《模拟电子技术》第1章1半导体器件基础0319二34节0321

电子技术《模拟电子技术》《数字电子技术》《模拟电子技术》任课老师：李赋进联系电话：[phone]E_mail:[e-mail]：245603911第1章半导体器件基础①一、物质分类（按导电性）②二、本征半导体目录一、物质分类（按导电性）2、绝缘体：导电性极差的物质。•其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，外力很难撼动。只有在外电场强大到相当程度时才可能导电（击穿：物质结构被破坏！）。•如：惰性气体、橡胶、干燥的木材等。1、导体：导电性良好的物质。•其原子的最外层电子（自由电子）受原子核的束缚力很弱，处于剧烈的无规则热运动状态，在外电场作用下极易产生定向移动，形成电流。•如：铁、铝、铜等金属元素。1.1半导体3、半导体：导电性介于导体与绝缘体之间的物质。一、物质分类（按导电性）其原子的最外层电子受原子核的束缚力大小介于导体与绝缘体之间。•其最外层电子受所属原子（核）的束缚力较小，受相邻原子核的作用力不可忽视•被相邻原子所共有—称价电子•形成共价键晶体结构。•如：硅（Si）、锗（Ge）（均为四价元素：含四个价电子）本征半导体：纯净晶体结构的半导体。无杂质结构稳定1.1.1本征半导体本征半导体的结构特点GeSi将半导体制成“单晶硅”、“多晶硅”，作为半导体电子器件的制作材料。半导体电子元件多用硅和锗为原料，它们的最外层电子（价电子）都是四个。原子结构硅锗简化模型惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动四价元素：硅（Si）、锗（Ge）+4+4+4+4空穴-电子对总是成对出现称：本证激发半导体中的可自由移动的电荷称为载流子（载荷电流的粒子）本征激发：空穴—电子对复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：自由电子和空穴（电子空穴对）在电场作用下可以产生定向运动。在室温或光照下，价电子获得足够能量，摆脱共价键的束缚，成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。本证激发：本征半导体有关概念、特点本征半导体:纯净的半导体载流子:自由运动的带电粒子共价键:相邻原子共有价电子所形成的束缚“键”本征半导体有关概念、特点①导电能力介于导体与绝缘体之间②受热或被光照时,导电能力会有显著变化③在纯净半导体（本征半导体）中加入微量元素导电能力会有显著变化为什么？问题本征半导体中空穴数量多？电子数量多？本征半导体带正电？带负电？1.1.2杂质半导体1.N型半导体N型+5+4+4+4+4+4核外多一个：自由电子N型半导体中：电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子总数多数载流子数电子数在本征半导体中参入高价元素5价元素：磷原子（施主原子）正离子（原子核内多一个正电荷）P型+3+4+4+4+4+4核外多一个：空穴P型半导体中：空穴—多子电子—少子1.P型半导体3价元素：硼原子（受主原子）负离子（原子核内少一个正电荷）在本征半导体中参入低价元素载流子数多数载流子空穴数1.1.3PN结及其单向导电性1.PN结(PNJunction)的形成载流子的浓度差引起多子的扩散复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层)空间电荷区特点:内电场：阻止多子扩散，利于少子漂移。内建电场（势垒）P区N区负离子正离子P区的多子空穴向N区扩散，留下负离子；N区的多子电子扩散到P区，留下正离子。空穴和电子在交界面复合无载流子，+-扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。PN结形成P区N区内电场外电场•外电场使多子扩散继续进行,•在PN结交界面中和部分离子•使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IFIF=I多子I少子I多子2.PN结的单向导电性(1)外加正向电压(正向偏置)—forwardbias+-极小漂移电流(2)外加反向电压(反向偏置)—reversebiasP区N区内电场外电场•反向电压不利于多子扩散，•有利于少子漂移，•少子漂移空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：•正偏导通：电阻极小，电流较大;•反偏截止：电阻极大，电流近似为零。•数量极少的少数载流子漂移，•形成极小的反向电流IR•反向饱和电流IS：由于少子数量有限，反向电压大到一定程度时，不会再随着反向电压的升高而变大，此时的电流称：反向饱和电流IR=I少子01.2.1晶体二极管的结构、符号、类型构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)1.2晶体二极管Dironde1.2.1晶体二极管的结构、符号、类型构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型1.2晶体二极管点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线面接触型N型锗PN结正极引线铝合金小球底座金锑合金正极引线负极引线集成电路中平面型PNP型支持衬底通过电流大通过电流小1.2.2晶体二极管的伏安特性1.PN结的伏安特性)1e(/SDDTUuIi反向饱和电流温度的电压当量qkTUT电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT=26mV通过二极管的电流iD与其两端的电压uD和反向饱和电流IS及温度有关Boltzmann（奥地利）constant（k或kB）关于温度及能量的一个物理常数OuD/ViD/mA其中：工程设计常用！PN结的伏安特性呈指数曲线1.2.2晶体二极管的伏安特性1.PN结的伏安特性)1e(/SDDTUuIi反向饱和电流温度的电压当量qkTUT电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT=26mV通过二极管的电流iD与其两端的电压uD和反向饱和电流IS及温度有关Boltzmann（奥地利）constant（k或kB）关于温度及能量的一个物理常数OuD/ViD/mA其中：工程设计常用！