂移运动——内建电场E——动态平衡

2.PN结、“空间电荷层”、“势垒区”、“阻挡层:”、“耗尽层”、“电阻”(高阻区)

(PNJunction)---------------+++++++++++++++负离子

PN结

正离子E内

P型多子空穴少子电子N型多子电子少子空穴1.1.2PN结的形成P601

1.扩散与漂移运动——内建电场E——动态平衡

2.PN结、“空间电荷层”、“势垒区”、“阻挡层:”、“耗尽层”、“电阻”(高阻区)

(PNJunction)---------------+++++++++++++++负离子

PN结

正离子E内

P型多子空穴少子电子N型多子电子少子空穴1.1.2PN结的形成P601

1.扩散与漂移运动——内建电场E——动态平衡

2.PN结、“空间电荷层”、“势垒区”、“阻挡层:”、“耗尽层”、“电阻”(高阻区)

(PNJunction)1.1.3PN结的单向导电性(定性分析)

1.外加正向电压(“正偏”)—正向电流IF2.外加反向电压(“反偏”)—反向电流IR

3.PN结具有单向导电性。(IF>>IR)4.PN结的伏安特性(定量分析)

P型多子空穴少子电子N型多子电子少子空穴---------------+++++++++++++++负离子

PN结

正离子E内正向偏置—forwardbias反向偏置—reversebias

1.1.3PN结的单向导电性(定性分析)

1.外加正向电压(“正偏”)—正向电流IF2.外加反向电压(“反偏”)—反向电流IR

3.PN结具有单向导电性。(IF>>IR)4.PN结的伏安特性(定量分析)+V-

P型多子空穴少子电子N型多子电子少子空穴---------------+++++++++++++++负离子

PN结

正离子E内RI(IF)+U-E外限流电阻---------------+++++++++++++++负离子

PN结

正离子E内R+V-I(IF)+U-E外

P型多子空穴少子电子N型多子电子少子空穴1.1.3PN结的单向导电性(定性分析)

1.外加正向电压(“正偏”)—正向电流IF2.外加反向电压(“反偏”)—反向电流IR

3.PN结具有单向导电性。(IF>>IR)4.PN结的伏安特性(定量分析)限流电阻---------------+++++++++++++++负离子

PN结

正离子E内R-V+I(IR)+U-E外1.1.3PN结的单向导电性(定性分析)

1.外加正向电压(“正偏”)—正向电流IF2.外加反向电压(“反偏”)—反向电流IR

3.PN结具有单向导电性。(IF>>IR)4.PN结的伏安特性(定量分析)

P型多子空穴少子电子N型多子电子少子空穴限流电阻---------------+++++++++++++++负离子

PN结

正离子E内R-V+I(IR)+U-E外1.1.3PN结的单向导电性(定性分析)

1.外加正向电压(“正偏”)—正向电流IF2.外加反向电压(“反偏”)—反向电流IR

3.PN结具有单向导电性。(IF>>IR)4.PN结的伏安特性(定量分析)

P型多子空穴少子电子N型多子电子少子空穴限流电阻---------------+++++++++++++++负离子

PN结

正离子E内R-V+I(IR)+U-E外1.1.3PN结的单向导电性(定性分析)

1.外加正向电压(“正偏”)—正向电流IF2.外加反向电压(“反偏”)—反向电流IR

3.PN结具有单向导电性。(IF>>IR)4.PN结的伏安特性(定量分析)

P型多子空穴少子电子N型多子电子少子空穴限流电阻---------------+++++++++++++++负离子

PN结

正离子E内R-V+I(IR)+U-E外

P型多子空穴少子电子N型多子电子少子空穴I=IS(eU

/UT

-1)a.正偏U>UT时:I=IF

ISeU

/UTb.反偏U<0时:I=IR

-IS

(“反向饱和电流”)1.1.3PN结的单向导电性(定性分析)

1.外加正向电压(“正偏”)—正向电流IF2.外加反向电压(“反偏”)—反向电流IR

3.PN结具有单向导电性。(IF>>IR)4.PN结的伏安特性(定量分析)reversesaturationcurrent限流电阻UBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性1.1.3PN结的单向导电性(定性分析)

