模电高职层次电子教案

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1、第1章 半导体器件半导体器件书名书名：模拟电子技术模拟电子技术ISBNISBN：7-111-19596-57-111-19596-5作者：刘振庭作者：刘振庭出版社：机械工业出版社出版社：机械工业出版社本书配有电子课件本书配有电子课件第1章 半导体器件半导体器件 本章首先简要介绍了半导体的基础知识以及半导体器件的核心部分-PN结，然后重点介绍了半导体二极管、晶体管和场效应晶体管的物理结构、工作原理、特性曲线及主要参数；在此基础上还介绍了二极管和晶体管基本电路、分析方法与实际应用。1.1 1.1 1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识半导体基础知识半导体基础知识1.2 1.2 1.2 1.2

2、 半导体二极管半导体二极管半导体二极管半导体二极管1.3 1.3 1.3 1.3 晶体管晶体管晶体管晶体管1.4 1.4 1.4 1.4 场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管第1章 半导体器件半导体器件1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体 物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电性能取决于原子结构。导体一般由低价元素构成，绝缘体一般由高价元素或高分子物质构成，半导体一般最外层电子为4。由于其导电性能介于导体和绝缘体之间，所以称为半导体半导体。 硅原子硅原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。价电子。锗原子锗原子Ge

3、第1章 半导体器件半导体器件化学成分纯净、具有晶体结构的半导体称为本征半导体本征半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体的正离子核被共价键紧紧束缚的价电子在绝对温度或没有外界激发时，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，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。本征半导体共价键结构第1章 半导体器件半导体器件在获得一定能量(温度增高、受光照等)后，价电子即可摆脱原子核的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下空位，称为空穴。 这一现象称为本征激发本征激发，也称热激发热激发。可见，自由电子和空穴总是伴随着本征激发成对出现的，也叫电子空穴对电子空穴对。+4+4+4+4

4、+4+4+4+4+4空穴自由电子第1章 半导体器件半导体器件 在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子做定向运动形成的电子电流电子电流，一是仍被原子核束缚的价电子递补空穴形成的空穴电流空穴电流。也就是说，在半导体中存在自由在半导体中存在自由电子和空穴两种载流电子和空穴两种载流子，这是半导体和金子，这是半导体和金属在导电机理上的本属在导电机理上的本质区别。质区别。 +4+4+4+4+4+4+4+4+4E第1章 半导体器件半导体器件1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 本征半导体中由于本征激发所产生的载流子数目极少，导电能力依然很低。但如果在其中掺入微量的杂质，所形成的杂质

5、半导体的导电性能将大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为N型和P型两大类。 杂质半导体杂质半导体：利用一定的掺杂工艺制成的半导体掺杂的目的：为了显著改变载流子浓度，以提高导电能力施主杂质施主杂质：掺杂后失去电子，提供多余的自由电子的物质受主杂质受主杂质：掺杂后获得电子，提供多余的空位的物质按照掺入杂质的作用不同，可以将杂质分为两类：第1章 半导体器件半导体器件+5+4+4+4+4+4+4+4+4施主原子提供的多余电子施主正离子N型半导体的共价键结构1 N1 N型半导体型半导体 N型半导体中掺入的杂质为磷或其他五价元素，磷原子在取代原晶体结构中的硅原子并构成共价键时，多余的第五个价电子

6、很容易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子，于是半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子成为多数载流子，空穴则成为少数载流子。第1章 半导体器件半导体器件+3+4+4+4+4+4+4+4+4受主原子缺少电子产生的空穴受主获得一个电子形成受主负离子P型半导体的共价键结构2 P2 P型半导体型半导体 P型半导体中掺入的杂质为硼或其他三价元素，硼原子在取代原晶体结构中的硅原子并构成共价键时，因缺少一个价电子而形成一个空穴，于是半导体中的空穴数目大量增加，空穴成为多数载流子,而自由电子则成为少数载流子。 第1章 半导体器件半导体器件1.1.3 PN1.1.3 PN结结1 PN1 PN结的形成结的形成浓度差

