模拟电路与数字电路_第2章 半导体器件基础

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1、电子技术n 北航电工电子中心n 崔建宗n 办公地点 主123n 电话： 82317741内容提要半导体器件是组成各种电子电路包括模拟电路 和数字电路，集成电路和分立元件电路的基础。本章首 先介绍半导体的特性，半导体中载流子的运动，阐明 PN结的单向导电性，然后介绍半导体二极管、稳压管 、半导体三极管及场效应管的结构、工作原理、特性曲 线和主要参数。第第2 2章半导体器件基础章半导体器件基础掌握器件要领10字令：功能、结构、原理、曲线、参数第二章第二章 目录目录2.12.1 半导体半导体的基本知识的基本知识 2.22.2 晶体二极管晶体二极管 2.32.3 晶体三极管晶体三极管 2. 2.4 4

2、 场效应管场效应管半导体的特性半导体的特性1、定义导电能力介于导体和绝缘体之间的物体称半导体。 如：硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）以及大多数金属氧 化物和硫化物2、特性 1. 温度导电能力可做成各种热敏元件 2. 受光照导电能力可做成各种光电器件3. 掺入微量杂质导电能力（几十万几百万倍）可 制做半导体器件。如半导体二极管、三极管、场效应及 晶闸管等。2.12.1半导体的基本知识半导体的基本知识2.1.1 2.1.1 本征半导体本征半导体纯净的半导体， 单晶结构，排列整齐 称为本征半导体。它 是共价键结构。 本征半导体的共价键结构硅原子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在常温下自由

3、电子和空穴的形成+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空 穴复合成对出现成对消失自由电子和 空穴称为载 流子载流子导电规律+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向外电场方向空穴移动方向 电子移动方向 在外电场作用 下，电子和空穴均 能参与导电。这是 半导体导电与导体 导电最本质的区别 。 价电子填补空穴注意本征半导体中载流子的浓度除与半导体 材料本身的性质有关外，还与温度密切相关 。半导体材料性能对温度的这种敏感性，既 可用来制造热敏和光敏器件，又是造成半导 体器件温度稳定性差的原因。2.1.22.1.2 杂质半导体杂质半导体+4+4+4+4+4+4+4+41 、N 型半导体磷原子

4、多余价电子自由电子正离子通过扩散工艺， 在本征半导体中掺入 微量特定元素，便可 形成杂质半导体。在纯净的 硅或锗晶体中 掺入微量五价 元素（如磷） 所形成的杂质 半导体称N型 半导体。+4+5N型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。2、P型半导体+4+4+4+4+4+4+4在纯净的硅或 锗的晶体中掺入微 量的三价元素（如 硼）所形成的杂质 半导体称P 型半导 体。 +4硼原子填补空位+4+3负离子P型半导体结构示意图少数载流子负离子多数载流子在P型半导中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。注意不论是N型半导体还是P型半导体，虽然

5、 它们都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然 是不带电的，呈电中性。通过掺入杂质来提高 半导体的导电能力不是最终目的，因为导体的 导电能力更强。杂质半导体的奇妙之处在于， 掺入不同的性质、不同浓度的杂质，并使P型 和N型半导体采用不同的方式结合，可以制造 出用途各异的半导体器件。P 区N 区1 1、PN PN 结的形成结的形成扩散、漂移 采用不同的掺杂工艺，在同一块半导体单晶上形成 P型半导体和N型半导体 ，在它们的交界面处就形成了一个PN 结。N区的电子向P区扩散并与空穴复合P区的空穴向N区扩散并与电子复合空间电荷区2.1.3 PN2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性漂移内电场方向

6、2 2、PN PN 结的单向导电性结的单向导电性内电场方向E外电场方向RIP 区N 区外电场驱使P区的空穴进入空间 电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区 抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄 扩散运动增强，形 成较大的正向电流 ，此时PN结导通（1）、外加正向电压（正向偏置）P 区N 区内电场方向ER空间电荷区变宽 外电场方向IR（2） 外加反向电压（反向偏置）外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过PN结 形成很小的反向电流 ，此时PN结截止 多数载流子的扩散运动难于进行结论1. 当PN结正向偏置时，IF较大，PN结处于导通状态；2. 当PN结反向偏置时，反向电流

7、IR0， PN结截止；单向导电性1. 3. 反向电流IR是由少数载流子产生的，对温度非常敏 感正极引线触丝N型锗 支架外壳负极引线1、点接触型二极管2.2.1 2.2.1 晶体二极管的结构、符号和类型晶体二极管的结构、符号和类型PN结PN结的结面积小，不能 通过较大的电流，但其结电 容较小（一般在1pF以下）， 工作频率可高达100MHZ以上 ，因此适用于高频检波和小 功率的高频整流电路。1） 结构2）特点2.2 2.2 晶体二极管晶体二极管2、面接触型二极管1.）结构2）特点PN结的结面积大， 能够通过较大的电流，但 其结电容大，因此只能在 较低的频率下工作，一般 仅用于整流电路正极负极底座

8、金锑合金PN结3、平面型二极管1.）结构2）特点PN结结面积大的可用于 大功率整流，结面积小 的可作为脉冲数字电路 中的开关管。正极引线二氧化硅保护层负极引线 P型区N型硅PN结4、按材料划分二极管5、符号正极负极D硅管：面接触型一般为硅管锗管：点接触型一般为锗管第1章上页下页返回几种二极管外观图几种二极管外观图小功率 二极管 大功率 二极管发光 二极管2.2.2 2.2.2 二极管的伏安特性与等效电路二极管的伏安特性与等效电路600400200 0.1 0.20 0.4 0.850100ID / mAUD / V硅管的伏安特性反向特性死区IS正向特性UBRID / mAU D/ V0.40.

