1-常用半导体器件

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1、第一章 常用半导体器件1.1 半导体基础知识1.2 半导体二极管1.3 晶体三极管1.4 场效应管作业： 1.3、1.4、1.9、1.12、1.15、1.16仿真练习题： 习题1.171904年 电子管问世！ ！1947年 晶体管诞生1958年集成电 路研制成功电子管、晶体管、集成电路比较电子技术的发展很大程度上依赖于电子元器件的发展 电子管半导体管集成电路1.1 半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结的形成及其单向导电性四、PN结的电容效应一、本征半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？导体绝缘体半导体 Si、Ge

2、、GaAs等（还有哪些半导体菜鸟？）无杂质稳定的结构导电性能会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。Si和Ge的4个价电子2、本征半导体的结构共价键本征激发 自由电子 空穴原子因失去一个价电子而带 正电，这个带正电的“空位” 叫空穴。 本征激发半导体在外界（热或光或其 他）激发下，产生自由电子 空穴对的现象。3、本征半导体中的两种载流子 可以自由运动的带电粒子称为载流子。导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。半导体具有极性相反的两种载流子自由电子和空穴 空穴导电：当有电场作用时，价电子定向填补空 位，使空位作相反方向的移动，这与带正电荷的 粒子作定向运动的效果完全相同。为了区别于自由电子

3、的运动，我们就把价电 子的运动虚拟为空穴运动（方向相反），认为空 穴是一种带正电荷的载流子 。4、本征浓度 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 载流子复合：自由电子与空穴在热运动中相遇，使 自由电子空穴对消失的现象。 载流子的动态平衡：在一定温度下，单位时间内本 征激发所产生地自由电子空穴对的数目与复合而消 失的自由电子空穴对的数目相等，就达到了载流子 的动态平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一 定。本征载流子的浓度室温下本征载流子浓度ni和原子密度 本征载流子浓度 原子密度 Si 1.431010 cm-3 5.01022 cm-3Ge 2.381013 cm-3 4.41022 cm

4、-3本征半导体导电性能很差Ge的热稳定性比Si差（？） 如何提高导电能力？1.N（电子）型半导体 掺入少量的族元素（ 如磷、砷、锑等）后， 形成的杂质半导体称为N 型半导体。 多出一个价电子只能位 于共价键之外，极易成 为“自由电子”。 二、杂质半导体 施主原子：杂质原子（带正电） 施主原子：不能自由移动不能参与导电 多数载流子（多子）：自由电子（近似等于杂质浓度） 少数载流子（少子）：空穴（低于本征浓度）N型半导体带负电吗？2.P（空穴）型半导体 掺入少量族元素 （如绷、铝和铟等 ）后形成的杂质半 导体称为P型半导体 。 共价键因缺少一个 价电子而出现一个“ 空位”。 受主原子：杂质原子（带

5、负电） 受主原子：不能自由移动不能参与导电。 多数载流子（多子）：空穴（近似等于杂质浓度） 。 少数载流子（少子）：自由电子（低于本征浓度） 。 整体呈电中性3.杂质半导体的载流子浓度 热平衡条件下自由电子的浓度 热平衡条件下空穴的浓度 本征浓度 多子浓度与杂质浓度近似相等，与温度无关， 少子浓度是温度的敏感函数。三、PN结的形成及其单向导电性1、半导体中的两种电流漂移电流在外电场作用下，半导体中的载流子定向漂移运 动形成的电流。扩散电流因载流子浓度差而产生的载流子宏观定向运动形 成的电流。扩散运动P区空穴 浓度远高 于N区。N区自由电 子浓度远高 于P区。多子扩散使得交界面附近，P区为负离子

6、区，N区为正离子区 ，形成空间电荷区，产生内建电场。2、PN 结的形成参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态 平衡，就形成了PN结。漂移运动少子漂移：内建电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向 N 区运动，同时阻止多子的扩散。耗尽层 阻挡层势垒层PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加 剧，由于外电源的作用，形 成扩散电流，PN结处于导通 状态。PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动 ，有利于漂移运动，形成漂移 电流。由于电流很小，故可近 似认为其截止(不导通)。3、PN 结的单向导电性必要吗？四、PN 结的电容效应（了解）1. 势垒电容PN结外加电压变化时，空间电荷区

7、的宽度将发生变 化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相 同，其等效电容称为势垒电容Cb。 2. 扩散电容PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的 过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容：结电容不是常量！（why?)由于Cj的存在，若PN结外加电压频率高到一定程度，则失 去单向导电性！问题 N型半导体带负电吗？ 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？2 半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程四、二极管的等效电路三、二极管的主要参数五、稳压二极

8、管一、二极管的组成将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率 二极管大功率 二极管稳压 二极管发光 二极管点接触型：结面积小 ，结电容小，故结允 许的电流小，最高工 作频率高。面接触型：结面积大 ，结电容大，故结允 许的电流大，最高工 作频率低。平面型：结面积可小 、可大，小的工作频 率高，大的结允许的 电流大。二、二极管的伏安特性及电流方程开启 电压反向饱 和电流击穿 电压UT=kT/q 温度的 电压当量二极管的电流i与其端电压u的关系称为伏安特性。齐纳击穿雪崩击穿电击穿热击穿二极管的伏安特性曲线材料开启电压电压 Uon导导通电压电压 UD反向饱饱和电电流硅Si0.5V0.60.8V