1.外加正向电压(“正偏”)—正向电流IF2.外加反向电压(“反偏”)—反向电流IR

3.PN结具有单向导电性。(IF>>IR)4.PN结的伏安特性(定量分析)I=IS(eU

/UT

-1)a.正偏U>UT时:I=IF

ISeU

/UTb.反偏U<0时:I=IR

-IS

(“反向饱和电流”)UBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性1.1.3PN结的单向导电性(定性分析)

1.外加正向电压(“正偏”)—正向电流IF2.外加反向电压(“反偏”)—反向电流IR

3.PN结具有单向导电性。(IF>>IR)4.PN结的伏安特性(定量分析)I=IS(eU

/UT

-1)a.正偏U>UT时:I=IF

ISeU

/UTb.反偏U<0时:I=IR

-IS

(“反向饱和电流”)1.1.4PN结的击穿特性

反向击穿电压UBR

齐纳与雪崩击穿电击穿与热击穿1.2半导体二极管P3UBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性+V-

P型多子空穴少子电子N型多子电子少子空穴---------------+++++++++++++++负离子

PN结

正离子E内RI(IF)+U-E外+PN-正极负极(阳极)(阴极)1.2.1半导体二极管的结构和类型结构—符号(D)—类型(Si,Ge)A(anode)C(cathode)(Diode)UBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)1.2.2二极管的特性和参数开启电压(阈值电压、门坎电压、死区电压)(Uth、Vth)—导通电压Uon(Von)(正向电压VF)

(恒压特性)—反向击穿电压UBR

—最大整流电流

IF1.2半导体二极管P31.2.1半导体二极管的结构和类型结构—符号(D)—类型(Si,Ge)

直流参数

交流参数

极限参数

thresholdvoltageUBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)符号(DZ)稳定电压UZ动态电阻

rZ=UZ/IZ

I1+U1-(－UZ,－

IZ)R＋1kUI(12V)－I1+U1-RL1.2.3稳压二极管、光电二极管、发光二极管P131.2半导体二极管P3rZ愈小，则反向击穿特性愈陡，稳压特性愈好。UBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)I1+U1-I2+U2-1.2半导体二极管P31.2.3稳压二极管、光电二极管、发光二极管发光二极管

LED

(LightEmittingDiode)一般工作电流几mA，导通电压(12)V发光类型：

可见光：红、黄、绿、白

等

不可见光：红外光应用：指示，显示，照明，通信，武器，能量传输等UBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)I1+U1-I2+U2-1.2半导体二极管P31.2.3稳压二极管、光电二极管、发光二极管光敏二极管E=200lxE=400lxE=0lx··UBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)I1+U1-I2+U2-1.2半导体二极管P31.2.3稳压二极管、光电二极管、发光二极管光敏二极管E=200lxE=400lxE=0lx··光电效应[内光电效应、外光电效应]光电传感器UBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)I1+U1-I2+U2-1.2半导体二极管P31.2.3稳压二极管、光电二极管、发光二极管光敏二极管E=200lxE=400lxE=0lx··光伏效应太阳能电池（光电池）UBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)I1+U1-I2+U2-1.2半导体二极管P31.2.3稳压二极管、光电二极管、发光二极管E=200lxE=400lxE=0lxI1+U1-I2+U2-+12VR1k+12VR1k计数，报警，节电节水控制；测速；遥控器，光纤通信，光驱，PC串口；光电耦合器(实现电气隔离)等.UBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)I1+U1-I2+U2-1.2半导体二极管P31.2.3稳压二极管、光电二极管、发光二极管E=200lxE=400lxE=0lxI1+U1-I2+U2-+12VR1k+12VR1k计数，报警，节电节水控制；测速；遥控器，光纤通信，光驱，PC串口；光电耦合器(实现电气隔离)等.UBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)I1+U1-I2+U2-1.2半导体二极管P31.2.3稳压二极管、光电二极管、发光二极管E=200lxE=400lxE=0lxI1+U1-I2+U2-+12VR1k+12VR1k计数，报警，节电节水控制；测速；遥控器，光纤通信，光驱，PC串口；光电耦合器(实现电气隔离)等.UBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)1.2半导体二极管P31.2.3稳压二极管、光电二极管、发光二极管肖特基二极管P17主要特点：

