电子技术基础模拟部分康华光版

第一章半导体二极管和三极管本章主要内容：半导体基础知识；半导体二极管；晶体三极管；场效应管重点掌握：1.半导体器件的外特性；2.器件的主要参数§1半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结的形成及其单向导电性四、PN结的电容效应一、本征半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是纯净（99.99999%的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质稳定的结构四价单晶Si、Ge2、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。（补充浓度公式）动态平衡补充内容：两种载流子外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。二杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。（一）、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。？问题：5磷（P）杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多数载流子空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？（二）、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。？问题：3硼（B）多数载流子P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？结论：•对于杂质半导体，多子的浓度越高，少子的浓度就越低。•多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度，故受温度变化的影响很小；•少子由本征激发而成，尽管其浓度很低，但温度变化时，其浓度的变化很大。•故少子对器件性能的影响却不“少”。（三）、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。问题：杂质半导体为何呈现电中性?•N型：自由电子数目=空穴数目+正离子数目P型：空穴数目=自由电子数目+负离子数目•按一定的制造工艺，将P、N型半导体制作在同一块硅片上，其界面形成PN结、三、PN结的形成及其单向导电性物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。1.PN结的形成：PN结的形成因电场作用所产生的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0势垒UO硅0.5V锗0.1V1.空间电荷区中载流子很少，可忽略，又称该区为耗尽层。2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴.N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.P区中的电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:2.PN结的单向导电性PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。PN结的单向导电性PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成多子扩散电流（几个mA-几A），PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成少子漂移电流Is（也称反向饱和电流：温度一定，少子浓度一定，Is一定。一般情况下：Si为nA级；Ge为μA级）由于电流很小，故可近似认为其截止。必要吗？结论：•PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；•PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。•由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。3.PN结的伏安特性曲线及伏安方程根据实际测试数据，PN结的伏安特性曲线如图正偏IR（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿热击穿——烧坏PN结电击穿——可逆补充分析：)1(eTSUuIi根据理论分析：u为PN结两端的电压降i为流过PN结的电流IS为反向饱和电流UT=kT/q称为温度的电压当量其中k为玻耳兹曼常数1.38×10－23J/Kq为电子电荷量1.6×10－19CT为热力学温度对于室温（相当T=300K）则有UT=26mV。当u0uUT时1eTUuTeSUuIi当u0|u||UT|时1eTUuSIi四、PN结的电容效应1.势垒电容PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。dbjCCC结电容：结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！cXc1问题•为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？•为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？•为什么半导体器件有最高工作频率？§2半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的主要参数四、二极管的等效电路五、稳压二极管一、二极管的组成将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管一、二极管的组成点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。二、二极管的伏安特性及电流方程材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA)(ufi开启电压反向饱和电流击穿电压mV)26()1e(TSTUIiUu常温下温度的电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。从二极管的伏安特性可以反映出：1.单向导电性TeSTUuIiUu，则若正向电压)1e(TSUuIi2.伏安特性受温度影响T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线增大1倍/10℃STIiUu，则若反向电压下降约2mv/1℃！！三、主要参数1.最大整流电流IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。超过该值，可导致热损坏。2.最高反向工作电压UR二极管长期运行时，允许的最高反向工作电压。手册上：)(21BRRUU3.反向电流IR指二极管加反向电压未击穿时的反向电流。反向电流越小越好。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。4.最高工作频率fM：二极管工作的上限频率，与Cj有关5.直流电阻RDiDuDIDUDQ0Q点:二极管在直流偏置电路中所确定的静态工作点。几何意义：ｏＱ割线斜率之倒数。注：ＲD值与Ｑ点位置有关。一般小功率管的值：几百～几ｋΩQDDIUR可用万用表的欧姆档粗判管子性能好坏、极性、及ＲＤ以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。６.微变（或交流）电阻rｄiDuDIDUDQiDuDｒｄ是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：QDDdiur图解法Qdddidur解析法几何意义：Ｑ点切线斜率之倒数７二极管的极间电容显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。ｒｄ的值很小，约几Ω～几十Ωrd势垒电容和扩散电容的综合效应补充：二极管电路的图解分析法四、二极管的等效电路理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0导通时△i与△u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！1.将伏安特性折线化（指导思想）？100V？5V？1V？2.微变等效电路DTDDdIUiur根据电流方程，Q越高，rd越小。当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号作用静态电流【补充：】二极管电路分析举例：1.静态分析例1：求VDD=10V时，二极管的电流ID、电压VD值。解：1.理想模型正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。反向偏置时：电流为0，电阻为∞。2.恒压降模型mAKVVRVVIDDDD93.0107.010VVD0mAKVRVIDDD11010当iD≥1mA时，vD=0.7V。VVD7.020015.07.0mAVViVVrDthDDVKmAVrIVVDDD69.02.0931.05.05.0mAKKVVrRVVIDthDDD931.02.0105.0103.实际模型2.