1、電子技術電子技術 第八章 半導體器件模擬電路部分模擬電路部分第八章第八章 半導體器件半導體器件8.1 半導體的基礎知識半導體的基礎知識8.2 PN結及半導體二極管結及半導體二極管8.3 穩壓管穩壓管8.4 半導體三極管半導體三極管良好的導電材料有：良好的導電材料有： 保護性導電材料有：保護性導電材料有： 潤滑性的導電材料有：潤滑性的導電材料有： 電阻性的導電材料有：電阻性的導電材料有：8.1 半導體的基本知識半導體的基本知識 15.1.1 概述概述Ag Au Cu Al Mo W Zn NiPb Sn 熔點低的合金熔點低的合金 C 石墨石墨 碳碳Fe Ni Al Cr 合金合金導體：自然界中很

2、容易導電的物質稱為導體導體：自然界中很容易導電的物質稱為導體絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣。絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣。電阻率電阻率如何衡量導如何衡量導電能力？電能力？氣體和一部分液體以及除去金屬與氣體和一部分液體以及除去金屬與碳以外的幾乎所有固體碳以外的幾乎所有固體如何衡量絕如何衡量絕緣能力？緣能力？絕緣耐壓強度絕緣耐壓強度1mm1mm厚，電壓厚，電壓的千伏值的千伏值 半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體體之間，稱為半導體. .Ge Si Se 砷化鎵和一些硫化物、金屬氧化物砷化鎵和一些硫化物、金屬氧化物等

3、。等。 導電特性導電特性導電能力明導電能力明顯變化顯變化受熱受熱光照光照摻入某摻入某些雜質些雜質一、本征半導體及其結構一、本征半導體及其結構: 完全純凈的完全純凈的,具有晶格結構的半導體稱征半具有晶格結構的半導體稱征半導體導體.GeSi現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子價電子都是四個。8.1.2本征半導體本征半導體本征半導體結構：本征半導體結構：在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統組成在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原

4、子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。電子。硅和鍺的晶硅和鍺的晶體結構：體結構：硅的共價鍵結構硅的共價鍵結構由價電由價電子組成子組成的共價的共價鍵鍵SiSiSiSi+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子+4+4+4+4 空穴的遷移相當于空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此正電荷的移動，因此可以認為空穴也是載可以認為空穴也是載流子。流子。本征半導體中本征半導體中有兩種載流子有兩種載流子自由電自由電子子空穴空穴誰多誰少？誰多誰少？溫度越高，光照越強溫度越高，光照越強, 載流子的濃度越高。載流子的濃度越高。 溫度是影響半導體導電性能的

5、一個重要的外溫度是影響半導體導電性能的一個重要的外部因素部因素本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半本征半導體中導體中一樣多一樣多Intrinsic Semiconductor有辦法讓某種載流子多些嗎?五價五價元素元素自由電子稱多數載流子多子）自由電子稱多數載流子多子）空穴稱為少數載流子少子空穴稱為少數載流子少子)+4+4+5+4negativeN 型半導體型半導體磷+4+4+3+4三價元素三價元素空穴是多子，電子是少子空穴是多子，電子是少子positiveP 型半導體型半導體硼P 型半導體型半導體N 型半導體型半導體雜質半導體雜質半導體五價元素

6、五價元素三價元素三價元素Extrinsic Semiconductor參雜濃度將大大改變半導體的導電性能8.1.3 雜質半導體雜質半導體雜質半導體的示意表示法雜質半導體的示意表示法P 型半導體型半導體+N 型半導體型半導體在同一片半導體基片上，一半擴散進去五價在同一片半導體基片上，一半擴散進去五價元素，一半擴散進去三價元素情況會如何？元素，一半擴散進去三價元素情況會如何？ PN PN 結的形成結的形成擴散，漂移，空間電荷層耗盡層，動態平衡，內建電場。8.2 PN 結結 基本知識基本知識8.2.1+PNPN PN 結會有什么樣的結會有什么樣的 電學特性？電學特性？+REPN 結正向偏置結正向偏置

7、內電場內電場外電場外電場變薄變薄PN+_ PN 結加上正向電壓結加上正向電壓 (正向偏置正向偏置) 的意思都是：的意思都是： P 區區加正、加正、N 區加負電壓。區加負電壓。內電場被削弱，多子內電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成的擴散加強能夠形成較大的擴散電流較大的擴散電流PN 結反向偏置結反向偏置+內電場內電場外電場外電場變厚變厚NP_RE PN 結加上反向電壓結加上反向電壓 (反向偏置反向偏置) 的意思都是：的意思都是： P區區加負、加負、N 區加正電壓。區加正電壓。內電場被被內電場被被加強，多子加強，多子的擴散受抑的擴散受抑制。少子漂制。少子漂移加強，但移加強，但少子數量有少子數量有限，

8、只能形限，只能形成較小的反成較小的反向電流向電流)1e(Iiktqus mv26qkT 當T=3000k 時(即室溫下)反向飽和電流Reverse-bias saturation currentu為PN結兩端外加的電壓i為流過PN結的電流PN結的伏安特性結的伏安特性。反向特性為一常量正向特性為指數曲線，SI)e(IiTUuS1 T（）在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移勢壘電容：勢壘區是積累空間電荷的區域，當電壓變化時，勢壘電容：勢壘區是積累空間電荷的區域，當電壓變化時，就會引起積累在勢壘區的空間電荷的變化，這樣所表現出就會引起積累在勢壘區的

