-半导体基础知识

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1、模拟电子技术基础 童诗白、华成英主编,主讲人：叶双 智能与信息工程学院 电子技术教研室,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 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。,1、什么是半导体？特性，什么是本征半导体？,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶、塑料等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,半导体

2、硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,半导体的特性：,1、掺杂特性,2、热敏特性,3、光敏特性,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,2、本征半导体的结构,由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。,共价键,一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。,本

3、征半导体导电性很差,3、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。,半导体和导体的导电机理是不一样的,二、杂质半导体 1. N型半导体,磷（P）,杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。,多数载流子,2. P型半导体,硼（B）,多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，,在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？,P型半导体,N型半导体,3. 导电性,+,-,+,-,双向导电性,三、PN结的形成及其单向导电性,物质因浓

4、度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。,内电场,PN 结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,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。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,内电场,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

5、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。,PN 结的单向导电性,必要吗？,正向偏置,反向偏置,清华大学 华成英 ,四、PN 结的电容效应,1. 势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，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！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,2 半导体二极管,一、二极管的组成,

6、二、二极管的伏安特性及电流方程,三、二极管的等效电路,四、二极管的主要参数,六、稳压二极管,五、二极管的应用,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,一、二极管的组成,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,温度的 电压当量,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,mA,从二极管的伏安特性可以

7、反映出： 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,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,三、二极管的等效电路,理想 二极管,近似分析中最常用,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,1. 将伏安特性折线化,2. 微变等效电路,Q越高，rd越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,四、二极管的主要参数,最大整流电流IF：最大平均值 最大反向工

8、作电压UR：最大瞬时值 反向电流 IR：即IS 最高工作频率fM：因PN结有电容效应,第四版P20,讨论：解决两个问题,如何判断二极管的工作状态？ 什么情况下应选用二极管的什么等效电路？,uD=ViR,ID,UD,V与uD可比，则需图解：,实测特性,对V和Ui二极管的模型有什么不同？,五、二极管的主要应用,1主要应用：整流、限幅、箝位、检波、鉴频、电子开关等,2应用举例,（1）二极管限幅电路,（2）二极管整流电路,（3）二极管箝位电路,单相半波整流电路,1. 工作原理,u2的正半周，D导通， ADRLB，uO= u2 。,u2的负半周，D截止，承受反向电压，为u2； uO=0。,单相桥式整流电

9、路,u2的正半周 AD1RLD3B，uO= u2,u2的负半周 B D2RLD4 A，uO= -u2,四只管子如何接？,集成的桥式整流电路称为整流堆。,1. 工作原理,若接反了呢？,六、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，为稳定电压。,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！,限流电阻,斜率？,七、其他类型的二极管,发光二极

10、管,光电二极管,1.3 晶体三极管,一、晶体管的结构和符号,二、晶体管的放大原理,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,一、晶体管的结构和符号,多子浓度高,多子浓度很低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,中功率管,大功率管,结构特点 载流子浓度：发射区载流子浓度最高，集电区次之，基区很低。 区的厚度：基区很薄。 结的厚度：集电结较发射结厚。,发射结：外加（较小）直流正向（偏置）电压（硅管0.7V，锗管0.2V）。 集电结：外加（较大）直流反向（偏置）电压（一般几伏以上）。,二、晶体管的放大原理,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成

11、基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,电流分配： IEIBIC IE扩散运动形成的电流 IB复合运动形成的电流 IC漂移运动形成的电流,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,A,A,为什么UCE增大曲线右移？,为什么像PN结的伏安特性？,为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？,1.

12、 输入特性,对于小功率晶体管，UCE等于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,2. 输出特性,对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。,为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？,饱和区,放大区,截止区,分成三个区域，它们的特点是： 截止区：IB0的区域。 特点：发射结电压小于开启电压或反偏；集电结反向偏压。 IB=0，IC=ICE0。 放大区：曲线间距均匀的区域。 特点：发射结外加正向电压为导通电压；集电结为反向偏压，且数值较大。 IB0，IC0,IC=IB, iC=iB 饱和区:临界饱和线以左的区域. 特点: 发射结

13、正向偏压(大于或等于导通电压),集电结正向偏压。 IB0，IC0,但IC不受IB控制。 UCES0.3V。,晶体管的三个工作区域,晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,直流参数： 、 、ICBO、 ICEO,c-e间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，PCMiCuCE,安全工作区,交流参数：、fT（使1的信号频率）,极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO,清华大学 华成英 ,讨论一,由图示特性求出PCM、ICM、U （BR）CEO 、。,uCE

14、=1V时的iC就是ICM,U（BR）CEO,六、晶体管电路的基本问题和分析方法,三种工作状态,放大,I C = IB,发射结正偏 集电结反偏,饱和,I C IB,两个结正偏,ICS = IBS 集电结零偏,临界,截止,IB = 0, IC = 0,两个结反偏,判断导通还是截止：,UBE U(on) 则导通,以 NPN为 例：,UBE U(on) 则截止,判断饱和还是放大：,1. 电位判别法,NPN 管,UC UB UE,放大,UE UC UB,饱和,PNP 管,UC UB UE,放大,UE UC U B,饱和,2. 电流判别法,IB IBS 则饱和,IB IBS 则放大,三极管在线的判断：工作

15、状态、电极、类型、材料,例1：测量某NPN型硅BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？ （1） UC 6V UB 0.7V UE 0V （2） UC 6V UB 4V UE 3.6V （3） UC 3.6V UB 4V UE 3.3V,解：,原则：,对NPN管而言，放大时UC UB UE 对PNP管而言，放大时UC UB UE,（1）放大区 （2）截止区 （3）饱和区,此管为NPN型,例2 某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。 IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。,解：电流判断法。 电流的正方向和KCL：IE=IB+ IC,A,B,C,IA,IB,IC,C为发射极 B为基极 A为集电极。 管型为NPN管。,例3：测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为： （1）U1=3.5V、U2=2.8V、 U3=12V （2）U1=3V、 U2=2.8V、 U3=12V （3）U1=6V、 U2=11.3V、 U3=12V （4）U1=6V、 U2=11.8V、 U3=12V 判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？并确定e、b、c。,（1）U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅 （2）U1 b、U2 e、U3 c NPN 锗 （3）U1 c、U2 b、U3 e