第一章-常用半導體器件

電子系統(tǒng)抽象模型電子系統(tǒng)基本電路1基本電路2基本電路3基本元器件1基本元器件2基本元器件3子系統(tǒng)1子系統(tǒng)2子系統(tǒng)3基本電路基本元器件第一章常用半導體器件1.1半導體基礎知識1.2半導體二極管1.3雙極型三極管在物理學中，根據(jù)材料的導電能力，可以將它們劃分為導體、絕緣體和半導體(Semiconductor)。1.1半導體基礎知識銅導線(左上)、玻璃絕緣體(左下)和硅晶體(上)·導體:電阻率ρ小于10-3Ω·cm·絕緣體:ρ大于108Ω·cm·半導體:ρ介于導體和絕緣體之間。12’（300mm）1.1半導體基礎知識1、摻雜性：半導體中摻雜后，其電阻率大大下降，晶體管。2、熱敏性：電阻率隨著溫度的變化而變化，熱敏電阻。3、光敏性：電阻率隨著光照增強而下降，光敏元件。1.1半導體基礎知識半導體的特性

常用半導體材料有:

硅（Si）、鍺（Ge），也有三-五族化合物半導體：GaAs、GaP等1.1半導體基礎知識1.1半導體基礎知識硅原子Si鍺原子Ge簡化模型1.1半導體基礎知識1.本征半導體—IntrisicSemiconductor本征半導體——化學成分純凈的半導體晶體硅晶體的結(jié)構(gòu)制造半導體器件的硅材料純度“九個9”99.9999999%1.1半導體基礎知識Fab18.90nm.Pentium4

CPU1.1半導體基礎知識1.1半導體基礎知識a.單晶硅的共價鍵結(jié)構(gòu)1.本征半導體—IntrisicSemiconductor在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中,因此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。價電子——化學成分純凈的半導體晶體+41.1半導體基礎知識b.自由電子空穴對的產(chǎn)生當溫度升高或受光照射時本征半導體會發(fā)生什么情況?當溫度升高或受到光的照射時，束縛電子獲得能量，部分電子掙脫原子核的束縛，成為自由電子，與此同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴(hole)1.1半導體基礎知識b.自由電子空穴對的產(chǎn)生本征激發(fā)（熱激發(fā)）

電子和空穴都是載流子

在本征半導體中自由電子和

空穴的濃度相等自由電子空穴

空穴帶一個單位的正電荷c.空穴導電1.1半導體基礎知識1.1半導體基礎知識c.空穴導電原來空穴位置形成共價鍵，原來價電子的位置形成空穴。這個過程叫空穴的移動，空穴移動方向與價電子移動方向相反。

當產(chǎn)生空穴后，由于熱運動，空穴周圍共價鍵中相近價電子很容易填補空穴。不加外電場時，空穴的移動無規(guī)則當外加電場時，空穴的填補也會定向

空穴導電本質(zhì)：價電子的移動1.1半導體基礎知識1.1半導體基礎知識d.自由電子空穴的復合1.1半導體基礎知識d.自由電子空穴的復合

當自由電子填補共價鍵中的空位(空穴)時，自由電子就會釋放能量，又形成共價鍵。這個過程叫電子空穴的復合釋放能量

在一定溫度下，本征激發(fā)和復合同時進行，達到動態(tài)平衡，電子空穴對的濃度一定。即使溫度升高或光照,本征半導體的導電能力仍很差1.1半導體基礎知識2.雜質(zhì)半導體—ExtrisicSemiconductor

本征半導體中摻入某些微量雜質(zhì)元素的半導體，稱為雜質(zhì)半導體.

