上海海事大學(xué)電工學(xué)PPT第1章

第一章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.2半導(dǎo)體二極管1.3半導(dǎo)體三極管1.4BJT模型1.5場(chǎng)效應(yīng)管1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

在物理學(xué)中。根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以將他們劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價(jià)元素。硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。

本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)束縛電子在絕對(duì)溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。一.本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴。

可見本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。

外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對(duì)越多。

動(dòng)畫演示

與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復(fù)合在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電子空穴對(duì)的濃度一定。常溫300K時(shí)：電子空穴對(duì)的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對(duì)自由電子帶負(fù)電荷電子流動(dòng)畫演示+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E＋－＋總電流載流子空穴帶正電荷空穴流本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。導(dǎo)電機(jī)制二.雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。1.

N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，稱為N型半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴++++++++++++N型半導(dǎo)體施主離子自由電子電子空穴對(duì)

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等?？昭ㄅ鹪庸柙佣鄶?shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對(duì)2.

P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖++++++++++++N型半導(dǎo)體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關(guān)多子濃度——與溫度無(wú)關(guān)內(nèi)電場(chǎng)E

因多子濃度差

形成內(nèi)電場(chǎng)

多子的擴(kuò)散

空間電荷區(qū)

阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。PN結(jié)合空間電荷區(qū)多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層三.PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

1.PN結(jié)的形成

動(dòng)畫演示少子飄移補(bǔ)充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴(kuò)散又失去多子，耗盡層寬，E內(nèi)電場(chǎng)E多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層動(dòng)態(tài)平衡：擴(kuò)散電流＝漂移電流總電流＝0勢(shì)壘UO硅0.5V鍺0.1V2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)

外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反。

外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)→耗盡層變窄→擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)＞漂移運(yùn)動(dòng)→多子擴(kuò)散形成正向電流IF正向電流

(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)

外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同。

外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)→耗盡層變寬→漂移運(yùn)動(dòng)＞擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)→少子漂移形成反向電流IRPN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無(wú)關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。?dòng)畫演示1

動(dòng)畫演示23.PN結(jié)的伏安特性曲線及表達(dá)式

根據(jù)理論推導(dǎo)，PN結(jié)的伏安特性曲線如圖正偏I(xiàn)F（多子擴(kuò)散）IR（少子漂移）反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿熱擊穿——燒壞PN結(jié)電擊穿——可逆

根據(jù)理論分析：u為PN結(jié)兩端的電壓降i為流過PN結(jié)的電流IS為反向飽和電流UT=kT/q

稱為溫度的電壓當(dāng)量其中k為玻耳茲曼常數(shù)1.38×10－23q為電子電荷量1.6×10－9T為熱力學(xué)溫度對(duì)于室溫（相當(dāng)T=300K）則有UT=26mV。當(dāng)u>0u>>UT時(shí)當(dāng)u<0|u|>>|UT

|時(shí)4.PN結(jié)的電容效應(yīng)

當(dāng)外加電壓發(fā)生變化時(shí)，耗盡層的寬度要相應(yīng)地隨之改變，即PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。

(1)勢(shì)壘電容CB(2)擴(kuò)散電容CD

當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。電容效應(yīng)在交流信號(hào)作用下才會(huì)明顯表現(xiàn)出來極間電容（結(jié)電容）1.2半導(dǎo)體二極管二極管=PN結(jié)+管殼+引線NP結(jié)構(gòu)符號(hào)陽(yáng)極+陰極-

二極管按結(jié)構(gòu)分三大類：(1)點(diǎn)接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(3)平面型二極管

用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。半導(dǎo)體二極管的型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。

一、半導(dǎo)體二極管的V—A特性曲線

硅：0.5V鍺：

0.1V(1)正向特性導(dǎo)通壓降反向飽和電流(2)反向特性死區(qū)電壓擊穿電壓UBR實(shí)驗(yàn)曲線uEiVmAuEiVuA鍺硅：0.7V鍺：0.3V二.二極管的模型及近似分析計(jì)算例：IR10VE1kΩD—非線性器件iuRLC—線性器件二極管的模型DU串聯(lián)電壓源模型UD二極管的導(dǎo)通壓降。硅管0.7V；鍺管0.3V。理想二極管模型正偏反偏導(dǎo)通壓降二極管的V—A特性二極管的近似分析計(jì)算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串聯(lián)電壓源模型測(cè)量值9.32mA相對(duì)誤差理想二極管模型RI10VE1kΩ相對(duì)誤差0.7V例：二極管構(gòu)成的限幅電路如圖所示，R＝1kΩ，UREF=2V，輸入信號(hào)為ui。

