第一章常用半導體器件模擬電子技術基礎1第一章常用半導體器件§1.1

半導體的基礎知識§1.2

半導體二極管§1.3雙極型晶體管§1.4場效應管2§1.1半導體的基礎知識導體、半導體和絕緣體導體：自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體（電阻率10-6～10-3㎝）。絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英（電阻率109～1020㎝）。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，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等（電阻率10-3～109㎝）。3半導體的導電機理不同于其它物質，所以它具有不同于其它物質的特點。例如：當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化－－熱敏性或光敏性。往純凈的半導體中摻入某些雜質，會使它的導電能力明顯改變－－摻雜性。41.1.1

本征半導體一、本征半導體的結構特點GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。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。5本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。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，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結構：6硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子7共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規則排列，形成晶體。+4+4+4+48二、本征半導體的導電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴9+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子102.本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。動畫演示11溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動產生的電子電流。

2.空穴移動產生的空穴電流。121.1.2

雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質（元素），就會使半導體的導電性能發生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P型半導體：空穴濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（空穴半導體）。N型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（電子半導體）。13一、N型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。14+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導體中的載流子是什么？1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導體中成對產生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數載流子（多子），空穴稱為少數載流子（少子）。15二、P型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半導體中空穴是多子，電子是少子。16三、雜質半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。171.1.3PN結一、PN結的形成在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結。動畫演示18P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E漂移運動擴散的結果是使空間電荷區逐漸加寬，空間電荷區越寬。內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄?？臻g電荷區，也稱耗盡層。19漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區之間沒有電荷運動，空間電荷區的厚度固定不變。20－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區N型區P型區電位VV0211、空間電荷區中沒有載流子。2、空間電荷區中內電場阻礙P中的空穴、N區

中的電子（都是多子）向對方運動（擴散運動）。3、P

區中的電子和N區中的空穴（都是少），數量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:22二、PN結的單向導電性

PN結加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區加正、N區加負電壓。

PN結加上反向電壓、反向偏置的意思都是：

P區加負、N區加正電壓。23－－－－++++RE1、PN結正向偏置內電場外電場變薄PN+_內電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。動畫演示242、PN結反向偏置－－－－++++內電場外電場變厚NP+_內電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數量有限，只能形成較小的反向電流。RE動畫演示25三、PN結的電流方程其中：稱為溫度電壓當量。理論分析表明：稱為反向飽和電流。稱為正向特性。稱為反向特性。26

四、伏安特性動畫演示圖1.1.10PN結的伏安特性27五、二極管的極間電容PN結存在有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容Cb和擴散電容Cd。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P區的少子（電子）在P

區有濃度差，越靠近PN結濃度越大，即在P區有電子的積累。同理，在N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散電容CD。P+-N28CB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。PN結高頻小信號時的等效電路：勢壘電容和擴散電容的綜合效應rd291.2

半導體二極管1.2.1半導體二極管的幾種常見結構PN結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。圖1.2.1二極管的幾種外形30圖1.2.2二極管的幾種常見結構311.2.2二極管的伏安特性一、二極管和PN結伏安特性的區別圖1.2.3二極管的伏安特性開啟電壓32二、溫度對二極管伏安特性的影響1.溫度每升高1℃，正向壓降減小2～2.5mV；2.溫度每升高10℃，反向電流約增大一倍；331.2.3二極管的主要參數1.最大整流電流

IF二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.反向擊穿電壓U(BR)二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓UR一般是U(BR)的一半。343.反向電流

IR指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。4.最高工作頻率fM二極管的上限頻率351.2.4二極管的等效電路在一定的條件下，用線性元件所構成的電路來近似模擬二極管的特性，并用之取代電路中的二極管。能夠模擬二極管特性的電路稱為二極管的等效電路，也稱為二極管的等效模型。一、由伏安特性折線化得到的等效電路1.理想二極管等效電路2.理想二極管與恒壓源串聯的等效電路3.折線等效電路36圖1.2.4由伏安特性折線化得到的等效電路二極管：死區電壓=0.5V；正向壓降0.1～0.3V(鍺二極管)；正向壓降0.6～0.8V(硅二極管)理想二極管：死區電壓=0，正向壓降=037iDuDIDUDQiDuDrd是二極管特性曲線上工作點Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rd是對Q附近的微小變化區域內的電阻。二、二極管的微變等效電路－－動態電阻38由PN結方程得則微變等效電阻為39RLuiuouiuott二極管的應用舉例1：二極管半波整流40二極管的應用舉例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo41一、穩壓二極管的伏安特性UIIZIZmaxUZIZ穩壓誤差曲線越陡，電壓越穩定。+-UZ動態電阻：rz越小，穩壓性能越好。1.2.5穩壓二極管42（4）穩定電流IZ、最大、最小穩定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗（1）穩定電壓

