数字模拟电路第2章 半导体基础

2半导体器件基础主要内容★半导体的基础知识★★半导体器件的核心环节——PN结★★★半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用★★★★半导体三极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及三极管基本电路及其分析方法与应用★★★★★场效应管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数2.1半导体的基本知识2.1.1本征半导体导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。常用的半导体有硅（Si）和锗（Ge）。纯净的半导体称为本征半导体，其原子结构是晶体结构，故半导体管又称晶体管。共价键结构半导的特点①共价键上的电子受原子核束缚较紧，不象自由电子那样活泼。——半导体的导电性不如导体。②共价键上的某些电子受外界能量激发（如受热或光照）后，可挣脱共价键束缚，成为带负电荷的自由电子。自由电子在电场力作用下，逆着电场方向作定向运动，形成电子流。——电子是半导体的载流子之一。③共价键上的电子挣脱共价键束缚成为带负电荷的自由电子后，在其原来的位置留下一个空位，称为空穴。空穴的出现是半导体区别于其他导体的一个重要特点。电子—空穴对本征激发、复合本征激发：本征半导体受外界能量激发，产生电子—空穴对的现象。电子—空穴对:本征半导体受外界能量激发，自由电子和空穴成对出现。复合:自由电子和空穴也会重新结合，叫做复合。自由电子和空穴是两种电量相等、性质相反的载流子。2.1.2杂质半导体N型半导体:在本征半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素磷（或砷），以电子导电为主的半导体称为N型半导体。在外电场的作用下，其电流主要是电子电流。P型半导体：在本征半导体硅（或锗）中掺入微量三价元素硼（或镓），以空穴导电为主的半导体称为P型半导体。掺入了三价元素的杂质半导体，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。2.1.3PN结及其单向导电性扩散运动：P型半导体和N型半导体的交界面处形成载流子浓度的差异。P区空穴多，N区电子多，N区电子要向P区扩散，P区空穴向N区扩散，这种由于浓度差异引起的载流子运动称为扩散运动。漂移运动：扩散运动的结果，产生从N区指向P区的内电场。在电场作用下的载流子运动称为漂移运动。PN结的形成PN结：P型半导体和N型半导体交界面发生着两种相反的运动——多子的扩散和少子的漂移。当两种运动达到动态平衡时，空间电荷不再变化，形成宽度稳定的空间电荷区——PN结。耗尽层：在PN结内，由于载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说被耗尽了，所以空间电荷区又称耗尽层。浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区↓空间电荷区形成形成内电场↓↓内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散PN结的单向导电性②加反向电压——PN结截止①加正向电压——PN结导通PN结还有感温、感光、发光等特性2.2晶体二极管2.2.1晶体二极管的结构、符号、类型晶体二极管的符号VD负极正极电流方向二极管二极管的分类按制造材料分——硅二极管和锗二极管；按用途分——整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管等；按结构工艺分——点接触型、面接触型等。2.2.2晶体二极管的伏安特性与等效电路伏安特性(或V—A特性)(1)正向特性①死区(不导通区)用Ur表示，一般硅二极管约0.5V，锗二极管约0.1V②导通区一般硅二极管约为0.7V，锗二极管约为0.2V(2)反向特性①反向截止区②反向击穿区二极管是非线性器件，通过二极管的电流与加在其两端的电压近似成指数关系；在一定电压范围内，二极管具有单向导电性。(a)理想二极管的等效电路(b)计及正向导通电压VF时的二极管等效电路电路模型理想二极管加不同极性电压时的意义考虑VF,二极管加不同电压时的意义2.2.3晶体二极管的主要参数1.最大整流电流Ir二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流。2.反向峰值电压VRM允许加在二极管上的反向电压的最大值。3.反向峰值电流IR室温下，二极管两端加上反向峰值电压VRM时的反向电流。4.最高工作频率fM二极管工作在高频时，电流容易从结电容通过，使管子的单向导电性能变差，甚至可能失去单向导电性，为此规定一个最高工作频率，它主要决定于PN结结电容的大小，结电容愈大，则fM愈低。5.二极管的参数还有结电容及最高结温等。温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降VF(Vd)大约减小2mV，即具有负的温度系数。硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。2.2.4半导体二极管的温度特性2.2.5晶体二极管的基本应用应用整流检波开关限幅稳压钳位限幅电路举例例2.1串联限幅例2.1并联限幅限幅电路举例例2.2例2.3钳位稳压二极管2.2.6稳压管稳压管工作在反向击穿区，反射电流在规定范围内变化，反向电压保持不变。发光二极管光电二极管2.3晶体三极管2.3.1晶体三极管的结构、符号、类型晶体管的制造工艺特点：发射区的掺杂浓度高，基区很薄且掺杂浓度低，集电结的面积大，掺杂浓度更低，这些特点是保证晶体管具有电流放大作用的内部条件。BipolarJunctionTransistor三条引线：发射极e(Emitter)基极b(Base)集电极c(Collector)晶体管的电路符号晶体管的分类①依据制造材料的不同，晶体管分为锗管与硅管两类，其特性大同小异，硅管受温度影响较小。工作较稳定；②依据晶体管内部基本结构，分为NPN型和PNP型两类；③依据工作频率不同，大致可分为高频管和低频管等；④依据用途的不同，分为放大管和开关管；⑤依据功率不同，分为小功率管、中功率管和大功率管。