导通电压较低（0.2V～0.4V）左右)；导通时存储的非平衡载流子数量少，

关断时间很短。在高速数字电路和大电流整流中获得很好的应用。

UBR（VBR）较小。其它：(单极型器件)UBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)1.2半导体二极管P31.2.3稳压二极管、光电二极管、发光二极管变容二极管P17其它：结电容Cj：垫垒电容

CB

、扩散电容

CD

非线性几十pFPN结的电容效应P6低频时，因容抗很大，可忽略结电容Cj

的影响。高频时，因容抗变小，结电容分流大增，导致单向导电性变差。fM—最高工作频率(超过时单向导电性变差)UBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)1.2半导体二极管P31.2.3稳压二极管、光电二极管、发光二极管变容二极管P17其它：结电容Cj：垫垒电容

CB

、扩散电容

CD

非线性几十pFPN结的电容效应P6反向偏置时，PN结的等效电阻很大，等效电容与所加反向电压的大小有关。变容二极管的电容很小，一般为pF数量级，通常用于高频电路实现电调谐。如电视机高频头中的压控可变电容器。UBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)1.2半导体二极管P31.2.3稳压二极管、光电二极管、发光二极管温度二极管其它：20C80C

正偏时，温度，输入特性曲线左移，则导通电压Uon(Von)(正向电压VF）以(22.5)mV/C下降，而正向电流IF增大。即PN结的正向电压具有负温度系数。

反偏时，温度，则反向饱和电流IS

增大，温度每升高10℃，IS约增加1倍。即PN结的反向饱和电流IS具有正温度系数。击穿时，雪崩击穿电压温度系数为正；齐纳击穿电压温度系数为负。

最高结温：Si200C，Ge100C。温度传感器、温度补偿元件。PN结的温度特性P5UBRU(V)00.30.7I(mA,A)21-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)1.2半导体二极管P31.2.3稳压二极管、光电二极管、发光二极管隧道二极管其它：PN结具有负阻特性.用于振荡器等.1.2.4二极管电路分析举例UBRU(V)00.30.712VI(mA,A)

12mA

-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)I+UD-RL12V=UD+I·1k(“图解法”)1.2半导体二极管P3

＋＋例：UI=12V1kUO

－－11.3mAUD=0.7VI=11.3mA故：UO=11.3V静态工作点：直流负载线I=－UD/1k＋12V/1kQ(Quiescentpoint)1.2.4二极管电路分析举例UBRU(V)00.30.712VI(mA,A)

12mA

-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)I+UD-RL一、大信号模型(“估算法”)1.理想二极管:UD>0时UD=0V,UD<0时I=0mA“理想开关”,二段折线2.理想二极管串恒压源:UD>0.7V时UD=0.7V,UD<0.7V时I=0mAI+UD-+0.7V-I+UD

－1.2半导体二极管P3

＋＋例：UI=12V1kUO

－－11.3mA12V=UD+I·1k(“图解法”)1.2.4二极管电路分析举例I+U-I+UD-RL一、大信号模型(“估算法”)1.理想二极管:UD>0时UD=0V,UD<0时I=0mA“理想开关”,二段折线2.理想二极管串恒压源:UD>0.7V时UD=0.7V,UD<0.7V时I=0mAI+UD-+0.7V-I+UD

－1.2半导体二极管P3

＋＋例：UI=12V1kUO

－－12V=UD+I·1k(“图解法”)“估算法”:∵UD

0V正偏取UD=0V,则I=12mA,

UO=12V或:取UD=0.7V,则

I=11.3mA,

UO=11.3V“

误差”=(12mA－11.3mA)/11.3mA6.2%1.2.4二极管电路分析举例UBRU(V)00.30.712VI(mA,A)

