模拟电子技术基础2综述

《模拟电子技术基础2综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电子技术基础2综述（92页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第一章 半导体器件 1.1 半导体的特性 1.2 半导体二极管 1.3 双极型三极管(BJT) 1.4 场效应三极管 1.1 半导体的特性 1. 导体：电阻率 109 cm 物质。如橡胶、 塑料等。 3. 半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物 质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗 (Ge)。 半导体导电性能是由其原子结构决定的。 硅原子结构 图 1.1.1 硅原子结构 (a)硅的原子结构图 最外层电子称价电子 价电子 锗原子也是 4 价元素 4 价元素的原子常常用 + 4 电荷的正离子和周围 4 个价电子表示。 +4 (b)简化模型 1.1.1 本征半导体 +4 +4 +4+

2、4+4 +4 +4 +4 +4 完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导 体称为本征半导体。 将硅或锗材 料提纯便形成单 晶体，它的原子 结构为共价键结 构。 价 电 子 共 价 键 图 1.1.2 单晶体中的共价键结构 当温度 T = 0 K 时，半 导体不导电，如同绝缘体 。 +4 +4 +4 +4+4 +4+4+4 +4 图 1.1.3 本征半导体中的 自由电子和空穴 自由电子空穴 若 T ，将有少数价 电子克服共价键的束缚成 为自由电子，在原来的共 价键中留下一个空位 空穴。 T 自由电子和空穴使本 征半导体具有导电能力， 但很微弱。 空穴可看成带正电的 载流子。 1. 半导体中两

3、种载流子 带负电的自由电子 带正电的空穴 2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 称为 电子 - 空穴对。 3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。 4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又 不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到 平衡，载流子的浓度就一定了。 5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升 高，基本按指数规律增加。 1.1.2 杂质半导体 杂质半导体有两种 N 型半导体 P 型半导体 一、 N 型半导体 在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如 磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半

4、导 体)。 常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。 本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些 硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价 电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受 自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。 自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 。电 子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子 (简称少子)。 +4 +4 +4 +4+4 +4+4+4 +4+5 自由电子 施主原子 图 1.1.4 N 型半导体的晶体结构 二、 P 型半导体 +4 +4 +4 +4+4 +4+4+4 +4 在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如 硼、镓、铟

5、等，即构成 P 型半导体。 +3 空穴浓度多于电子 浓度，即 p n。空穴 为多数载流子，电子为 少数载流子。 3 价杂质原子称为受 主原子。 受主 原子 空穴 图 1.1.5 P 型半导体的晶体结构 讨论问题 在杂质半导体中，温度变化时，载流子的 数目变化吗？少子与多子变化的数目相 同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？ 说明： 1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决 定少数载流子的浓度。 3. 杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。 2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导 体，因而其导电能力大大改善。 (a)N 型半导体 (b) P 型半导体 图

6、1.1.6 杂质半导体的的简化表示法 1.2 半导体二极管 1.2.1 PN 结及其单向导电性 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另 一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了 一个特殊的薄层，称为 PN 结。 P NPN结 图 1.2.1 PN 结的形成 一、 PN 结中载流子的运动 耗尽层 空间电荷区 P N 1. 扩散运动 2. 扩散运动 形成空间电荷区 电子和空穴 浓度差形成多数 载流子的扩散运 动。 PN 结，耗 尽层。 图 1.2.1 P N 3. 空间电荷区产生内电场 P N 空间电荷区 内电场 UD 空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒； 内电场；

7、内电场阻止多子的扩散 阻挡层。 4. 漂移运动 内电场有利 于少子运动漂 移。 少子的运动 与多子运动方向 相反 阻挡层 图 1.2.1(b) 5. 扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流 空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米； 等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与 漂移运动达到动态平衡。 电压壁垒 UD，硅材料约为(0.6 0.8) V, 锗材料约为(0.2 0.3) V。 二、二、 PN PN 结的单向导电性结的单向导电性 1. PN PN 外加正向电压 又称正向偏置，

8、简称正偏。 外电场方向 内电场方向 空间电荷区 V R I 空间电荷区变窄，有利 于扩散运动，电路中有 较大的正向电流。 图 1.2.2 P N 在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的 正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。 2. PN PN 结结外加反向电压(反偏) 反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内 电场的作用； 外电场使空间电荷区变宽； 不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩 散电流，电路中产生反向电流 I ； 由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。 空间电荷区 图 1.2.3 反相偏置的 PN 结 反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随

