第一章第一章 半导体基本器件及应用电路半导体基本器件及应用电路1.1 半导体材料及导电特性半导体材料及导电特性1.2 PN结原理结原理1.4 双极型晶体管双极型晶体管1.3 晶体二极管及应用晶体二极管及应用返回1.1半导体材料及导电特性半导体材料及导电特性1.1 .1 本征半导体本征半导体1. 1 . 2 杂质半导体杂质半导体1. 1 . 3 漂移电流与扩散电流漂移电流与扩散电流引言引言返回1.1半导体材料及导电特性半导体材料及导电特性返回1.1 .1 本征半导体本征半导体返回1.1 .1 本征半导体本征半导体（intrinsic semiconductor）返回E g（二）本征激发和两种载流子（二）本征激发和两种载流子 a:a:空穴带正电量空穴带正电量b b：空空穴穴是是半半导导体体中中所所特特有有的的带带单单位位正正电电荷荷的的粒粒子子，与与电电子子电电量量相相等等，符号相反符号相反c：空空穴穴在在价价带带内内运运动动，也也是是一一种种载载流流子子。在在外外电电场场作作用用下下可可在在晶晶体体内内定向移动定向移动空穴：空穴：自由电子载流子：带单位负电自由电子载流子：带单位负电空穴载流子空穴载流子 ：带单位正电：带单位正电返回（三）本征载流子（本征载流子（intrinsic carrier）浓度浓度 本征激发本征激发电子电子空穴空穴E g1电子电子 空穴空穴随机碰撞随机碰撞复合复合 （自由电子释放能量）电子空穴对消失（自由电子释放能量）电子空穴对消失23本征激发本征激发动态平衡动态平衡复合复合 是电子空穴对的两种矛盾运动形式。是电子空穴对的两种矛盾运动形式。返回1. 1 . 2 杂质半导体杂质半导体（donor and acceptor impurities） 3.3X1012分之一返回（一）（一）N型半导体型半导体（N Type semiconductor） 室温T=300k+5返回（二）（二）P型半导体型半导体（P type semiconductor）-返回（三）（三）杂质半导体中的载流子浓度杂质半导体中的载流子浓度 本征半导体中载流子由本征激发产生：本征半导体中载流子由本征激发产生：ni=pi掺杂半导体中（掺杂半导体中（N or P）掺杂越多掺杂越多多子浓度多子浓度少子浓度少子浓度杂质半导体载流子由两个过程产生杂质半导体载流子由两个过程产生： 杂质电离杂质电离多子多子 本征激发本征激发少子少子由半导体理论可以证明，两种载流子的浓度满足以下关系：由半导体理论可以证明，两种载流子的浓度满足以下关系：1 热平衡条件：热平衡条件：温度一定时，两种载流子浓度积之，等于本征浓度的平方。温度一定时，两种载流子浓度积之，等于本征浓度的平方。N型半导体：若以型半导体：若以nn表示电子（多子），表示电子（多子），pn表示空穴（少子）表示空穴（少子） 则有则有 nn.pn=ni2P型半导体：型半导体：pp表示空穴（多子）表示空穴（多子），np表示电子浓度（少子）表示电子浓度（少子） Pp.np=ni22 电中性条件：电中性条件：整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。 N型：型： No表示施主杂质浓度表示施主杂质浓度，则：则：nn=No+pn P型：型： NA表示受主杂质浓度表示受主杂质浓度， Pp=NA+np由于一般总有由于一般总有Nopn NAnp 所以有所以有 N型：型：nnNo 且：且： pn ni2/ND P型：型：ppNA npni2/NA 多子浓度等于掺杂浓度多子浓度等于掺杂浓度 少子浓度与本征浓度少子浓度与本征浓度ni2有关，有关， 与温度无关与温度无关 随温度升高而增加，是半导体随温度升高而增加，是半导体 元件温度漂移的主要原因元件温度漂移的主要原因多子浓度少子浓度返回1. 1 . 3 漂移电流与扩散电流漂移电流与扩散电流半导体中有两种载流子：电子和空穴，这两种载流子的定向运动会引起导半导体中有两种载流子：电子和空穴，这两种载流子的定向运动会引起导 电电流。电电流。引起载流子定向运动的原因有两种：引起载流子定向运动的原因有两种：由于电场而引起的定向运动由于电场而引起的定向运动漂移运动。（漂移电流）漂移运动。