晶体管处于放大状态的工作条件PNP管EBUUEBUUBCUUBCUU外加电压保证发射结正向偏置，集电结反向偏置。NPN管2.3.2晶体三极管的放大原理双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示；共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。三种组态共发射极接法输入电路——由基极电源和基极电阻供给NPN三极管发射结正向偏压构成。输出电路——由集电极电源和集电极电阻供给集电结反向偏压构成。共发射极接法——三极管的发射极接于输入电路和输出电路的公共端。PNNcbeVCC++--RbVBBICIBIE=IB+ICRc集电区基区发射区从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为IEP。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。发射结正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电流为IEN。晶体管的电流分配IE=IEN+IEPENEII(1)EPEII发射系数(0.90-0.999)进入基区的电子流因基区空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电子电流ICN1。集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。IENIEPICN1ICN2ICPIBN在基区被复合的电子形成的电流是IBN，另外基区还存在漂移电流ICBO。1CNEII集电子电流漂移电流（反射饱和电流）集电极电流112CCNCBOCNCNCPIIIIII2CBOCNCPIII正向电流传输系数≈11)(BNENCNEIIII1BEPBNCBOEPENCNCBOIIIIIIII11CBOCBOCNCNPNCEEEBIIIIIIIIIIENIEPICN1ICN2ICPIBN电流放大系数直流电流放大系数交流电流放大倍数BCIIBCII)(bcii111,(11111)CCNCBOECBOBCBOCBCBOCEOCBOCBOCBCCEOIIIIIIIIIIIIIIIII因为ICEO非常小，所以CBII典型值30-80IENIEPICN1ICN2ICPIBNbceVCE++++++-----VCEVBEVBCVBCVBEICIEIBIBICIENPN管PNP管ecb-晶体管电压极性与电流方向几点结论(1)晶体三极管由P型和N型两种半导体组合而成，空穴和电子两种载流子参与导电，称双极型晶体管。(2)IC=βIB,且IBIC，说明晶体管基极电流对集电极电流具有控制作用。—双极型三极管具有电流放大作用。(3)欲使晶体管有放大作用，必须保证使发射结正偏，集电结反偏。(4)晶体管各极电流分配关系为：IE=IB+IC产生基极电流iB的回路称晶体管的输入电路。VCE=常数++-VBEVCCVBBiBRBRC-+-输入特性与等效电路2.3.3晶体三极管的伏安特性与等效电路OvBE（V）0.10.20.30.40.8iB（mA）VCE=0VCE1V输入特性——输入电路的电压电流关系曲线()|CEBBEvifv常数输出电路——晶体管集射极与集电极电阻以及电源VCC构成的回路，是产生集电极电流iC的电路，称输出电路。VCE+VCCIBRc-+-iC输出特性与等效电路输出特性集电极、发射极间电压与集电极电流的关系曲线，称晶体管的输出特性，用函数式表示为：常数BICECufi)(晶体管的三种工作状态(2)饱和区——靠近IC轴的一段输出特性的右侧和点画线左侧的区域。晶体管饱和时，发射结和集电结均正偏，集射极间呈低阻状态。(3)放大区——截止区与饱和区之间的区域，发射结正偏和集电结反偏。(1)截止区——对应于输出特性曲线IB=0与VCE轴之间的区域。特点：e结和c结均为反向偏置；集电极电流几乎为零，没有放大作用。bceVCE=VCES≈0+-ICIEIBICecbceVCE+-IC=ICEO≈0IB=0IC=0+-VCCce饱和晶体管等效开关截止晶体管等效开关晶体管工作在放大区时的特点①iC随iB正比变化，iB＜＜iC，说明晶体管具有电流放大作用。电流放大倍数β=iC/iB。②发射结正偏，集电结反偏。③放大区的输出特性近似平行于轴vCE。vCE大幅度变化，iC基本不变。在iB一定的条件下，集射极间的特性具有恒流特性，且集电极电流的变化只受基极电流的控制。2.3.4晶体三极管的主要参数(1)电流放大系数主要性能参数(2)反向饱和电流ICBO和穿透电流ICEO在输出特性曲线上决定值与IC的关系电流放大系数CONST//)(CEvBCBCEOCIIIIIICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。集电极-基极间反向饱和电流ICBO集电极-发射极间的反向饱和电流ICEO相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。反向饱和电流ICBO和穿透电流ICEOICEO=（1+）ICBO主要极限参数(1)集电极最大允许电流ICM当集电极电流增加时，就要下降，当值下降到线性放大区值的70～30％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见当IC＞ICM时，并不表示三极管会损坏。(2)集电极—发射极反向击穿电压V(BR)CEOV(BR)CEO——下标BR代表击穿，是Breakdown的字头，C、E代表集电极和发射极，O代表第三个电极E开路。(3)集电极最大允许耗散功率PCM集电极电流通过集电结时所产生的功耗，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。PCM=ICVCB≈ICVCE在计算时往往用VCE取代VCB。2.4场效应管场效应管(FieldEffectTransistor缩写(FET))是另一种半导体器件。场效应管是利用输入电压在管内所产生的电场效应，来控制其输出电流，是电压控制器件。它只有一种载流子(多数载流子)参与导电，故又称为单极型晶体管。2.4.1场效应管的结构、符