9、空間電荷的變化，這樣所表現出的電容是勢壘電容。的電容是勢壘電容。擴散電容：為了形成正向電流擴散電流），注入擴散電容：為了形成正向電流擴散電流），注入P P 區區的少子電子在的少子電子在P P 區有濃度差，越靠近區有濃度差，越靠近PNPN結濃度越大，結濃度越大，即在即在P P 區有電子的積累。同理，在區有電子的積累。同理，在N N區有空穴的積累。區有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產生的電容就是擴正向電流大，積累的電荷多。這樣所產生的電容就是擴散電容散電容CDCD。8.2.2. PN結的結電容單向導電單向導電(伏安特性曲線伏安特性曲線)結電容結電容PN結的電學特性PN 結加上管殼和引

10、線，就成為半導體二極管。結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。引線引線外殼外殼觸絲線觸絲線基片基片N)點接觸型點接觸型PN結結面接觸型面接觸型PN二極管的電路符號：二極管的電路符號： 8.3 半導體器件半導體器件 8.3.1半導體二極管半導體二極管 diode(P) ui死區電壓死區電壓硅管硅管0.5V,鍺管鍺管0.2V。導通壓降導通壓降: : 硅硅管管0.60.7V,0.60.7V,鍺管鍺管0.20.3V0.20.3V。反向擊穿反向擊穿電壓電壓UBR理想二極管：理想二極管：死區電壓死區電壓=0 正向壓降正向壓降=0 二極管的伏安特性二極管的伏安特性最大整流電流最大整流電流 IOM反向電流反向

11、電流 IRCB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，由于載流子數目很少，擴散電容可忽略。置時，由于載流子數目很少，擴散電容可忽略。PN結高頻結高頻小信號時的小信號時的等效電路：等效電路：勢壘電容和擴散電容的綜合效應勢壘電容和擴散電容的綜合效應rd 二極管的極間電容二極管的極間電容二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容勢壘電容CBCB和擴散電容和擴散電容CDCD。符號符號8.3.2 特殊二極管特殊二極管 穩壓二極管穩壓二極管 1. 反向擊穿可逆2. 反向電流可在很大范圍內變 化,而管子兩端的電壓

12、變化很小Zener DiodeuiIZIZmax UZ IZUZIZmin電學特性電學特性:穩穩壓壓誤誤差差BECNNP基極基極發射極發射極集電極集電極發射結發射結集電結集電結CollectorBaseEmitter發射區：摻發射區：摻雜濃度較高雜濃度較高基區：較薄基區：較薄集電區集電區8.3.2 三極管三極管TransistorBECNNP基極基極發射極發射極集電極集電極NPN型型PNP集電極集電極基極基極發射極發射極BCEPNP型型CollectorBaseEmitterBECIBIEICBECIBIEICBECIBIEICIC =IB=BECNNP基極基極發射極發射極集電極集電極討論討論

13、三機三機極管極管的電的電學特學特性性RcE常數CEUBCiiCECCMUIP晶體管的輸出特性溫度對晶體管特性的影響將增大。不變，將減小。不變，BBEBEB)(iuuiCTCEO )(ICT晶體管的三個工作區域 狀態 UBE IC UCE 截止 Uon ICEO UCC 放大 Uon IB UBE 飽和 Uon IB UBE8.3.3 二極管、穩壓管、三二極管、穩壓管、三極管最基本的應用極管最基本的應用一、二極管單相整流電路二、穩壓管穩壓電路三、三極管 （三極管共射極放大電路與射極跟隨器）構成晶體管開關電路構成晶體管開關電路構成晶體管放大電路構成晶體管放大電路放大電路將在學完數字電路后講述t u

14、o(4) 輸出電壓平均值輸出電壓平均值Uo）：）：(1) 輸出電壓波形：輸出電壓波形：u1u2aTbDRLuoiL 02245022U.UtduUoo1(3) 二極管上承受的最高電壓：二極管上承受的最高電壓：22UURM(2) 二極管上的平均電二極管上的平均電流：流：ID = IL1、單相半波整流一、二極管的應用一、二極管的應用RLuiuouiuott若Ui=220V, RL=10要買一個什么樣的管子 ?diode1、單相半波整流uD iDuRiRuiIuiuRtttiD2、單相全波整流、單相全波整流若Ui=220V, RL=10要買一個什么樣的管子 ?diode單相橋式整流電路的另一種畫法單

15、相橋式整流電路的另一種畫法橋式整流電路橋式整流電路+-u2正半周正半周時電流通時電流通路路u1u2TD4D2D1D3RLuo橋式整流電路橋式整流電路-+u0RLu1u2TD4D2D1D3u2負半周負半周時電流通時電流通路路uou2u2tuot221 U.Uo 整流電路加電容濾波3、限幅、限幅Ruiuo10v5vtcuiuo4、峰值采樣、峰值采樣uotuoiZDZRiLiuiRL知：穩壓管的技術參數知：穩壓管的技術參數:mAIUzz310 ZminmaxI 20mA, V, k2LR負載電阻負載電阻 。 kV5018.R,ui問：當輸入電壓發生問：當輸入電壓發生20%波動時，負載上的電波動時，負載上的電壓壓uo會如何變？會如何變？ 6318201818.%21.6 (V) 14.4 (V)(mA)11516210501018 .21852232105010621. (mA)(mA)835882105010414. 二、穩壓管穩壓電路二、穩壓管穩壓電路三、晶體管開關電路三、晶體管開關電