UZ（2）電壓溫度系數U（%/℃）表示溫度每變化1℃穩壓值的變化量。（3）動態電阻二、穩壓管的主要參數43穩壓二極管的應用舉例uoiZDZRiLiuiRL穩壓管的技術參數:負載電阻。要求當輸入電壓由正常值發生20%波動時，負載電壓基本不變。解：令輸入電壓達到上限時，流過穩壓管的電流為Izmax

。求：電阻R和輸入電壓ui

的正常值。——方程144令輸入電壓降到下限時，流過穩壓管的電流為Izmin

。——方程2uoiZDZRiLiuiRL聯立方程1、2，可解得：45一、發光二極管有正向電流流過時，發出一定波長范圍的光，目前的發光管可以發出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。1.2.6其它類型二極管46圖1.2.12發光二極管47反向電流隨光照強度的增加而上升。二、光電二極管圖1.2.13光電二極管的外形和符號48圖1.2.14光電二極管的伏安特性49§1.3雙極型晶體管圖1.3.1晶體管的幾種常見外形501.3.1

晶體管的結構及類型BECNNP基極發射極集電極NPN型PNP集電極基極發射極BCEPNP型51BECNNP基極發射極集電極基區：較薄，摻雜濃度低集電區：面積較大發射區：摻雜濃度較高內部條件52BECNNP基極發射極集電極發射結集電結53BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管541.3.2晶體管的電流放大作用BECNNPVBBRBVCCIEIBE發射結正偏，發射區電子不斷向基區擴散，形成發射極電流IE。一、晶體管內部載流子的運動進入P區的電子少部分與基區的空穴復合，形成電流IBE

，多數擴散到集電結。外部條件基區空穴向發射區的擴散可忽略。55BECNNPVBBRBVCCIE集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE從基區擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。56IB=IBN+IEP-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICNIC=ICN+ICBO

ICNIEP動畫演示二、晶體管的電流分配關系IE=IEN+IEP=

ICN+

IBN+IEP

IE=IB+IC57ICN與IB′之比稱為電流放大倍數要使三極管能放大電流，必須使發射結正偏，集電結反偏。三、晶體管的共射電流放大系數58晶體管的共基電流放大系數591.3.3

晶體管的共射特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

實驗線路60一、輸入特性曲線UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：硅管UBE0.6~0.8V,鍺管UBE0.1~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V

死區電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。61二、輸出特性曲線IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區域滿足IC=IB稱為線性區（放大區）。當UCE大于一定的數值時，IC只與IB有關，IC=IB。62IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區域中UCEUBE,集電結正偏，IB>IC，UCE<0.5V稱為飽和區。63IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區電壓，稱為截止區。64輸出特性三個區域的特點:放大區：發射結正偏，集電結反偏。即：IC=IB,且

IC

=

IB(2)飽和區：發射結正偏，集電結正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區：發射結反偏，集電結反偏。

即：UBE<死區電壓，IB=0，IC=ICEO

0

65例：

=50，U

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當USB

=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態工作點Q位于哪個區？當USB

=-2V時：ICUCEIBURBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大飽和電流：Q位于截止區

66例：

=50，U=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當USB

=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態工作點Q位于哪個區？IC<

ICmax

(=2mA)

，

Q位于放大區。ICUCEIBURBUSBCBERCUBEUSB

=2V時：67USB

=5V時:例：

=50，U=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當USB

=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態工作點Q位于哪個區？ICUCEIBURBUSBCBERCUBEIC>