（漂移电流）由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动扩散运动（扩散电流）扩散运动（扩散电流）（一）漂移电流（一）漂移电流（drift current） 在电子浓度为在电子浓度为n,空穴浓度为空穴浓度为p的半导体两端外加电压的半导体两端外加电压V，在电场，在电场E的作用的作用下，下，空穴将沿电场方向运动空穴将沿电场方向运动，电子将沿与电场相反方向运动电子将沿与电场相反方向运动：EV返回(二）扩散二）扩散 电电 流流（diffusion current）光光照照 N型半导体xn (x)p (x)载流子浓度载流子浓度热平衡值热平衡值热平衡值热平衡值x返回1.2 PN结原理结原理1.2 .2 空间电荷区特点：空间电荷区特点：1.2.1 PN结的形成及特点结的形成及特点返回NP+-1.2 PN结原理结原理ENP+-返回1.2.1 PN结的形成及特点结的形成及特点一一PN结的动态平衡过程和接触电位结的动态平衡过程和接触电位消弱消弱内建电场内建电场ENP+-ENP+-热平衡（动态平衡）热平衡（动态平衡）返回1.2 .2 空间电荷区特点：空间电荷区特点：NP+-E电荷密度电荷密度E电场强度电场强度电位电位qU内建电位内建电位势垒（电子势能）势垒（电子势能）qUPN返回1.3晶体二极管及应用晶体二极管及应用132 二极管的电阻二极管的电阻133 二极管的交流小信号等效模型二极管的交流小信号等效模型1. 3. 4 二极管应用电路二极管应用电路131晶体二极管的伏安特性晶体二极管的伏安特性引言引言返回135 稳压管稳压管136 PN结电容结电容137 PN结的温度特性结的温度特性138 二极管主要参数二极管主要参数1.3 晶体二极管及应用晶体二极管及应用NP+-E1.3.1 晶体二极管的伏安特性晶体二极管的伏安特性返回1. 正向偏置，正向电流正向偏置，正向电流RUNP+-UiDUU-U-U扩散扩散iDiDiDiD+_返回NP+-2. 反向偏置，反向电流反向偏置，反向电流RUUiRNP+-UU+U+UiRiRiRiR+_返回Si（二）伏安特性二）伏安特性Ge 1.0iDuDUONUON返回Si（二）伏安特性二）伏安特性iR=-IsGeSiGeU(BR)U(BR) 1.0iDuD返回Si（二）伏安特性二）伏安特性iR=-IsSiGeGeU(BR)U(BR) 1.0iDuD 二极管击穿后端电压几乎二极管击穿后端电压几乎不变，具有稳压特性。不变，具有稳压特性。返回IDQUDiDuDuD（忽略（忽略R上的电压）上的电压）132 二极管的电阻二极管的电阻返回rdCJSi 1.0iDuD在低频工作时，在低频工作时，CJ可忽略。可忽略。电路仿真133 二极管的交流小信号等效模型二极管的交流小信号等效模型 返回uiui1.3.4 二极管应用电路二极管应用电路1 整流电路整流电路ui0，二级管导通，二级管导通， ，uo=ui电路仿真2二极管限幅电路二极管限幅电路右图为双向的限幅电路右图为双向的限幅电路如果设：二极管的开启电压如果设：二极管的开启电压UON = 0.7V则有：则有：|ui| UON ， D1导通导通D2截止，截止，回路中的电流，回路中的电流， 利用二极管正向稳利用二极管正向稳压特性，压特性，uo= UON 。如果，如果， ui- UON ， D1截止截止D2导通，导通，回路中的电流，回路中的电流， uo= -UON 。uDiDUON电路仿真+uo-返回ui1.3.4二极管应用电路二极管应用电路3 二极管钳位电路二极管钳位电路 钳位电路是一种能改变信号的直流电压成分的电路，钳位电路是一种能改变信号的直流电压成分的电路，下图是一个简单的二级管钳位电路的例子。下图是一个简单的二级管钳位电路的例子。uc=2.5Vuo设输入信号设输入信号ui为幅度为幅度+2.5V的方波信号，的方波信号，ui2.5V-2.5V当当ui0时，时，D截止，截止， iD=0，回路无回路无法放电，使电容法放电，使电容C的电压保持的电压保持uc=ui=2.5V，而输出电压：而输出电压：uo=ui+uc= ui+ 2.5V=5VVo5V电路仿真返回IZ mi nIZ m a xUZIZUZ135 稳压管稳压管返回UiUZUDIZ mi nIZ m a xUZIZUZ电路仿真返回IZ mi nIZ m a xUZIZUZrzI zUZUZ返回返回136 PN结电容结电容+-RUU+_iR+-CCTUDuDrTCT返回载流子浓度。 。 。QpQn. . PNU+U-。 。 。 。 。 。 。. . . .返回137 PN结的温度特性：结的温度特性：IDT2T1T2T1UD1 UD2 iDuD 返回138 二极管主要参数二极管主要参数uDiD返回继续