在一定溫度下半導體中電子濃度與空穴濃度乘積是恒定的,與摻雜濃度無關(guān).本征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素(磷、砷等)本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素(硼、鎵等)N型半導體P型半導體1.1半導體基礎知識施主原子多余電子受主原子空穴例：在T=300K的條件下，本征硅中摻億分之一的5價原子，硅原子的濃度已知為5.1×1022/cm3

，對比摻雜前后的自由電子和空穴濃度。雜質(zhì)濃度為p×n=pi

×ni=ni2

p=ni2

/n=(1.43×1010)2

/5.1×1014=4.1×105/cm35.1×1022

/108=5.1×1014/cm31.1半導體基礎知識本征半導體中自由電子空穴的濃度為1.43×1010/cm3n≈5.1×1014/cm3摻入五價元素的結(jié)果是自由電子變多，空穴變少，載流子總的濃度增加，導電能力大大增強,而且導電能力由多子決定.摻雜前后的自由電子和空穴濃度對比1.1半導體基礎知識摻雜前摻雜后自由電子濃度1.43×10105.1×1014空穴濃度1.43×10104.1×105自由電子+空穴2.86×10105.1×1014思考：本征半導體摻雜的目的？結(jié)論：

在N型半導體中，自由電子數(shù)目遠多于空穴數(shù)目

自由電子為多數(shù)載流子(majoritycarrier)，簡稱：多子

空穴為少數(shù)載流子(minoritycarrier)，簡稱：少子P型半導體剛好相反，自由電子為少子，空穴為多子

思考：本征半導體中存在多子少子嗎？N型半導體P型半導體施主原子自由電子受主原子空穴1.1半導體基礎知識1.1半導體基礎知識N型半導體共價鍵結(jié)構(gòu)N型半導體簡化示意圖P型半導體共價鍵結(jié)構(gòu)P型半導體簡化示意圖如何產(chǎn)生？硅原子在哪里？自由電子空穴1.1半導體基礎知識3.PN結(jié)的形成—PNJunctionP區(qū)N區(qū)擴散運動：載流子濃度差引起的運動漂移運動：載流子在電場力作用下的運動P、N半導體結(jié)合→1.1半導體基礎知識3.PN結(jié)的形成—PNJunctionP區(qū)N區(qū)復合載流子濃度差→多子的擴散→

diffusion空間電荷區(qū)space-charge形成內(nèi)建電場←built-inelectricfield阻礙多子擴散，促進少子漂移←+-

空間電荷區(qū)（耗盡層、PN結(jié)）隨著空間電荷區(qū)的增加1.1半導體基礎知識3.PN結(jié)的形成—PNJunction最后達到動態(tài)平衡：擴散電流＝漂移電流+-→多子擴散運動減弱→少子漂移運動增強P區(qū)N區(qū)1.1半導體基礎知識3.PN結(jié)的形成—PNJunction1.1半導體基礎知識4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓偌诱螂妷?forwardbias)—電源正極接P區(qū),負極接N區(qū)+-

→耗盡層變窄外電場的方向與內(nèi)電場方向相反,外電場削弱內(nèi)電場：→擴散運動＞漂移運動→多子擴散形成正向電流(大)1.1半導體基礎知識4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.1半導體基礎知識②加反向電壓(reversebias)—電源正極接N區(qū),負極接P區(qū)-+外電場的方向與內(nèi)電場方向相同,外電場增強內(nèi)電場：

→耗盡層變寬→擴散運動<漂移運動→少子漂移形成反向電流(小)4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.1半導體基礎知識4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.1半導體基礎知識正偏：多子擴散電流遠遠大于少子漂移電流，多子擴散形成很大的正向電流，PN結(jié)表現(xiàn)為很小的電阻，PN結(jié)導通(ON)總結(jié)PN結(jié)：單向?qū)щ娦苑雌憾嘧訑U散運動無法進行，少子漂移，形成很小的反向電流，PN結(jié)表現(xiàn)為很大的電阻，PN結(jié)截止(OFF)1.1半導體基礎知識5.PN結(jié)的伏安特性(I/Vcharacteristics)根據(jù)理論分析（半導體物理），pn結(jié)電流方程：

其中，：結(jié)兩端的電壓降：流過pn結(jié)的電流：反向飽和電流(reverse-biassaturationcurrent)