(1)若ui為4V的直流信號(hào)，分別采用理想二極管模型、理想二極管串聯(lián)電壓源模型計(jì)算電流I和輸出電壓uo解：（1）采用理想模型分析。

采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析。（2）如果ui為幅度±4V的交流三角波，波形如圖（b）所示，分別采用理想二極管模型和理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析電路并畫出相應(yīng)的輸出電壓波形。解：①采用理想二極管模型分析。波形如圖所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V

②采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析，波形如圖所示。三.二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流IF——二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓UBR———

二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。

(3)反向電流IR——

在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級(jí)；鍺二極管在微安(

A)級(jí)。當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時(shí),其兩端電壓近似為常數(shù)穩(wěn)定電壓四、穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管正向同二極管反偏電壓≥UZ反向擊穿＋UZ－限流電阻

穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ——(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ——

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。

rZ=

U

/

I

rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

(3)最小穩(wěn)定工作電流IZmin——

保證穩(wěn)壓管擊穿所對(duì)應(yīng)的電流，若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。

(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax——

超過Izmax穩(wěn)壓管會(huì)因功耗過大而燒壞。

1.3半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管，也叫晶體三極管。由于工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，因此，還被稱為雙極型晶體管（BipolarJunctionTransistor,簡(jiǎn)稱BJT）。

BJT是由兩個(gè)PN結(jié)組成的。10/8/2023一.BJT的結(jié)構(gòu)NPN型PNP型符號(hào):三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度＞＞集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。--NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極--PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極二．BJT的內(nèi)部工作原理（NPN管）

三極管在工作時(shí)要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?。若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏：+UCE－＋UBE－＋UCB－集電結(jié)反偏：由VBB保證由VCC、

VBB保證UCB=UCE-UBE>0共發(fā)射極接法c區(qū)b區(qū)e區(qū)10/8/2023

（1）因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成了擴(kuò)散電流IEN

。同時(shí)從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成的電流為IEP。但其數(shù)量小，可忽略。所以發(fā)射極電流IE≈

IEN。

（2）發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的空穴復(fù)合掉，形成IBN。所以基極電流IB≈

IBN。大部分到達(dá)了集電區(qū)的邊緣。1．BJT內(nèi)部的載流子傳輸過程（3）因?yàn)榧娊Y(jié)反偏，收集擴(kuò)散到集電區(qū)邊緣的電子，形成電流ICN

。

另外，集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。2．電流分配關(guān)系三個(gè)電極上的電流關(guān)系:IE=IC+IB定義：(1)IC與IE之間的關(guān)系:所以:其值的大小約為0.9～0.99。

10/8/2023(2)IC與IB之間的關(guān)系：聯(lián)立以下兩式：得：所以：得：令：三.BJT的特性曲線（共發(fā)射極接法）(1)輸入特性曲線

iB=f(uBE)

uCE=const（1）uCE=0V時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)。（3）uCE≥1V再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。

（2）當(dāng)uCE=1V時(shí)，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，所以基區(qū)復(fù)合減少，在同一uBE電壓下，iB減小。特性曲線將向右稍微移動(dòng)一些。死區(qū)電壓硅0.5V鍺0.1V導(dǎo)通壓降硅0.7V鍺0.3V

(2)輸出特性曲線iC=f(uCE)

iB=const

現(xiàn)以iB=60uA一條加以說明。

（1）當(dāng)uCE=0

V時(shí)，因集電極無(wú)收集作用，iC=0。（2）uCE↑→Ic

↑

。（3）當(dāng)uCE＞1V后，收集電子的能力足夠強(qiáng)。這時(shí)，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成iC。所以u(píng)CE再增加，iC基本保持不變。同理，可作出iB=其他值的曲線。

輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域:飽和區(qū)——iC受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uCE＜0.7

V。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。截止區(qū)——iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)——曲線基本平行等距。