7、多子的扩散空间电荷区内电场P、N结合阻碍多子扩散，产生少子漂移扩散漂移动态平衡PN结第1章 半导体器件半导体器件2 PN2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结正向偏置时，内电场削弱，正向电流增大，呈现低电阻，处于导通状态。 PN结反向偏置时，内电场增强，反向电流增大，呈现高电阻，处于截止状态。第1章 半导体器件半导体器件1.2.1 1.2.1 二极管的结构和分类二极管的结构和分类1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管半导体二极管是由PN结加上引线和管壳构成的。 1 1 二极管的结构二极管的结构点接触型半导体二极管的结构半导体二极管的符号 第1章 半导体器件半导体器件按结构分：点接触型、

8、面接触型和平面型2 2 二极管的种类二极管的种类按材料分：硅二极管和锗二极管第1章 半导体器件半导体器件1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管伏安特性图 图中Uon称为死区电压，通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。正向电压低于死区电压时，正向电流很小，只有当正向电压高于死区电压后，才有明显的正向电流。导通时二极管的正向压降变化不大，硅管约为0.60.8V，锗管约为0.20.3V。通常认为，当正当正向电压向电压U U U Uonon时，二极管导通。时，二极管导通。 第1章 半导体器件半导体器件 图中UBR称为反向击穿电压，当外加反向电压低于UBR时，二极管处

9、于反向截止区，反向电流几乎为零，但温度上升，反向电流会有增长。当外加反向电压超过UBR后，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为反向击穿反向击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上。 普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般会造成“热击穿热击穿”，不能恢复原来性能，也就是失效了。 二极管的特性对温度很敏感，温度升高，正向特性曲线向二极管的特性对温度很敏感，温度升高，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。左移，反向特性曲线向下移。其规律是：在室温附近，在同一电流下，温度每升高1，正向电压减小22.5mV；温度每升高10，反向电流增大约1倍。 二极管的应用范围很广，主要都是利

10、用它的单向导电性，可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。第1章 半导体器件半导体器件1.2.3 1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 描述器件的物理量，称为器件的参数。它是器件特性的定量描述，也是选择器件的依据。 二极管的主要参数有：（1）最大整流电流IF（2）最大反向工作电压UR（3）反向电流IR（4）最高工作频率fM（5）二极管的直流电阻RD（6）二极管的交流电阻rd 注意：用万用表测量出的电阻值为注意：用万用表测量出的电阻值为R RD D，用不同档测量出的，用不同档测量出的R RD D值显然是不同的。值显然是不同的。第1章 半导体器件半导体器件1.2.4

11、 1.2.4 二极管的基本应用电路二极管的基本应用电路 运用二极管主要是利用它的单向导电性。二极管导通时，二极管导通时，可用短线来代替它；二极管截止时，可认为它断路。可用短线来代替它；二极管截止时，可认为它断路。 限幅电路利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点组成。当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压也随着输入电压相应的变化；当输入电压高于某一个数值当输入电压高于某一个数值时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。我们把开始不变的电压称为限幅电平。它分为上限幅和下限幅。【例1】试分析图16所示的限幅电路,输入电压的波形为已知,画出它的限幅电

12、路的波形。第1章 半导体器件半导体器件解:当E=0时限幅电平为0V。ui0时二极管导通，uo=0；ui0时，二极管截止，uo=ui，它的波形如图(a)所示。当0EUM时，限幅电平为+E。ui+E时,二极管导通, uo=E,它的波形如图(b)所示;当UME0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，使基区复合减少，IC / IB增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但UCE再增加时，曲线右移很不明显。因为UCE1V时，集电结已把绝大多数电子收集过去，收集电子数量不再明显增大。工程实践上，就用UCE1V的输入特性曲线代替UCE 1V以后的输入特性曲线。 共发射极接法的输入特性曲线1 输入特性曲线 第1章

13、半导体器件半导体器件2 输出特性曲线 当IB不变时，输出回路中的电流IC与电压UCE之间的关系曲线称为输出特性，即 共射极接法输出特性曲线通常把输出特性曲线分为三个工作区：(1)截止区 IC接近零的区域（即IB0的区域），相当IB=0的曲线的下方。在截止区，集电结和发射结均处于反向偏置 (2)放大区 IC平行于UCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏 (3)饱和区 在靠近纵轴附近，各条输出曲线的上升部分属于饱和区，它是IC受UCE显著控制的区域，该区域内UCE 的数值较小，一般UCE0.7 V(硅管)。发射结和集电结都处于正向偏置状态。 第1章 半导体器件半导体器件1.3