與溫度、材料、結(jié)面積、結(jié)構(gòu)有關(guān):溫度的電壓當量(thermalvoltage)

室溫下（T=300K），正偏時:反偏時:1.1半導體基礎知識I/V特性曲線PN結(jié)的擊穿當反向電壓增加到一定值時，由于空間電荷區(qū)的電場很強，會發(fā)生反向擊穿—Breakdown擊穿又可分為：電擊穿和熱擊穿電擊穿——可恢復（可逆）

包括齊納擊穿和雪崩擊穿熱擊穿——電擊穿后不限流,導致PN結(jié)過流過熱而永久性

燒毀（不可逆）1.1半導體基礎知識雪崩擊穿-碰撞擊穿Avalanchebreakdown被加速的載流子撞擊晶格，激發(fā)出新的電子-空穴對，又被加速，形成連鎖反應，使電流劇增齊納擊穿-電場擊穿Zenereffect反偏電壓過大,電場過強,將共價鍵中價電子拉出,成為自由電子I/V特性曲線PN結(jié)的電擊穿1.1半導體基礎知識6.PN結(jié)的電容效應①勢壘電容

反偏時，當u變化時，耗盡層寬度隨之改變，即PN結(jié)中存儲的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。-+②擴散電容

正偏時，PN結(jié)耗盡層兩側(cè)存在非平衡少子的堆積現(xiàn)象，堆積的數(shù)量隨正偏的增加而增加，這也相當于電容的充放電。1.1半導體基礎知識6.PN結(jié)的電容效應對器件的高頻特性有很大的影響結(jié)電容反偏正偏1.1半導體基礎知識6.PN結(jié)的電容效應1.1半導體基礎知識7.PN結(jié)的溫度特性pn結(jié)電流方程

和都是溫度的函數(shù)，故PN的I/V特性也與溫度有關(guān)。正向曲線：T反向曲線：T下移左移思考題：2、在N型半導體中摻入足夠量的三價元素，可將其改型為P型半導體3、N型半導體的多子是自由電子，所以它帶負4、PN結(jié)在無光照，無外加電壓時，結(jié)電流為零5、PN結(jié)加正電壓時，空間電荷區(qū)將變寬6、空穴導電本質(zhì)是電子的移動1、在溫度相同的情況下，鍺半導體比硅半導體載流子濃度要高（√）（√）（×）（√）（×）（×）1.2半導體二極管1.2.1半導體二極管的結(jié)構(gòu)1.2.2二極管的伏安特性與參數(shù)1.2.3二極管的等效電路1.2.4其它半導體二極管常用二極管實物圖1.2半導體二極管1.2.1半導體二極管的結(jié)構(gòu)在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分點接觸型、面接觸型和平面型三大類。二極管的電氣符號特點：結(jié)面積小，結(jié)電容小，承受的電流有限點接觸型結(jié)構(gòu)示意圖①點接觸型二極管用途：高頻電路，小功率整流1.2半導體二極管②面接觸型二極管面接觸型結(jié)構(gòu)示意圖特點:結(jié)面積大，結(jié)電容大，承受的電流大用途:工頻電路大電流整流電路1.2半導體二極管③平面型二極管平面型結(jié)構(gòu)示意圖特點：采用擴散法制成，往往用于集成電路制造工藝中用途:PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中1.2半導體二極管二極管與PN結(jié)伏安特性曲線的區(qū)別：1.二極管存在串連電阻R（半導體體電阻和引線電阻）2.二級管存在反向漏電流1.2.2二極管的伏安特性：反向飽和電流:溫度的電壓當量

二極管的I/V特性仍由

近似描述。導通壓降:硅管0.6~0.8V鍺管0.1~0.3V反向擊穿電壓UBR死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V材料開啟電壓Uon導通電壓V硅Si0.5V0.6~0.8(0.7)鍺Ge0.1V0.1~0.3(0.2)1.2半導體二極管二極管伏安特性與溫度T的關(guān)系1.2.2二極管的伏安特性1.2半導體二極管1.2.3二極管的主要參數(shù)1N400系列整流管：3kHz；1N4148開關(guān)管：～MHz最大整流電流：長期工作所允許的最大正向平均電流(2)反向擊穿電壓(3)最大反向工作電壓(通常取的一半)(4)反向電流

