数电模电课件全集汇总

1第一章半导体器件软件学院侯刚2主要内容1.1半导体基础知识1.2二极管1.3稳压二极管1.4其它类型二极管1.5半导体三极管1.6场效应管31.1半导体基础知识导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。41.1半导体基础知识半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。半导体的特点：①热敏性②光敏性③掺杂性51.1.1本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。本征半导体的原子结构及共价键。共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。61.1.1本征半导体本征激发和两种载流子——自由电子和空穴温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。71.1.1本征半导体空穴出现以后，邻近的束缚电子可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位，另一个束缚电子又会填补这个新的空位，这样就形成束缚电子填补空穴的运动。为了区别自由电子的运动，称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。81.1.1本征半导体结论(1)半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。(2)本征半导体中，自由电子和空穴结伴产生，数目相同。(3)一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。(4)温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。91.1.2杂质半导体在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）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。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。101.1.2杂质半导体1、N型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，则构成N型半导体。五价的元素具有五个价电子，它们进入由硅（或锗）组成的半导体晶体中，五价的原子取代四价的硅（或锗）原子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，因为多一个价电子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子，于是半导体中自由电子的数目大量增加。自由电子参与导电移动后，在原来的位置留下一个不能移动的正离子。每个五价原子给出一个电子，称为施主原子。111.1.2杂质半导体N型半导体的共价键结构N型半导体中的载流子：(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)。121.1.2杂质半导体2、P型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等，则构成P型半导体。三价的元素只有三个价电子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，由于缺少一个价电子，在晶体中便产生一个空位，邻近的束缚电子如果获取足够的能量，有可能填补这个空位，使原子成为一个不能移动的负离子。由于三价原子接受电子，所以称为受主原子。131.1.2杂质半导体P型半导体中的共价键结构P型半导体中空穴是多子，电子是少子。141.1.2杂质半导体杂质半导体的示意表示－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－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。151.1.3PN结及其单向导电性利用半导体的制作工艺，在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。PN结具有单一型半导体所不具有的新特性，利用这种新特性可以制造出各种半导体器件。如二极管、三极管和场效应管等。161.1.3PN结及其单向导电性1、PN结的形成多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动。171.1.3PN结及其单向导电性扩散运动的结果，在交界面P区一侧因失去了空穴而出现负离子区；而N区一侧因失去自由电子出现了正离子区。正负离子都被束缚在晶格内不能移动，于是在交界面两侧形成了正、负空间电荷区。在空间电荷区内可以认为载流子已被“耗尽”，故又称耗尽区或耗尽层。181.1.3PN结及其单向导电性空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。191.1.3PN结及其单向导电性2、PN结的单向导电性处于平衡状态下的PN结没有实用价值。如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN结会呈现出不同的导电性能。当PN结在一定的电压范围内外加正向电压时，处于低电阻的导通状态。当外加反向电压时，处于高电阻的截止状态，这种导电特性，就是PN结单向导电性。201.1.3PN结及其单向导电性(1)PN结外加正向电压：PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏。211.1.3PN结及其单向导电性(2)PN结外加反向电压：PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏。221.2二极管1.2.1二极管的结构及符号半导体二极管是由一个PN结加上相应的电极和引线及管壳封装而成的。由P区引出的电极称为阳极（正极），N区引出的为阴极（负极）。