模拟电子技术基础模拟电子技术基础第1章 常用半导体器件第第1 1章章 常用半导体器件常用半导体器件1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 1.3 双极型晶体管双极型晶体管 1.4 1.4 场效应管场效应管 1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 作业：3、7、8、10、14、15、191.1 半导体基础知识 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一、导体、绝缘体、半导体导体：外层电子受原子核的束缚力很小，有大量电子能挣脱 原子核的束缚力而成为自由电子。它们在外电场作用 下作定向运动，从而形成电流，导电性很好。绝缘体：外层电子受原子核的束缚力很大，很不容易挣脱出来， 因此形成自由电子的机会很小。导电力差。半导体：外层电子不像导体那样容易挣脱，也不像绝缘体那样 束缚得很紧，所以导电性介于两者之间。1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体在热力学温度零度 和没有外界激发时, 本征半导体不导电。 把纯净的没有结构缺 陷的半导体单晶称为本征 半导体。 它是共价键结构。 图1.1.1 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+4二、本征半导体的晶体结构 和共价键 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+4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 自由电子 空 穴 本征激发发 复合 图1.1.2 本征半导体中的自由电子和空穴成对出现 成对消失 三、本征半导体中的两种载流子热激发 两种载流子 电子空穴对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+4 +4 +4 +4 +4 +4 外电场方向外电场方向 空穴导电 的实质是共价 键中的束缚电 子依次填补空 穴形成电流。 故半导体中有 电子和空穴两 种载流子。 I=IN+IP 空穴移动动方向 电电子移动动方向 在外电场作用下，电子和空穴均能 参与导电。 价电子填补空穴 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四、本征半导体中载流子的浓度在一定温度条件下，实现相对平衡，这时产生与复合的 过程虽然仍在不断进行，但电子-空穴对却保持一定的数目。本征半导体载流子的浓度其中，EGO为半导体的激活能，T为绝对温度，k为波耳兹曼 常数（1.3810-23J/K），K1为材料系数。在常温下：硅ni=pi=1.431010cm-3； 锗ni=pi=2.381013cm-3。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+4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 1.1.2 1.1.2 杂质杂质杂质杂质 半半导导导导体体 一 . N 型半导体 在硅或锗的晶 体中掺入少量的五 价元 素,如磷, 则形 成N型半导体电 子导电。 多子电子 少子空穴 施主原子 磷原子+4+5 多余价电子 自由电子正离子 图1.1.3 N型半导体1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体N 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,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。 1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体+4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 空穴二. P型半导体在硅或锗的 晶体中掺入少 量的三价元素, 如硼,则形成P型 半导体。 多子空穴 少子电子 受主原子 +4 +4 硼原子填补空位+3 负离子图1.1.4 P型半导体1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体电子是少数载流子 负离子 空穴是多数载流子 1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体在P型半导中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。 一、PN 结的形成 用专门专门 的制造工艺艺在同一块块半导导体单单晶上,形成P型半导体区域和N型半导体 区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。 扩散空间电荷区漂移动态平衡 PN结结。1.1.3 1.1.3 PNPN 结结多子扩散 少子漂移内电场方向 空间电荷区 P 区 N 区 图1.1.5 PN 结的形成 (a)P区与N区中载流子的扩散运动1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.3 PN1.1.3 PN结结由于载流子的浓度差，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向 P区扩散。这种由于浓度差引起的运动称为扩散运动。随着扩散运动的进行，N区出现正离子区，P区出现负离子 区，这个不能移动的电荷区叫空间电荷区。因没有载流子，也 叫耗尽层。即 PN结。又可称为势垒区，阻挡层。由空间电荷区产生的、方向为N区指向P区的内建电场阻碍 了扩散运动，同时使少子产生漂移运动，即N区的空穴向P区漂 移， P区的电子向N区漂移。当漂移运动和扩散运动达到动态平衡时，扩散电流等于漂 移电流且方向相反，PN结中电流为零，PN结宽度及电位差Uho 为恒定值。硅：0.60.8V；锗：0.2 0.3V。1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.3 PN1.1.3 PN结结在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡， 空间电荷区的宽度基本上稳定下来。 