(

下的反向電流)(5)最高工作頻率：工作上限頻率超過此頻率，結(jié)電容不能夠忽略，二極管的單向?qū)щ娦允艿狡茐摹?.2半導體二極管1.2.4二極管的等效電路--equivalentcircuit1、理想二極管模型正向工作時二極管導通電壓等于0,反向時二極管開路,特性曲線如右圖所示,一般適用于大信號工作狀態(tài),例如邏輯電路、整流電路中。2、開關(guān)模型(恒壓降模型）-常用正向?qū)〞r。相當于理想二極管串聯(lián)一個0.7伏（導通電壓，并非是開啟電壓Uon）的恒定電壓源，特性曲線如右圖所示。由于該模型比較簡單，在模擬電路中用得比較多。uiuott例1：二極管半波整流二極管的應用舉例二極管導通電壓UD＝0

例2：電路如下圖所示，已知ui＝5sinωt（V），二極管導通電壓UD＝0.7V。試畫出ui與uo的波形。二極管的應用舉例uiuott1.2半導體二極管1.2.4二極管的等效電路--equivalentcircuit3、折線模型正向?qū)〞r。相當于理想二極管串聯(lián)一個等效電阻

和一個電壓源Uon，特性曲線如右圖所示。4、微變等效模型（小信號模型）二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。微變電阻的計算：1.2半導體二極管根據(jù)求出Q點處的微變電導：常溫下T=300K時：結(jié)論：Q點的改變，也會改變，隨正向電流增大而減小。值得注意的是：是二極管兩端電壓和電流的變化量之比1.2半導體二極管1.2.5特殊二極管穩(wěn)壓二極管利用PN結(jié)反向擊穿后，在一定電流范圍內(nèi)，電壓不隨電流變化，這一特點制成的器件。它既具有普通二極管的單向?qū)щ娞匦?，又可工作于反向擊穿狀態(tài)。1、穩(wěn)壓二極管UIIZminIZmaxUZIZUZ符號：穩(wěn)壓二極管使用注意：1、工作在反向擊穿狀態(tài)；

2、要有合適的限流電阻；

3、負載RL與穩(wěn)壓管并聯(lián)。1.2半導體二極管穩(wěn)壓二極管舉例：例4：已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值Uz=6V，穩(wěn)定電流的最小值Izmin=5mA。求下圖電路中Uo1和Uo2各為多少？1.2半導體二極管穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓Uz在規(guī)定的工作電流Iz下，所對應的工作電壓。(2)動態(tài)電阻(3)最大耗散功率

PzM＝Uz×Izmax(4)最大穩(wěn)定工作電流

Izmax,最小穩(wěn)定工作電流

Izmin1.2半導體二極管2、發(fā)光二極管電致發(fā)光器件，將電信號轉(zhuǎn)換成光信號。正偏導通時發(fā)光。通常由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當電子與空穴復合時能輻射出可見光。光的波長(顏色)與材料有關(guān)，磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃

發(fā)光二極管的開啟電壓和正向?qū)妷罕绕胀ǘO管大，正向電壓一般為1.3~2.4V。亮度與正向電流成正比，一般需要幾～幾十個毫安，使用時接限流電阻。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。光。1.2半導體二極管3、光電二極管通常由硅材料制成，管殼有接收光照的透鏡窗口。

正常工作在反偏狀態(tài)。無光照時，只有很小的反向飽和電流，稱為暗電流（通常小于0.2uA)；有光照時，PN結(jié)受光激發(fā)，產(chǎn)生大量電子空穴對，形成較大的電流（光電流）;光電二極管電流與照度正比，用于信號檢測、光電傳感器、電機轉(zhuǎn)速測量等。

