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1、,第7章 半导体器件,7-1 半导体的导电特性,7-3 半导体二极管及稳压管,7-4 半导体三极管,7-2 PN结的形成,一、半导体材料,元素半导体材料有硅Si和锗Ge等,它们都是4价元素.化合物半导体由大多数金属氧化物、硫化物及砷化物组成等。,导电特点:,1、其能力容易受温度、光照等环境因素影响,2、在纯净的半导体中掺入微量杂质可以显著提高导电能力,二、半导体的共价键结构,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,7-1 半导体的导电特性,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度T=0K和没有外界激发时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征
2、半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,1、本征半导体化学成分纯净的半导体,它在物理结构上呈单晶体形态。制做半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,三、本征半导体,自由电子 带负电荷 电子流,总电流,空穴 带正电荷 空穴流,3、空穴的移动空穴的移动是靠相邻共价键中的价电子在外加电场或 其他能源的作用下依次填补空穴来实现的。,空穴的移动方向和自由电子的移动方向相反。空穴和自由电子的移动形成电流，两者均是载流子。,导电机理,*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响 温度载流子浓度导电能力,AVI0/1-2.AVI,杂质半导体-在本征半导体中掺入某些
3、微量杂质元素后的半导体。,1、N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。,四、杂质半导体,硅原子,多余电子,磷原子,电子空穴对,自由电子,施主离子,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等，称为P型半导体。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,2、P型半导体,一、PN结的形成,1、浓度差多子的扩散运动,2、扩散空间电荷区内电场,3、内电场少子的漂移运动 阻止多子的扩散,4、扩散与漂移达到动态平衡,载流子的运动：,扩散运动浓度差产生的载流子移动,漂移运动在电场作用下，载流子
4、的移动,P区,N区,形成过程可分成4步 ：,7-2 PN结的形成,AVI0/1-3.AVI,二、PN结的单向导电性,只有在外加电压时才 扩散与漂移的动态平衡将,定义：,加正向电压，简称正偏,加反向电压，简称反偏,扩散 漂移 大的正向扩散电流（多子） 低电阻 正向导通,漂移 扩散 很小的反向漂移电流（少子） 高电阻 反向截止,AVI0/1-4.AVI,AVI0/1-5.AVI,1、PN结的伏安特性,特性平坦反向截止 一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的,陡峭电阻小正向导通,非线性,2、PN结的反向击穿,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向
5、击穿。,热击穿不可逆,一、半导体二极管的结构,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,(4) 二极管的代表符号,二、二极管的伏安特性,正向特性,反向特性,反向击穿特性,Vth = 0.5V（硅管） Vth = 0.1V（锗管）,注意：,1、死区电压（门坎电压）,3、反向饱和电流硅管：0.1
6、A；锗管：10A,2、正向压降 硅管VD ：0.60.8 V （常取0.7V） 锗管VD ： 0.20.3V （常取0.2V ）,三、二极管的参数,请自学,四、二极管基本电路及其分析方法,1、二极管正向V- I 特性的建模,1.理想模型,2.恒压降模型,正偏管压降为0，反偏时电流为0,VD = 0.7V（硅） VD = 0.2V（锗）,例1：电路如图所示，判断D的状态. (用理想模型),解：,则：接D阳极的电位为-6V， 接D阴极的电位为-12V。,导通后，D的压降等于零（理想二极管），视为导线,所以，AO的电压为-6V。,以O为基准电位，既O点为0V。,VD = -6V -(-12V) =
7、6V 0 D正向导通,0V,-12V,-6V,先断开D，求二极管端电压,2、模型分析法应用举例,例2：整流电路：将交流电压变换为单极性电压。,例3：限幅电路（削波电路）,例4：钳位、隔离电路（数字电路中的开关电路）,D2优先导通，使得C点电位为0V，此时D1的阴极电位为1V，阳极电位为0V，处于反向截止（反向偏置）。故输出为0V。,五、稳压二极管,1、符号及稳压特性,(a)符号,(b) 伏安特性,(1) 稳定电压VZ,(2) 动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ =VZ /IZ,(3)最大耗散功率 PZM,(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工
8、作电流 IZmin,(5)稳定电压温度系数VZ,2、稳压二极管主要参数,3、稳压电路,正常稳压时 VO =VZ,# 稳压条件是什么？,# 不加R可以吗？,RLIOIRVOIZIRVO,end,VIVOIZIRVO,一、BJT的结构简介,发射极 Emitter,集电极Collector,基极Base,1、结构和符号,发射结(Je),集电结(Jc),发射载流子(电子),收集载流子(电子),传送载流子（电子）；复合部分电子，控制传送比例,由结构展开联想,2、工作原理,3、实现条件,Je正偏,Jc反偏,7-4 半导体三极管,二、BJT的电流分配与放大原理,1、内部载流子的传输过程,扩散到基区的自由电子
9、中的极少部分与空穴复合，在电源VBB的作用下，电子与空穴的复合运动将源源不断地进行，形成基极电流 IB。,Jc加反向电压，使扩散到基区的自由电子中的大部分做漂移运动，越过Jc到达集电区，形成电流ICN 。同时，基区与集电区的少子做漂移运动形成集电极-基极反向饱和电流ICBO。 ICN +ICBO = IC （集电极电流） ICN,Je加正向电压，扩散运动形成电子电流 IEN和空穴电流IEP。 IEN+IEP = IE （发射极电流） IE IEN 。,三极管的放大作用是通过载流子传输体现出来的。,本质：电流分配关系,外部条件： 发射结正偏，集电结反偏。,2、电流分配关系,根据传输过程可知,IE
10、=IB+ IC(1),IC= ICN+ ICBO(2),IB= IB - ICBO(3),定义,通常 IC ICBO,则有,所以,硅：0.1A；锗：10A,IB=(1-)IE,3、三极管（放大电路）的三种组态,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,如何判断组态？,外部条件：发射结正偏，集电结反偏,vCE = 0V,iB=f(vBE) vCE=const,(2) 当vCE1V时， vCB= vCE - vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收 集电子，基区复合减少，同样的vBE下 IB减小，特性曲
11、线右移。,(1) 当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。,1、输入特性曲线,三、BJT的特性曲线,（以共射极放大电路为例）,iC=f(vCE) iB=const,2、输出特性曲线,输出特性曲线的三个区域:,非线性失真与线性范围,饱和失真,截止失真,当工作点达到了饱和区而引起的非线性失真。 NPN管输出电压为底部失真,当工作点达到了截止区而引起的非线性失真。 NPN管输出电压为顶部失真。,饱和区特点： iC不再随iB的增加而线性增加，即,此时,，vCE= VCES（饱和压降） ， 典型值为：硅管取0.3V，锗管取0.1V,截止区特点：iB=0， iC= ICEO 0,非线性失真,注意：对于PNP管，失真的表现形式，与NPN管正好相反。,发射结正偏 集电结正偏,发射结反偏,线性范围（动态范围）,线性范围 用最大不失真输出幅度Vom来衡量,Q点偏高 易出现饱和失真， Vom为Q点到饱和区边沿的距离,Q点偏低 易出现截止失真， Vom为Q点到截止区边沿的距离,四、BJT的主要参数,交流参数,直流参数,极限参数,结电容 Cbc 、 Cbe,集电极最大允许电流ICM,集电极最大允许功率损耗PCM,反向击穿电压,极间反向电流ICBO 、 ICEO,交流电流放大系数 、,特征频率fT,