因为PN结的单向导电性，二极管导通时的电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。电流方向231.2.1二极管的结构及符号二极管按半导体材料的不同可以分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。按结构不同可分为点接触型、面接触型和平面型二极管等。241.2.1二极管的结构及符号常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形各异。251.2.2伏安特性及主要参数1、二极管的伏安特性曲线二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性曲线。用实验的方法，在二极管的正极和负极加上不同极性和不同数值的电压，同时测量流过二极管的电流值，就得到二极管的伏安特性。261.2.2伏安特性及主要参数伏安特性曲线271.2.2伏安特性及主要参数(1)正向特性二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。当二极管所加正向电压比较小时（0UUth），二极管上流经的电流为0，管子仍截止，此区域称为死区，Uth称为死区电压（门坎电压）。硅二极管的死区电压约为0.5V，锗二极管的死区电压约为0.1V。当正向电压超过死区电压时，二极管才呈现低电阻值，处于正向导通状态。281.2.2伏安特性及主要参数(2)反向特性二极管外加反向电压时，电流和电压的关系称为二极管的反向特性。二极管外加反向电压时，反向电流很小（I≈-IS），而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此，称此电流值为二极管的反向饱和电流。291.2.2伏安特性及主要参数(3)击穿特性当反向电压的值增大到UBR时，反向电压值稍有增大，反向电流会急剧增大，称此现象为反向击穿，UBR为反向击穿电压。利用二极管的反向击穿特性，可以做成稳压二极管，但一般的二极管不允许工作在反向击穿区。301.2.2伏安特性及主要参数2、二极管的温度特性二极管是对温度非常敏感的器件。实验表明，随温度升高，二极管的正向压降会减小，正向伏安特性左移，即二极管的正向压降具有负的温度系数（约为-2mV/℃）；温度升高，反向饱和电流会增大，反向伏安特性下移，温度每升高10℃，反向电流大约增加一倍。311.2.2伏安特性及主要参数温度对二极管的影响321.2.2伏安特性及主要参数3、二极管的电流方程Ts(e1)UUII231.3810J/Kk191.610Cq式中I——通过二极管的电流；U——加在二极管两端的电压；Is——二极管的反向饱和电流；UT——温度的电压当量UT=kT/q。k是玻尔兹曼常数，T是热力学温度；Q是电子电荷量，；当外加正向电压UUT时：Te1UU当外加反向电压|U|UT时Te1UUI=–Is331.2.2伏安特性及主要参数4、主要参数（1）最大整流电流IF最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。（2）反向击穿电压UBR反向击穿电压是指二极管击穿时的电压值。（3）反向饱和电流IS它是指管子没有击穿时的反向电流值。其值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。341.2.3二极管电路的分析方法及应用（1）二极管理想模型如果二极管正向压降远小于和它串联的电路的电压，反向电流远小于和它并联的电路的电流，则可忽略二极管的正向压降和反向电流对电路的影响，即认为二极管具有理想的伏安特性。理想的二极管可以用一个理想的开关来等效，正偏时开关闭合，反偏时开关断开。351.2.3二极管电路的分析方法及应用（2）二极管恒压源模型若二极管的工作电流处于伏安特性曲线的近似指数部分，即使电流变化，二极管的端电压也基本不变。因此可用一条与实际伏安特性曲线基本重合的垂直曲线来代替原特性曲线。相应的电路模型叫恒压源模型。电路模型中UD(on)是二极管的恒定导通电压，对硅管可取0.7V，对锗管可取0.3V。利用二极管的恒压源模型时，只有当二极管两端正向电压大于UD(on)时，二极管才有电流流过，小于UD(on)时，二极管截止。这个模型与二极管的伏安特性较为接近。361.2.3二极管电路的分析方法及应用例1-1371.2.3二极管电路的分析方法及应用例1-2381.2.3二极管电路的分析方法及应用391.3稳压二极管稳压管是利用半导体特殊工艺制成，实质上也是一个半导体二极管，外形也相似，因为具有稳定电压的作用，称它为稳压管。在电子电路中，稳压管工作于反向击穿状态。击穿电压从几伏到几十伏，反向电流也较一般二极管大。在反向击穿状态下正常工作而不损坏，是稳压管的特点。401.3稳压二极管1、稳压管的伏安特性和符号411.3稳压二极管2、稳压管的主要参数①稳定电压UZ：它是指当稳压管中的电流为规定值时，稳压管在电路中其两端产生的稳定电压值。②稳定电流IZ：它是指稳压管工作在稳压状态时，稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大稳定电流IZmax之分。③动态电阻rZ：指稳压管在正常的工作范围内，管子两端电压UZ的变化量和管中电流IZ的变化量之比，稳压管反向特性曲线越陡，rZ越小稳压性能越好。rZ=△UZ/△IZ421.3稳压二极管3、稳压管的典型稳压电路431.3稳压二极管4、例题：负载电阻uoiZDZRiLiuiRL5mA20mA,V,10minmaxzzzWIIU稳压管的技术参数:k2LR解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。求：电阻R和输入电压ui的正常值。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi——方程1要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。441.3稳压二极管令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。mA10minLZWzRUIi