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第 1 章 半导体器件

第 1 章 半导体器件. 1.1 半导体的基础知识. 1.2 半导体二极管. 1.3 二极管电路的分析方法. 1.4 特殊二极管. 1.5 双极型半导体三极管. 1.6 场效应管. 　小　结. 1.1 半导体的基础知识. 1.1.1 　本征半导体. 1.1.2 　杂质半导体. 1.1.3 PN 结. 1.1.1 本征半导体. 半导体 —. 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。. 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。. 空 穴. 空穴.

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第 1 章 半导体器件

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  1. 第1章 半导体器件 1.1半导体的基础知识 1.2半导体二极管 1.3二极管电路的分析方法 1.4特殊二极管 1.5双极型半导体三极管 1.6场效应管 　小　结

  2. 1.1半导体的基础知识 1.1.1　本征半导体 1.1.2　杂质半导体 1.1.3PN结

  3. 1.1.1本征半导体 半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 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。

  4. 空 穴 空穴 价电子 惯性核 硅(锗)的原子结构 硅(锗)的共价键结构 自 由 电 子 简化 模型 (束缚电子) 空穴可在共 价键内移动

  5. 本征激发： 　　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。 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。

  6. 两种载流子 两种载流子的运动 电子(自由电子) 自由电子(在共价键以外)的运动 空穴(在共价键以内)的运动 空穴 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。

  7. +4 +5 +4 +4 +4 +4 1.1.2 杂质半导体 一、N 型半导体和 P 型半导体 N 型 电子为多数载流子 空穴为少数载流子 自由电子 磷原子 载流子数电子数

  8. +3 +4 +4 +4 +4 +4 1.1.2 杂质半导体 一、N 型半导体和 P 型半导体 P 型 空穴 —多子 电子 —少子 硼原子 空穴 载流子数空穴数

  9. 二、杂质半导体的导电作用 I IP IN I = IP + IN N 型半导体 IIN P 型半导体 I IP

  10. 正离子 负离子 多数载流子 少数载流子 多数载流子 少数载流子 三、P 型、N 型半导体的简化图示

  11. 1.1.3 PN 结 一、PN 结(PN Junction)的形成 1. 载流子的浓度差引起多子的扩散 内建电场 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。

  12. 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) — forward bias

  13. P 区 N 区 限流电阻 IR IF P区 N区 内电场 外电场 扩散运动加强形成正向电流 IF 。 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 = I多子  I少子I多子 内电场 外电场 2. 外加反向电压(反向偏置) — reverse bias 漂移运动加强形成反向电流 IR 外电场使少子背离 PN 结移动， 空间电荷区变宽。 IR = I少子0 PN 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。

  14. I/mA u/V O 三、PN 结的伏安特性 玻尔兹曼常数 电子电量 反向饱和电流 温度的 电压当量 当 T = 300(27C)： UT= 26 mV 正向特性 反向击穿 加正向电压时 加反向电压时 i≈–IS

  15. 1.2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

  16. 1.2.1 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) 硅二极管 按材料分 锗二极管 分类： 点接触型 面接触型 按结构分 平面型

  17. 铝合金 小球 正极引线 N 型锗片 正极 引线 负极 引线 PN 结 正极引线 负极引线 金锑 合金 N型锗 P 触丝 外壳 负极引线 底座 N 点接触型 面接触型 P 型支持衬底 集成电路中平面型

  18. 1.2.2 二极管的伏安特性 玻尔兹曼常数 一、PN 结的伏安方程 温度的 电压当量 反向饱和电流 电子电量 当 T = 300(27C)： UT= 26 mV

  19. iD /mA uD /V O 二、二极管的伏安特性 0  U Uth iD= 0 Uth =0.5 V (硅管) 正向特性 0.1 V (锗管) IS U (BR) Uth U  Uth iD 急剧上升 反向击穿 反向特性 UD(on)= (0.6  0.8) V 硅管 0.7 V 死区 电压 锗管 0.2 V (0.1  0.3) V U(BR) U  0 iD = IS < 0.1 A(硅) 几十 A(锗) 反向电流急剧增大 (反向击穿) U <U(BR)

  20. 反向击穿类型： 电击穿 — PN 结未损坏，断电即恢复。 热击穿 — PN 结烧毁。 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 < 6 V，负温度系数) 反向电场使电子加速，动能增大，撞击 使自由电子数突增。 雪崩击穿： (击穿电压 > 6 V，正温度系数) 击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。

  21. iD/ mA iD/ mA 15 60 40 10 20 5 –50 –25 – 50 – 25 0.4 0 0.8 0 uD/ V uD / V 0.2 0.4 –0.01 – 0.02 –0.02 – 0.04 硅管的伏安特性 锗管的伏安特性

  22. iD/ mA 90C 20C 60 40 20 –50 –25 uD / V 0.4 0 – 0.02 温度对二极管特性的影响 T升高时， UD(on)以 (2  2.5) mV/ C 下降

  23. iD I F U (BR) uD O URM 1.2.3 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)

  24. 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，因容抗增大，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。

  25. 1.3二极管电路的 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

  26. S S iD uD 1.3.1 理想二极管及二极管特性的折线近似 一、理想二极管 特性 符号及 等效模型 正偏导通，uD = 0；反偏截止， iD = 0 U(BR) = 

  27. iD uD 二、二极管的恒压降模型 UD(on) 0.7 V (Si) uD = UD(on) 0.2 V (Ge)