14、.3 1.3.3 晶体管的主要参数晶体管的主要参数晶体管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。1 1 直流参数直流参数(1)直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数 共基极直流电流放大系数(2)极间反向电流集-基间反向饱和电流ICBO集-射间反向饱和电流ICEOICEO和ICBO有如下关系：第1章 半导体器件半导体器件2 2 交流参数交流参数（1）交流电流放大系数交流共基集-射电流放大系数交流共射集-基电流放大系数 在放大区，值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上，通过垂直于横轴的直线求取ICIB。第1章 半导体器件半导体器件（2）特征频率fT 晶体管的值不仅与工作电流有关，而且与工作

15、频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，晶体管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。3 3 极限参数极限参数 极限参数是指为了保证晶体管在放大电路中能正常地、安全地工作而不能逾越的参数。（1）集电极最大允许损耗功率PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PCM=ICUCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。管子工作时，集电结功耗PC0时，(为方便假定UDS=0)，则在SiO2的绝缘层中，产生了一个垂直半导体表面，由栅极指向P型衬底的电场。这个电场排斥空穴吸引电子，当UGSUT时，在绝缘栅下的P型区中形成了一层以电子为主的N型层。由于源极和漏极均

16、为N+型，故此N型层在漏、源极间形成电子导电的沟道，称为N型沟道。UT称为开启电压，此时在漏、源极间加UDS，则形成电流ID。显然，此时改变UGS则可改变沟道的宽窄，即改变沟道电阻大小，从而控制了漏极电流ID的大小。由于这类场效应晶体管在UGS=0时，ID=0，只有在UGSUT后才出现沟道，形成电流，故称为增强型。第1章 半导体器件半导体器件2 N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管（1） 结构 耗尽型MOS管，是在制造过程中，预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子，因此，在UGS=0时，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子，形成N型导电沟道，如图所示。 衬底通常在内部

17、与源极相连。 N沟道耗尽型MOS管的结构示意图及符号 第1章 半导体器件半导体器件（2）工作原理 当UDS0时，将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS0，则它将削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使ID减小。当UGS更负，达到某一数值时沟道消失，ID=0。使ID=0的UGS我们也称为夹断电压，仍用UGS(off)表示。UGSUGS(off)沟道消失，称为耗尽型。1.4.4 1.4.4 场效应晶体管的主要参数场效应晶体管的主要参数1 1 直流参数直流参数（1）开启电压U UGS(th) 开启电压是增强型绝缘栅场效应晶体管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值，场效应晶体管不能导通。 （2）夹

18、断电压UGS(off)GS(off) 夹断电压是耗尽型场效应晶体管的参数，当UGSGS=UGS(off)GS(off) 时，漏极电流为零。第1章 半导体器件半导体器件（3）饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应晶体管，当UGS =0时所对应的漏极电流。 （4）直流输入电阻RGS(DC) 场效应晶体管的栅源电压与栅极电流之比。对于结型场效应晶体管，反偏时RGS(DC) 略大于107，对于绝缘栅型场型效应晶体管，RGS(DC) 约为1091015。 2 2 交流参数交流参数（1）低频跨导g gm m 低频跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求取，为转移特性曲线的斜率。第1章

19、 半导体器件半导体器件 rds反映了uDS对iD的影响，它是输出特性曲线上静态工作点处切线斜率的倒数。在恒流区，漏极电流基本上不受漏源电压的影响，因此，rds很大，一般在几十千欧几百千欧范围内。 3 3 极限参数极限参数（2）交流输入电阻（1）最大漏极电流IDM（2）最大漏源电压U(BR)DS（3）最大栅源电压U(BR)GS（4）最大耗散功率PDM第1章 半导体器件半导体器件1 场效应晶体管是一种电压控制器件2 场效应晶体管输入端几乎没有电流3 场效应晶体管利用一种载流子导电4 场效应晶体管的源漏极有时可以互换使用5 场效应晶体管的制造工艺简单，便于大规模集成6 MOS管输入电阻高，栅源极容易被静电击穿7 场效应晶体管的跨导较小1.4.4 1.4.4 场效应晶体管的特点场效应晶体管的特点