清华大学本科生模拟电子技术课件

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1、电子技术 第一章 半导体器件 模拟电路部分 1 第一章 半导体器件 1.1 半导体的基本知识 1.2 PN 结及半导体二极管 1.3 特殊二极管 1.4 半导体三极管 1.5 场效应晶体管 2 1.1 半导体的基本知识 1.1.1 导体、半导体和绝缘体 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。 3 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它

2、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。 4 1.1.2 本征半导体 一、本征半导体的结构特点 Ge Si 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 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。 5 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，原子按四角形系统组成 晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心， 而四个其它原子位于四面体的顶点，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。 硅和锗的晶 体结构： 6 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

3、价电子 后的原子 7 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，所以 本征半导体的导电能力很弱。 形成共价键后，每个原子的最外层电子是 八个，构成稳定结构。 共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。 +4+4 +4+4 8 二、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。 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

4、键上留下一个空位，称为空穴。 1.载流子、自由电子和空穴 9 +4+4 +4+4 自由电子 空穴 束缚电子 10 2.本征半导体的导电机理 +4+4 +4+4 在其它力的作用下， 空穴吸引附近的电子 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。 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。 11 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半 导体的导电能力越强，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。 本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的

5、电流。 2. 空穴移动产生的电流。 12 1.1.3 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。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。 P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。 N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体 ，也称为（电子半导体）。 13 一、N 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， 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键， 必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚 ，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原 子就成了不

6、能移动的带正电的离子。每个磷 原子给出一个电子，称为施主原子。 14 +4+4 +5+4 多余 电子 磷原子 N 型半导体中 的载流子是什 么？ 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。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 二、P 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼 （或铟），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，与相邻的 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，

7、使得硼原子成为不能 移动的带负电的离子。由 于硼原子接受电子，所以 称为受主原子。 +4+4 +3+4 空穴 硼原子 P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。 16 三、杂质半导体的示意表示法 P 型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半导体 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但 由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近 似认为多子与杂质浓度相等。 17 1.2 PN结及半导体二极管 2.1.1 PN 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

8、了PN 结。 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，空间电 荷区越宽。 内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。 空间电荷区， 也称耗尽层。 19 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。 20 + + + + +

9、 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 空间 电荷 区 N型区P型区 电位V V0 21 1、空间电荷区中没有载流子。 2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散 运动）。 3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少） ，数量有限，因此由它们形成的电流很小 。 注意: 22 2.1.2 PN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。 23 + + + + RE 一、PN 结正向偏置 内电场 外电场

10、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。 24 二、PN 结反向偏置 + + + + 内电场 外电场 变厚 NP + _ 内电场被被加强，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。 RE 25 2.1.3 半导体二极管 一、基本结构 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 引线 外壳线 触丝线 基片 点接触型 PN结 面接触型 PN二极管的电路符号 ： 26 二、伏安特性 U I 死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V。 导通压降: 硅 管0.60.7V,锗 管0.20.3V。 反向击穿 电压UBR 27 三、主要

11、参数 1. 最大整流电流 IOM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大 正向平均电流。 2. 反向击穿电压UBR 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电 流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至 过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电 压UWRM一般是UBR的一半。 28 3. 反向电流 IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流 。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。硅管的反向 电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十 到几百倍。 以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅 、保

12、护等等。下面介绍两个交流参数。 29 4. 微变电阻 rD iD uD ID UD Q iD uD rD 是二极管特性曲线上工 作点Q 附近电压的变化与 电流的变化之比： 显然，rD是对Q附近的微小 变化区域内的电阻。 30 5. 二极管的极间电容 二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成 ：势垒电容CB和扩散电容CD。 势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时 ，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现 出的电容是势垒电容。 扩散电容：为了形成正向电流（ 扩散电流），注入P 区的少子（ 电子）在P 区有浓度差，越靠近 PN结浓度越大，即在P 区有电子 的积累。同理，在N区

13、有空穴的积 累。正向电流大，积累的电荷多 。这样所产生的电容就是扩散电 容CD。 P +- N 31 CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置 时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。 PN结高频小信号时的等效电路： 势垒电容和扩散电 容的综合效应 rd 32 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=0 RL uiuo ui uo t t 二极管的应用举例1：二极管半波整流 33 二极管的应用举例2： t t t ui uR uo RRL uiuR uo 34 1.3 特殊二极管 1.3.1 稳压二极管 U I IZ IZmaxUZ

14、 IZ 稳压 误差 曲线越陡 ，电压越 稳定。 + - UZ 动态电阻： rz越小，稳 压性能越好 。 35 （4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。 （5）最大允许功耗 稳压二极管的参数: （1）稳定电压 UZ （2）电压温度系数U（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。 （3）动态电阻 36 稳压二极管的应用举例 uo iZDZ R iL i ui RL 稳压管的技术参数: 负载电阻 。要求当输入电压由正常值发 生20%波动时，负载电压基本不变。 解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电 流为Izmax 。 求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。 方程1 37 令输入

15、电压降到下限时 ，流过稳压管的电流为 Izmin 。 方程2 uo iZDZ R iL i ui RL 联立方程1、2，可解得： 38 1.3.2 光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升。 I U 照度增加 39 1.3.3 发光二极管 有正向电流流过 时，发出一定波长范 围的光，目前的发光 管可以发出从红外到 可见波段的光，它的 电特性与一般二极管 类似。 40 1.4 半导体三极管 1.4.1 基本结构 B E C N N P 基极 发射极 集电极 NPN型 P N P 集电极 基极 发射极 B C E PNP型 41 B E C N N P 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 42 B E C N N P 基极 发射极 集电极 发射结 集电结 43 1.4.2 电流放大原理 B E C N N P EB RB EC IE 基区空穴 向发射区 的扩散可 忽略。 IBE 进入P区的电子 少部分与基区的 空穴复合，形成