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1、(1-1),第一章 常用半导体器件, 1.1 半导体的基本知识 1.2 半导体二极管 1.3 晶体三极管 1.4 场效应管,(1-2),1.1.1 本征半导体,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。,1.1 半导体基础知识,(1-3),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
2、明显改变。,(1-4),一、本征半导体的结构特点,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。,(1-5),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。,(1-6),硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,(1-7),共价键中的两个电子常温下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
3、。,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。,(1-8),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,(1-9),自由电子,空穴,束缚电子,(1-10),2.本征半导体的导电机理,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
4、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。,(1-11),本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。,(1-12),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。,3. 本征半导体载流子的浓度,本征激发与复合,产生电子空穴对的过程称为本征激发； 电子空穴对成对消失的过程为复合。,(1-13),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
5、 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）。,1.1.2 杂质半导体,(1-14),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。,(1-15),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
6、。,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）。,(1-16),二、P 型半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,(1-17),1.1. 3 PN 结,在同一片半导体硅片上，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。,(1-18),P型半导体,N型半导体,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。,1 PN 结的形成,(1-19),所以扩
7、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。,(1-20),空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,(1-21),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。,二 PN结的单向导电性,(1-22),1、PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,(1-23),2、PN 结反向偏置,N,P,+,_,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。,R,E,(1-2
8、4),3 PN 结方程,三 PN结的击穿,(1-25),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,四 PN结的电容效应,(1-26),1. 2 半导体二极管,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,1.2. 1 半导体二极管的结构和符号,(1-27),死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降: 硅管0.60.8V,锗管0.10.3V。,反向击穿电压UBR,1.2. 3 二极管的伏安特性,(1-28),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
9、向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,1.2. 4 二极管的主要参数,3. 最高反向工作电压 UR 通常最高反向工作电压UR一般是UBR的一半.,(1-29),4. 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。,5. 最高工作频率fM,二极管工作的上限截止频率,(1-30),1.2.5 二极管的等效电路,1. 理想模型,理想二极管： （1）正向导通时死区电压和导通压降均为零，正向导通电流为无穷大。 （2）反
10、向截至时，反向电流为零，反向击穿电压为无穷大。,(1-31),2 开关等效模型,(1-32),3 折线模型,(1-33),4. 微变等效模型,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。,(1-34),1.2. 6 半导体二极管的应用 1.二极管整流电路,(1-35),2. 限幅电路,(1-36),3. 门电路,(1-37),1 稳压二极管,U,IZmin,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,1.2.7 特殊二极管简介,(1-38),2 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
11、外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,(1-39),3 光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,(1-40),1.3.1 三极管的结构、分类和符号,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,1.3 晶体三极管,又称双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor BJT) 、半导体三极管,(1-41),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,(1-42),发射结,集电结,(1-43),1.3.2 三极管的电流放大作用,VBB,RB,VCC,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区
12、电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,(1-44),VBB,RB,VCC,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICN。,(1-45),IB=IBE-ICBOIBE,(1-46),(1-47),ICN与IBE之比称为电流放大倍数,(1-48),NPN型三极管,PNP型三极管,(1-49),1.3.3 三极管的共射特性曲线,IC,V,UCE,UBE,RB,IB,VCC,VBB,实验线路,(1-50),一、输入特性,工作压降： 硅管UBE0.60.8V,锗管UBE0.10
13、.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。,(1-51),二、输出特性,IC(mA ),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,(1-52),此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,(1-53),此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,(1-54),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： IC=IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V,(3) 截止区： UBE
14、死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0,(1-55),例： =50， VCC =12V， RB =70k， RC =6k 当VBB = -2V，2V，5V时， 晶体管的工作在哪个区？,当VBB =-2V时：,IB=0 ， IC=0,IC最大电流：,工作在截止区,(1-56),例： =50， UCC =12V， RB =70k， RC =6k 当UBB = -2V，2V，5V时， 晶体管工作在哪个区？,IC ICmax (=2mA) ， 工作在放大区。,VBB =2V时：,(1-57),VBB =5V时:,例： =50， VCC =12V， RB =70k， RC =6k 当VBB = -
15、2V，2V，5V时， 晶体管工作在哪个区？,工作在饱和区，此时IC 和IB 已不是 倍的关系。,(1-58),还可以UCE电压值来分析三极管的工作状态，试试看！,(1-59),前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，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 ,1.3.4 三极管的主要参数及其温度影响,(1-60),例：UCE=6V时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2
16、.3 mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： =,(1-61),2.集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,3.集-射极反向击穿电压,当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,(1-62),4. 集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC 流过三极管， 所发出的焦耳 热为：,PC =ICUCE,必定导致结温度上升，所以PC 有限制。,PCPCM,(1-63), 1.4 场效应管(Field Effect Transistor,FET),结型场效应管（JFET) 绝缘栅型（MOSFET),N沟道JFET P沟道JFET,N沟道MOSFET P沟道MOSFET,增强型NMOS 耗尽型NMOS,