12mA

-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)I+UD-RL一、大信号模型(“估算法”)1.理想二极管:UD>0时UD=0V,UD<0时I=0mA“理想开关”,二段折线2.理想二极管串恒压源:UD>0.7V时UD=0.7V,UD<0.7V时I=0mAI+UD-+0.7V-I+UD

－1.2半导体二极管P3

＋＋例：UI=12V1kUO

－－11.3mA12V=UD+I·1k(“图解法”)1.2.4二极管电路分析举例UBRU(V)00.30.712VI(mA,A)

12mA

-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性I+U-VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)I+UD-RL一、大信号模型(“估算法”)1.理想二极管:UD>0时UD=0V,UD<0时I=0mA“理想开关”,二段折线2.理想二极管串恒压源:UD>0.7V时UD=0.7V,UD<0.7V时I=0mAI+UD-+0.7V-I+UD

－1.2半导体二极管P3

＋＋例：UI=12V1kUO

－－11.3mA12V=UD+I·1k(“图解法”)3.理想二极管串恒压源和电阻rd

+Uth

－rdI＋UD

－

对二极管的非线性进行线性化处理。“折线化模型”半波整流ui15V0.7Vt－15Vi(mA)15mA

tuo15V

t

1.2.4二极管电路分析举例I+U-I+UD-RL一、大信号模型(“估算法”)1.理想二极管:UD>0时UD=0V,UD<0时I=0mA“理想开关”,二段折线2.理想二极管串恒压源:UD>0.7V时UD=0.7V,UD<0.7V时I=0mAI+UD-1.2半导体二极管P3

＋＋例：UI=12V1kUO

－－12V=UD+I·1k(“图解法”)ui=15sint(V)+0.7V-I+UD

－ui=uD+i·1kuoui15V0.7Vti(mA)15mA14.3mA

tuo15V14.3V

t

半波整流1.2.4二极管电路分析举例I+U-I+UD-RL一、大信号模型(“估算法”)1.理想二极管:UD>0时UD=0V,UD<0时I=0mA“理想开关”,二段折线2.理想二极管串恒压源:UD>0.7V时UD=0.7V,UD<0.7V时I=0mAI+UD-1.2半导体二极管P3

＋＋例：UI=12V1kUO

－－12V=UD+I·1k(“图解法”)ui=15sint(V)+0.7V-I+UD

－ui=uD+i·1kuo1.2.4二极管电路分析举例I+U-I+UD-RL一、大信号模型(“估算法”)I+UD-1.2半导体二极管P3

＋＋例：UI=12V1kUO

－－12V=UD+I·1k(“图解法”)ui=15sint(V)+0.7V-I+UD

－uI=uD+i·1kuO二、小信号模型P8uI=12V+ui=12V+0.2sint(V)uI=12V+ui=12V+0.2sint(V)“图解法”UBRU(V)00.30.712VI(mA,A)

12mA

-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)11.3mA1.2.4二极管电路分析举例I+U-I+UD-RL一、大信号模型(“估算法”)I+UD-1.2半导体二极管P3

＋＋例：UI=12V1kUO

－－12V=UD+I·1k(“图解法”)ui=15sint(V)+0.7V-I+UD

－uI=uD+i·1kuOuI=12V+ui=12V+0.2sint(V)uI=12V+ui=12V+0.2sint(V)二、小信号模型P8“图解法”Qidud=11.3+0.2sint（mA）=0.7V+0.0005sint（V）UBRU(V)00.30.712VI(mA,A)

12mA

-IS

-0.1(nA,A)正向特性

反向特性反向击穿特性VF=0.7(Si),0.3(Ge)Uth=0.5(Si),0.1(Ge)11.3mA1.2.4二极管电路分析举例I+U-I+UD-RL一、大信号模型(“估算法”)I+UD-1.2半导体二极管P3

＋＋例：UI=12V1kUO

－－12V=UD+I·1k(“图解法”)ui=15sint(V)+0.7V-I+UD

－uI=uD+i·1kuOuI=12V+ui