9、8 40 802460.1 0.2锗管的伏安特性反向特性0正向特性UoniD=f（uD）iD+ uD D1 1、伏安特性、伏安特性死区电压（开启电压） UonSi 管：0.5V左右Ge管：0.1V左右 正向电压Si 管：0.6V0.8VGe管：0.2V0.3V注意二极管的伏安特性受温度的影响。 如当环境温度升高时，二极管的正向特 性曲线左移，反向特性曲线下移。二极管方程iD=Is(e / 1 )uDUTUT：温度的电压当量。常温下，即T=300K（270C）时， UT=26mV。 在正向段：当uDUT时，iD=Ise / uDUT在反向段：当| uD | UT时，iD IS2 2、电路模型、电

10、路模型能够模拟二极管特性的电路称二极管电路模型， 也称二极管的等效电路。二极管的大信号模型1.理想二极管(导通时正向压降 为零,截止时反向电流为零)的等 效模型2.二极管导通时正向压降为一常量 UT，截止时反向电流为零的二极管 的等效模型0iDuDiDuD0UTUon3.二极管导通且正向压 降uD大于UT后其电流iD 与uD成线性关系（直线 斜率为1/rD），截止时 反向电流为零的等效模 型iDuD0UT以上三个等效电路中1的误差最大，3的误差最小， 一般情况下多采用2所示的等效电路。UTrD二极管的小信号模型（微变等效电路）二极管外加直流正向电压时 ，将有一电流，则反映在其伏安 特性曲线上的

11、点为Q（Q点称为 静态工作点）。若在Q点基础上外加微小的 变化量，则可用以Q点为切点的 直线来近似微小变化时的曲线， 即可将二极管等效成一个线性器 件，用动态电阻rD来表示，且 rD=uD/ iD。uDiDrDiDuDiD0IDUDQuD2.2.3 2.2.3 晶体二极管的主要参数晶体二极管的主要参数1.最大整流电流Ir：是二极管长期运行时允许通过的最大正向电流。2. 最高反向工作电压URM：二极管工作时允许外加的最大反向电压。器件的参数是其各方面性能的定量描述，它是设计、分析 电路，选择器件的主要依据。各种器件的参数可由手册查得。注意二极管的正向平均电流不得超过此 值，否则可能使管子过热而烧

12、坏。注意二极管的反向电压不得超过此值， 否则二极管可能因过压被击穿。3. 反向电流IR：二极管未击穿时的反向电流。它愈小，二极管 的单向导电性愈好。由于反向电流是由少数载流子形成的，所以其 受温度的影响很大。4.最高工作频率fM：二极管工作的上限频率。在实际应用中，应根据管子所用场合，按其承受的最高反向 电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件选择 满足要求的二极管。二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、函数发生器 、波形整形、元件保护（限幅、钳位、隔离）以及在数字电路 中作为开关元件。 2.2.5 2.2.5 晶体二极管的应用晶体二极管的应用【例1】 下图中，已知VA=3V， V

13、B=0V， DA 、DB为 锗管，求输出端Y的电位，并说明每个二极管的作用。 解： DA优先导通，则VY=30.3=2.7VDA导通后，DB因反偏 而截止，起隔离作用，DA 起钳位作用，将Y端的电位 钳制在+2.7V。 DA12VYAB DBR2.7V3V0V【例2】下图是二极管限幅电路，D为理想二极管， E= 3V ，ui = 6 sin t V，试画出 uo及uD的波形 。 2ui3V时，D截止， IR = 0 ， uO= uiuD = uO3Vui3V时，D导通， uD= 0 ， uO=3Vui / V t 6 302解： t 306uo / V t 09uD / V3DE 3VRuiu

14、ouRuDIR稳压管实质上是一种特殊的面接触型半导体硅二极 管。它工作于反向击穿区，在一定的电流范围内，端电 压几乎不变，所以这段特性可以用来稳压，因而广泛用 于稳压电源与限幅电路。 商品化稳压管的稳定电压数值范围很宽，可以从2200V， 其额定功率从几瓦 数十瓦。2.2.6 2.2.6 稳压管二极管稳压管二极管稳压管按其击穿方式分为齐纳击穿和雪崩击穿。前者 掺杂浓度高，稳压值低（小于4V）；而后者掺杂浓度 低，稳压值高（大于7V）。1 1、 稳压管的伏安特性稳压管的伏安特性IZ/mAUZ/V0正向特性穿区特性UZ IZminIZmax伏安特性DZ 正极正极负极符号符号D1D2UZrd等效电路

15、反向特性2 2、 稳压管的主要参数稳压管的主要参数1）稳定电压UZ： 是在规定电流下稳压管的反向击 穿电压。UZ具有一定的离散性。2） 稳定电流 IZ： 保证管子进入反向击穿区的电流 。IZ=IZmin IZmax只要不超过管子 的额定功率，电流愈大，稳压效 果愈好。IZUZIZ/mAUZ/V0UZ IZminIZmax4） 动态电阻 rZ：rZ= IZ UZ3）最大允许耗散功率PZM：PZM=UZIZmax通过上式可求出Izmax。稳压管的功耗超过PZM时，会因结温升高而烧坏。由上式可看出，rZ愈小，管子的稳压性能愈好。5）电压温度系数 ： =UZ T 上式表明为温度每变化10C稳压值的变化量。稳定电压小于 4V的管子具有负温度系数，即温度升高时UZ下降；稳定电压大于 7V的管子具有正温度系数，即温度升高时UZ上升；而稳定电压介 于47V之间的管子温度系数非常小，近似为零。3 3、 稳压