9、0.1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A二极管实际测试曲线正向特性为 指数曲线反向特性为横轴的平行线1. 单向导电性2. 伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移增大1倍/10三、二极管的主要参数（选择和使用管子的依据 ） 最大整流电流IF：最大正向电流平均值 最大反向工作电压UR：击穿电压的一半 反向电流 IR：即IS（越小越好） 最高工作频率fM：因PN结有电容效应含二极管电路的分析（非线性伏安关系）代数法：求解非线性方程组几何法：图解法模型法：近似线性法用线性元件模拟非线性器件计算复杂，必须借助计算机粗糙，必

10、须知道伏安关系曲线方便，可以利用线性电路分析方法如何模型化？根据伏安关系四、二极管的等效电路(模型)理想开 关模型近似分析 中最常用理想二极管 导通时 UD0 截止时IS0导通时UDUon 截止时IS0折线近似 模型应根据V和Uon的相 对大小选择不同的 等效电路！1. 将伏安特性折线化（直流模型）？100V或5V恒压源 模型最准确应用：如何判断电路中二极管的工作状态？处理原则： （1）将二极管两端断开，求出其两端的正向电压； （2）二极管正向电压大于等于导通电压则导通，反之 则截止； （3）若电路中存在多只二极管，则正向电压大的优先 导通。例 1.2.1 p22例：已知二极管的导通电压为0.

11、7V，求UO？-1.3V2. 二极管的微变等效电路（交流等效）Q点越高，rd越小。当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二 极管的交流特性等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是说 二极管的微变等效电路就是一个动态电阻。ui=0时仅有直流电源 作用的静态工作点Q点 交流小信号静态电流交流小信号二极管动态电阻的分析 例：已知二极管导通电压UD 0.7V，V2V，R500， UT26mV，ui为正弦波，其有效值为10mV，求二极管中的 交流电流有效值。分析方法： （1）画出直流等效电路，分析静态电流和电压，即Q点； （2）求出Q点下的动态电阻； （3）画出交流等效电路，计算交流参数。解： （1

12、） ID=(V-UD)/R=2.6mA （2）动态电阻rdUT/ID=10直流等效电路直流激励信号为零交流等效电路交流激励信号为零（3）动态电流有效值Id=Ui/(rd+R)0.02mA例：已知二极管导通电压UD 0.7V，V2V，R500，UT26mV， ui为正弦波，其有效值为10mV，求二极管中的交流电流有效值。交流信号叠加在直流上五、稳压二极管1. 伏安特性进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流由一个PN结组 成，反向击穿后 在一定的电流范 围内端电压基本 不变，可以稳定 电压。 2. 主要参数稳定电压UZ、稳定电流IZ最大功耗PZM IZM UZ动态电阻rzUZ /IZ若稳压管的电

13、流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会 因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电 流的限流电阻（大小？）。限流电阻斜率？3.稳压电路分析断开稳压管，求出稳压管两端反向电压。当两端反向电压大于稳压管稳定电压时，稳压管可稳 定电压，反之，稳压管截至；若是正向电压，稳压管导通 。若有多个稳压管，稳定电压低者先稳压。 例：Dz1和Dz2为稳压管，且具有 理想特性，其稳定电压分别为 13V和6V，求输出电压Vo。 解：断开Dz1和Dz2，则UDz1UDz215V，两个稳压管都可 稳压。由于Dz2稳定电压低，Dz2先稳压，此时Vo6V，UDz1 12V。因为UDz1=0 UBC0 （ UB最小

14、） （ UB最大）放大区 UBE0 UBC0 UCUBUE （ UB居中） UC0 UBC0 UBEVCC选择晶体管的依据例1.3.2 p38由图示特性求出PCM、ICM、U （BR）CEO 、。2.7uCE=1V时的iC就是ICMU（BR）CEO讨论作业：1.3 1.4 1.6 1.9 1.11 1.12 思考（自测题）： 三，四小结三极管有NPN型PNP型，有硅管和锗管。三极管有二个PN结，三个电极，三个区域，这是三极管 具有电流放大作用的内部依据。三极管进行放大时的外部条件：发射结正偏，集电结反 偏。三极管各极电流的关系为IE=IB+IC，在放大区IC=IB。三极管的输出特性曲线有截止区

15、、放大区和饱和区。温度对三极管的参数有很大影响。使用三极管时，不能超过其极限参数值。1.4 场效应管场效应晶体管（FET:Field Effect Transistor） 特性： 单极性晶体管（多数载流子导电）；电压控制器件。 优点：工作频率高，开关速度快；体积小，功耗低，工艺简单，集成度高；输入阻抗高，大电流下跨导基本不变；温度稳定性好，线性好，噪声低。 分类：MOSFET ：金属氧化物半导体FET(MetalOxide Semiconductor FET）JFET ： 结型FET （Junction FET）应用： MOSFET应用最广泛，特别是增强型MOSFET。概 述增强型：N沟道型；P沟道型耗尽型：N沟道型；P沟道型沟道：FET的电流通道（d、s之间）虚线表示沟道在施加外电压后才形成增强型实线表示沟道在施加外电压前就存在耗尽型箭头朝里表示N沟道（自由电子导