9、着温度升高， IS 将急剧增大。 P N 外电场方向 内电场方向 VR IS 综上所述： 当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正 向电流， PN 结处于 导通状态；当 PN 结反向偏置时 ，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截 止状态。 可见， PN 结具有单向导电性。 问题 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料 制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺 杂，改善导电性能？ 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子 还是少子是影响温度稳定性的主要因素？ 为什么半导体器件有最高工作频率？ 1.2.2 二极管的伏安特性 将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从 P 区和

10、 N 区分别焊出两根引线作正、负极。 二极管的结构： (a)外形图 半导体二极管又称晶体二极管。 (b)符号 图 1.2.4 二极管的外形和符号 半导体二极管的类型： 按 PN 结结构分：有点接触型和面接触型二极管。 点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容 小，可在高频下工作。 面接触型二极管 PN 结的面积大，允许流过的电流 大，但只能在较低频率下工作。（有利必有弊） 按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二 极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。 按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。 二极管的伏安特性 在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流 ，I = f (U )之

11、间的关系曲线。 60 40 20 0.002 0.004 00.5 1.0 2550 I / mA U / V 正向特性 硅管的伏安特性 死区电压 击穿电压 U(BR) 反向特性 50 I / mA U / V 0.20.4 25 5 10 15 0.01 0.02 锗管的伏安特性 0 图 1.2.4 二极管的伏安特性 1. 正向特性 当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。 相应的电压叫死区电压。范 围称死区。死区电压与材料和温 度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗 管约 0.1 V 左右。 正向特性 死区 电压 60 40 20 00.4 0.8 I / mA U / V 当正向电压超

12、过死区电压后 ，随着电压的升高，正向电流迅 速增大。 2. 反向特性 0.02 0.04 02550 I / mA U / V 反向特性 当电压超过零点几伏后 ，反向电流不随电压增加而 增大，即饱和； 二极管加反向电压，反 向电流很小； 如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电 流会突然增大； 反向饱 和电流 这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。 击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降 低后，还可恢复正常。 击穿 电压 U(BR) 3. 伏安特性表达式(二极管方程) IS ：反向饱和电流 UT ：温度的电压当量 在常温(300 K)下， UT 26 mV 二极管加反向电压，即 U

13、 UT ，则 I IS。 二极管加正向电压，即 U 0，且 U UT ，则 ，可得 ，说明电流 I 与电压 U 基本上成指数关系。 结论： 二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现 很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止， 呈现很大的反向电阻，如同开关断开。 从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与 电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管 属于非线性器件。 1.2.3 二极管的主要参数 1. 最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。 2. 最高反向工作电压 UR 工作时允许加在二极管两端的反向电压值。它描述 的是一个瞬时值。 3. 反向电流

14、IR 通常希望 IR 值愈小愈好。 4. 最高工作频率 fM fM 值主要 决定于 PN 结结电容的大小。结电容愈大 ，二极管允许的最高工作频率愈低。 *1.2.4 二极管的电容效应 当二极管上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷 量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。 电容效应包括两部分 势垒电容 扩散电容 1. 势垒电容 是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。 (a) PN 结加正向电压（b) PN 结加反向电压 N 空间 电荷区 P V R I + U N 空间 电荷区 P R I + U V 空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的 放电和充电过程。 势垒电容的大小可用下式表示

15、： 由于 PN 结 宽度 l 随外加 电压 U 而变化，因此势垒电容 Cb不是一个常数。其 Cb = f (U) 曲线如图示。 ：半导体材料的介电比系数； S ：结面积； l ：耗尽层宽度。 O U Cb 图 1.2.8 2. 扩散电容 Cd Q 是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。 在某个正向电压下，P 区中的电子浓度 np(或 N 区的 空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线 1 所示。 x = 0 处为 P 与 N 区的交界处 当电压加大，np (或 pn)会升高，如 曲线 2 所示(反之浓度会降低)。 O x nP Q 1 2 Q 当加反向电压时，扩散运动被削弱 ，扩散电容的作用可忽略

16、。 Q 正向电压时，变化载流子积累电荷 量发生变化，相当于电容器充电和放电 的过程 扩散电容效应。 图 1.2.9 综上所述： PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容 起主要作用，即可以认为 Cj Cd；当反向偏置时，势垒 电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。 Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 几十皮法， 有些结面积大的二极管可达几百皮法。 1.2.5 稳压管 一种特殊的面接触型半 导体硅二极管。 稳压管工作于反向击穿 区。 I/mA U/V O + 正向 + 反向 U (b)稳压管符号 (a)稳压管伏安特性 + I 图 1.2.10 稳压管的伏安特性和符号 稳压管的参数主要有以下几项： 1. 稳定电压 UZ 3. 动态电阻 rZ 2. 稳定电流 IZ 稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。