1.2半導體二極管4、變?nèi)荻O管—VaractorDiode通常用于高頻調(diào)諧、通信等電路中作可變電容器使用。

變?nèi)荻O管是根據(jù)普通二極管內(nèi)部“PN結(jié)”的結(jié)電容能隨外加反向電壓的變化而變化這一原理專門設計的一種特殊二極管。在工作狀態(tài)，變?nèi)荻O管調(diào)制電壓一般加到負極上，使變?nèi)荻O管的內(nèi)部結(jié)電容容量隨所加電壓的變化而變化。壓控可變電容器1.3雙極型晶體管1.3.1BJT的結(jié)構(gòu)簡介1.3.2BJT的電流分配與放大原理1.3.3BJT的特性曲線1.3.4BJT的主要參數(shù)三極管實物圖1.3.1BJT的結(jié)構(gòu)簡介1.3雙極型晶體管NPN型三極管的結(jié)構(gòu)PNP型三極管的結(jié)構(gòu)管芯結(jié)構(gòu)剖面圖三極管的結(jié)構(gòu)特點:1.3.1BJT的結(jié)構(gòu)簡介1.3雙極型晶體管1、發(fā)射區(qū)的摻雜濃度>>集電區(qū)摻雜濃度。2、基區(qū)很薄(1μm~幾μm)且濃度很低。3、集電區(qū)面積>基區(qū)面積>發(fā)射區(qū)面積。NPN管的符號PNP管的符號ebc

ebc1.3.2BJT的電流分配與放大原理1.3雙極型晶體管外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過載流子傳輸體現(xiàn)出來的。1.各極的作用：發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子1.3雙極型晶體管發(fā)射區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏多數(shù)載流子參與導電集電區(qū)：集電結(jié)反偏少數(shù)載流子參與導電基區(qū)：多數(shù)、少數(shù)載流子都參與導電

各極的導電載流子外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏1.3雙極型晶體管電流分配關(guān)系根據(jù)載流子的運動過程可知:其值約為：0.9～0.99。共基直流電流放大系數(shù)Common-baseDCcurrentgain定義1.3雙極型晶體管載流子的運動過程1.3雙極型晶體管定義：共射直流電流放大系數(shù)Common-emitterDCcurrentgain（當時，）穿透電流C-Ecut-offcurrentβ由材料、摻雜濃度以及工藝有關(guān),反映三極管電流放大能力1.3雙極型晶體管定義：共射交流電流放大系數(shù)Common-emittercurrentgain假設：變化時，

不隨之變化，則：事實上β是與Ic有關(guān)的：其值約為：幾十～數(shù)千常用：幾十～幾百1.3雙極型晶體管1.3.3BJT的特性曲線一、共發(fā)射極輸入特性：1.3雙極型晶體管共發(fā)射極輸入特性曲線共射輸入特性曲線是以uCE為參變量時，iB與uBE間的關(guān)系曲線，即1.3雙極型晶體管二、共發(fā)射極輸出特性：共射輸出特性曲線是以iB為參變量時，iC與uCE間的關(guān)系曲線，即1.3雙極型晶體管輸出特性三個區(qū)域的特點(1)放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。

(2)截止區(qū)：

發(fā)射結(jié)截止，集電結(jié)反偏。

(3)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。

1.3雙極型晶體管深度飽和臨界飽和三極管工作狀態(tài)總結(jié)1.3雙極型晶體管狀態(tài)發(fā)射結(jié)集電結(jié)IC截止UBE<UON反偏0放大正偏反偏bIB飽和正偏正偏<bIB三極管處于放大狀態(tài)的特點電流關(guān)系電位關(guān)系1.3雙極型晶體管三極管舉例電路如圖所示，β=50，VCC=12V，RB=50k，RC=5k。當VBB=-1V，2V，4V時，求晶體管的工作狀態(tài)？思路：求出BJT各極電位,從而得出BE結(jié)和BC