Icmax(=2mA)，Q位于飽和區。(實際上，此時IC和IB

已不是的關系）68前面的電路中，三極管的發射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接法，相應地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數：工作于動態的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號?；鶚O電流的變化量為IB，相應的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數為：1.電流放大倍數和

1.3.4

晶體管的主要參數69例：UCE=6V時：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：=702.集-基極反向截止電流ICBOAICBOICBO是集電結反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。71BECNNPICBOICEO=

(1+)

ICBO

IEPICBOICBO進入N區，形成IEP根據放大關系，由于ICBO的存在，必有電流ICBO

。集電結反偏有ICBO3.集-射極反向截止電流ICEOICEO受溫度影響很大，當溫度上升時，ICEO增加很快，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。724.集電極最大電流ICM集電極電流IC上升會導致三極管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。5.集-射極反向擊穿電壓當集---射極之間的電壓UCE超過一定的數值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)CEO。736.集電極最大允許功耗PCM集電極電流IC

流過三極管，所發出的焦耳熱為：PC=ICUCE必定導致結溫上升，所以PC

有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區747.特征頻率fT

電流放大系數下降到1時的信號頻率稱為特征頻率。751.3.5

溫度對晶體管特性及參數的影響

一、溫度對ICBO的影響實驗證明，溫度每升高10℃，ICBO增加約一倍；反之，當溫度降低時ICBO減小。另外，硅管比鍺管受溫度的影響要小得多。

二、溫度對輸入特性的影響實驗證明，溫度每升高1℃，uBE大約下降2～2.5mV。對特性曲線的影響如圖1.3.8所示。76圖1.3.8溫度對晶體管輸入特性的影響77三、溫度對輸出特性的影響圖1.3.9溫度對晶體管輸出特性的影響溫度升高1℃，β增加0.5～1％。781.3.6

光電三極管圖1.3.10光電三極管的等效電路、符號和外形79圖1.3.11光電三極管的輸出特性曲線80§1.4場效應管場效應管與雙極型晶體管不同，它是多子導電，輸入阻抗高，溫度穩定性好。結型場效應管JFET絕緣柵型場效應管MOS場效應管有兩種:耗盡型場效應管和增強型場效應管81N基底：N型半導體PP兩邊是P區G(柵極)S源極D漏極一、結型場效應管的工作原理1.4.1結型場效應管導電溝道82實際結構83NPPG(柵極)S源極D漏極N溝道結型場效應管DGSDGS84PNNG(柵極)S源極D漏極P溝道結型場效應管DGSDGS85UDS=0V時PGSDUDSUGSNNNNIDPN結反偏，UGS越大則耗盡區越寬，導電溝道越窄。以P溝道為例分析86PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V時NNUGS越大耗盡區越寬，溝道越窄，電阻越大。但當UGS較小時，耗盡區寬度有限，存在導電溝道。DS間相當于線性電阻。87PGSDUDSUGSNNUDS=0時UGS達到一定值時（夾斷電壓UGS（off）

）,耗盡區碰到一起，DS間被夾斷，這時，即使UDS0V，漏極電流ID=0A。ID88PGSDUDSUGSUGS<UGS（off）且UDS>0、UGD<UGS（off）時耗盡區的形狀NN越靠近漏端，PN結反壓越大ID89PGSDUDSUGSUGS<UGS（off）且UDS較大時UGD<UGS（off）時耗盡區的形狀NN溝道中仍是電阻特性，但是是非線性電阻。ID90GSDUDSUGSUGS<UGS（off）

UGD=UGS（off）時NN漏極的溝道被夾斷，稱為予夾斷。UDS增大則被夾斷區向下延伸。ID91GSDUDSUGSUGS<UGS（off）

UGD=UGS（off）時NN此時，電流ID由未被夾斷區域中的載流子形成，基本不隨UDS的增加而增加，呈恒流特性。ID92予夾斷曲線IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可變電阻區夾斷區恒流區0二、結型場效應管的特性曲線1.輸出特性曲線一定UGS下的ID-UDS曲線93UGS0IDIDSSUGS（off）飽和漏極電流夾斷電壓2.轉移特性曲線一定UDS下的ID-UGS曲線94N溝道結型場效應管的特性曲線轉移特性曲線UG