P 区 N 区 空间电荷区 内电场方向图1.1.5 PN 结的形成 (b)平衡状态下的PN结1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.3 PN1.1.3 PN结结内电场方向 E 外电场方向 R I二、 PN 结的单向导电性外加正向电压P 区 N 区 空间电荷区变窄 扩散运动增强，形 成较大的正向电流 图1.1.6 PN结加正向电压时导通1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.3 PN1.1.3 PN结结P 区N 区内电场方向 E R 空间电荷区变宽 外电场方向 IR 少数载流子越过PN结 形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动 难于进行图1.1.7 PN结加反向电压时截止二、 PN 结的单向导电性外加反向电压1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.3 PN1.1.3 PN结结三、PN结的电流方程及伏安特性i / mA u / V 其中，Is为反向饱和电流， uT =kT/q 26mV (常温） 温度对反向电流的影响：T，少子 ，IS 。四、 PN结的电容效应PN结电容 势垒电容Cb 扩散电容Cd 图1.1.10 PN结的伏安特性1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.3 PN1.1.3 PN结结1. 势垒电容PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容称 为势垒电容，用 Cb 来表示。载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压变化所形 成的电容称为扩散电容，用 Cd来表示。 2. 扩散电容 3、等效电路 Cj rrd PN结等效电路如右图所示， 其中: Cj=Cb+Cd; rd 为结电阻； r 为中性区的体电阻 及 电极接触 电阻之和。S：PN结面积 d：PN结宽度 ：半导体介电常数I：正向电流 UT：温度电压当量 ：非平衡少子的寿命1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.3 PN1.1.3 PN结结1.2 半导体二极管 正极引线 触丝 N型锗 支架外壳负极引线点接触型二极管二极管的符号正极 负极正极引线 二氧化硅保护层 P型区负极引线 面接触型二极管N型硅PN结 PN结 1.2.1 半半导导导导体二极管的几种常体二极管的几种常见结见结见结见结 构构图图1.2.2 二极管的几种常二极管的几种常见结见结见结见结 构构1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.1 1.2.1 半导体二极管的几种常见结构半导体二极管的几种常见结构I / mA U / V 正向特性 反向击穿特性二极管的伏安特性1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性死区电压 一、实际的二极管伏安特性1、正向特性开启电压Uon:使二极管开始导通的电压。 （死区电压） 室温下，硅管Uon=0.5V；锗管Uon=0.1V。导通电压一般为：硅0.60.8V； 锗0.1 0.3V。2、反向特性加反向电压时，反向电流很小。反向特性1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性3、反向击穿（1）奇纳击穿：在高掺杂情况下，耗尽层宽度小，几伏反向 电压就可形成强电场，将共价键中的价电子拉出，产生电子 空穴对，引起电流剧增。硅材料一般在4V以下。 （2）雪崩击穿：随着反向电压增加，耗尽层电场加强，使少子 漂移加速，撞击共价键中的价电子，产生电子空穴对，并形成 雪崩式的倍增，引起电流剧增。一般在7V以上。二、二极管的特性方程近似采用PN结特性方程三、温度对二极管特性的影响温度每升高1，正向压降减少22.5mV; 温度每升高10，反向电流约增大一倍。 在4 7V之间，两者都有1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.2.3 1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1. 最大整流电电流IF 2. 最大反向工作电压电压 UR 3. 反向电电流IR 4. 最高工作频频率fM 二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，由PN结 面积及散热条件决定。二极管在使用时所允许加的最大反向电压，通常为击穿电 压的一半。二极管未击穿时的反向电流值。主要由PN结的结电容大小决定。超过此值，体现不出单向 导电性。1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.3 1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1.2.4 1.2.4 二极管的等效电路二极管的等效电路一、理想二极管等效电路i/ mA u / V 符号：正偏时压降为零； 反偏时电流为零。二、开关等效电路符号：Uon i/ mA u/ V Uon 加正偏时考虑Uon； 反偏时电流仍为零。 1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.4 1.2.4 二极管的等效电路二极管的等效电路三、折线等效电路i/ mA u/ V UUon I符号：Uon rd 正偏时，小于Uon，电流为0； 大于Uon，电流曲线一斜线。 斜率的倒数为等效电阻四、微变等效电路应用于信号变化范围较大时 i/ mA u/ V uiIDQ Q+-urd i图1.2.7 二极管的微变等效电路1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.4 1.2.4 二极管的等效电路二极管的等效电路二极管应用举例二极管应用举例 例1.1 如右图所示。计算UI为0V、5V和10V时UO的值各是多大。+-UI +-UO D解：当UIUon,D导通,UO=UD； UI 1 W1.3 1.3 双极型晶体管双极型晶体管1.3.1 1.3.1 晶体管的结构及类型晶体管的结构及类型1.3.2 晶体管的电流放大作用 1. 三极管放大的条件内部 条件发射区掺杂浓度高 基区薄且掺杂浓度低 集电结面积大外部 条件发射结正偏集电结反偏2. 满足放大条件的三种电路uiu