  28. iD I uD U 三、二极管的折线近似模型 斜率1/ rD UD(on) rD1 UD(on)

  29. 例 1.3.1硅二极管，R = 2 k，分别用二极管理想模型和恒压降模型求出 VDD = 2 V 和 VDD = 10 V 时 IO 和 UO 的值。 UD(on)

  30. VDD = 2 V [解] UO = VDD = 2 V IO = VDD / R = 2 / 2 = 1 (mA) 理想 恒压降 UO = VDD – UD(on) = 2  0.7 = 1.3 (V) IO = UO / R = 1.3 / 2= 0.65 (mA) VDD = 10 V VDD 大， 采用理想模型 VDD 小， 采用恒压降模型 IO = VDD/ R = 10 / 2= 5 (mA) 理想 UO = 10  0.7 = 9.3 (V) 恒压降 IO = 9.3 / 2 = 4.65 (mA)

  31. 例1.3.2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 P N UP = 15 V UP > UN 二极管导通 等效为 0.7 V 的恒压源

  32. UO = VDD1 UD(on)= 15  0.7 = 14.3 (V) IO = UO / RL= 14.3 / 3= 4.8 (mA) I2 = (UO  VDD2) / R = (14.3  12) / 1= 2.3 (mA) I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)

  33. 例 1.3.3 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 0 V 和高电压 5 V 的不同组合时，求输出电压 UO 的值。 正偏 导通 0 V 正偏 导通 5 V 0 V

  34. 正偏 导通 正偏 导通 0 V 0 V 0 V 反偏 截止 正偏 导通 0 V 5 V 0 V 反偏 截止 正偏 导通 5 V 0 V 0 V 正偏 导通 正偏 导通 5 V 5 V 5 V

  35. ui/ V V1 V3 A ui uO 15 B RL V4 V2 t O 例 1.3.4画出硅二极管构成的桥式整流电路在 ui= 15sint (V) 作用下输出 uO 的波形。 (按理想模型)

  36. uO/ V 15 t O 　　若有条件，可切换到 EWB 环境观察桥式整流波形。

  37. 例 1.3.5ui = 2 sint (V)，分析二极管的限幅作用。 ui 较小，宜采用恒压降模型 ui < 0.7 V uO = ui V1、V2 均截止 ui  0.7 V uO = 0.7 V V2 导通 V１截止 ui < 0.7 V uO =  0.7 V V1 导通 V2 截止

  38. ui/ V 2 t O uO/ V 0.7 t O  0.7 思考题: V1、V2 支路各串联恒压源，输出波形如何？(可切至 EWB )

  39. iD/ mA 直流负载线 12 iD 8 Q 4 IQ 0.6 0.3 1.2 0.9 0 uD / V UQ 1.3.2 图解法和微变等效电路法 一、二极管电路的直流图解分析 100  斜率1/R N 1.2 V 静态工作点 M uD = VDD iDR iD = f (uD) 斜率1/RD

  40. 也可取 UQ = 0.7 V IQ= (VDD UQ) / R = 5 (mA) 二极管直流电阻 RD

  41. iD/ mA uD /V O O ui wt 二、交流图解法 电路中含直流和小信号交流电源时,二极管中含交、直流成分 斜率1/rd VDD/ R IQ Q C 隔直流通交流 UQ VDD 当 ui = 0 时 iD = IQ UQ= 0.7 V (硅)，0.2 V (锗) 设 ui = sinwt

  42. iD/ mA iD/ mA wt O uD /V O O ui wt 斜率1/rd VDD/ R id IQ Q UQ VDD 当 ui 幅度较小时， 二极管伏安特性在 Q点附近近似为直线 rd = UT / IQ= 26 mV / IQ

  43. id rd ui ud R 三、微变等效电路分析法 对于交流信号 电路可等效为 例 1.3.6ui= 5sint (mV)，VDD= 4 V，R = 1 k， 求 iD 和 uD。 [解] 1. 静态分析 令 ui= 0，取 UQ  0.7 V IQ = (VDDUQ) / R = 3.3 mA

  44. 2. 动态分析 rd = 26 / IQ = 26 / 3.3  8 () Idm= Udm/ rd= 5 /8  0.625 (mA) id= 0.625 sint 3. 总电压、电流 = (0.7 + 0.005 sint ) V = (3.3 + 0.625 sint ) mA

  45. 1.4特殊二极管 1.4.1 稳压二极管 1.4.2 光电二极管

  46. iZ /mA UZ O uZ/V  IZmin  IZ IZ  IZmax UZ 1.4.1 稳压二极管 一、伏安特性 符号 特性 工作条件：反向击穿

  47. 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 PZM P ZM = UZIZM 4. 动态电阻 rZ 几   几十  越小稳压效果越好。 rZ = UZ / IZ

  48. 5. 稳定电压温度系数 CT 一般， UZ < 4 V，CTV < 0 (为齐纳击穿)具有负温度系数； UZ > 7 V，CTV > 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数； 4 V < UZ < 7 V，CTV 很小。

  49. IR IL R IZ UI UO RL 例 1.4.1分析简单稳压电路的工作原理， R 为限流电阻。 IR = IZ + IL UO= UI– IR R

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