PN结的伏安特性呈指数曲线OuD/ViD/mAPN结的伏安特性呈指数曲线反向饱和电流正向特性二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性UthiD=0Uth=0.5V0.1V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0UUthUD(on)=(0.60.8)V硅管0.7V(0.20.4)V锗管0.3V反向特性ISU(BR)反向击穿电压︱U(BR)︱︱U︱0iD=IS0.1A(硅)，几十A(锗)︱U︱︱U(BR)︱反向电流急剧增大，频临损毁！反向击穿：导通电压电击穿热击穿死区电压反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(硅管齐纳击穿电压6V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，【即齐纳击穿，可恢复：断电即恢复（如：稳压二极管）—PN结烧毁。【即雪崩击穿，不可恢复】(硅管雪崩击穿电压6V，正温度系数)温度升高时击穿电压有所下降温度升高时击穿电压有所上升击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD/mAuD/ViD/mAuD/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020硅管和锗管：导通电压uON有何不同？反向饱和电流iS有何不同？授课结束20130319周二34节温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50iD/mAuD/V20C90CT升高时：•通过二极管的电流iD上升•导通电压UD(on)下降•下降速率：(22.5)mV/C(负温度系数)硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；2.电路模型（1）二极管的理想模型（开关模型）特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通理想状态：uD=0；二极管加反向电压：截止二极管加正向电压：导通反偏截止理想状态：iD=0U(BR)=（2）二极管的简化模型（恒压模型）uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.3V(Ge)二极管加反向电压：截止二极管加正向电压：导通恒压模型1.2.3晶体二极管的主要参数1.IF—最大整流电流(最大正向平均电流)2.URM—最高反向工作电压，为U(BR)/23.IR—反向电流(越小单向导电性越好)4.fM—最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO*影响工作频率的原因—PN结的电容效应结论：1.低频时，因结电容很小，容抗很大，对PN结影响很小。高频时，因容抗减小，使信号被分流，导致单向导电性变差。2.结面积愈小，结电容愈小，工作频率愈高。半导体二极管的型号中国国家标准：半导体器件型号命名举例：2AP9用数字代表同类型器件的不同型号用字母代表器件的类型，P代表普通管用字母代表器件的材料，A代表N型GeB代表P型Ge，C代表N型Si，D代表P型Si2代表二极管，3代表三极管半导体器件命名的国际标准与各国标准1.2.4晶体二极管的温度特性•硅二极管：温度每增加8℃，反向电流约增加一倍；•锗二极管：温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍•温度升高时：二极管的正向压降将减小（负的温度系数）•每增加1℃，正向压降VF(Vd)大约减小2mV1.2.6晶体二极管的应用√整流—交流转换为直流√检波—检出有意义信号√开关—逻辑电路（计算机）√稳压—稳定电压√限幅—令幅度不超过规定值√钳位—令幅度固定于规定值例：ui=2sint(V)，分析二极管的限幅作用。ui0.7V：不限幅D1、D2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7V：正半周期被限幅D2导通D１截止ui0.7VD1导通D2截止uO=0.7V1.限幅：利用二极管限制输出电压幅度OtuO/V0.7Otui/V20.7练习：已知ui=4sint(V)，二极管为理想二极管，画出uo的波形。输出高于2V+0.7V的部分输出低于2V+0.7V的部分2.钳位：利用二极管将信号“钳制”在不同的直流电位utut基准电压下移002V1.2.6稳压、发光、光电、变容二极管简介伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ/mAuZ/VOUZIZminIZmaxUZIZIZ1、稳压二极管稳压值：反向击穿电压值-UZ稳压二极管主要参数1）稳定电压UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2）稳定电流IZ越大稳压效果越好，太小（小于Imin）时不稳压。3）最大工作电流IZM最大耗散功率PZMPZM=UZIZM4）动态电阻rZrZ=UZ/IZ越小稳压效果越好。几几十符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA（几个mA即会发光），导通电压(12)V符号u/Vi/mAO2特性2、发光二极管LED(LightEmittingDiode)主要参数电学参数：IFM，U(BR)，IR光学参数：峰值波长P，亮度L，光通量发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光点阵LED七段LED,实物照片3.光敏二极管1．符号和特性符号特性uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：反向偏置2.主要参数电学参数：暗电流，光电流，工作范围光学参数：光谱范围，峰值波长，灵敏度实物照片原理：工作于反向偏置状态。被（特定）光线照射时，内阻变小，通过电流增大光线增强反向饱和电流电流增大光通量单位：Lumen流明=1烛光4.变容二极管特点：结电容随反向电压的增加而减少符号应用：高频技术中应用较多C(pF)-V(V)原理：工作于反向偏置状态。其结电容的大小与其两端的电压成反比。反向偏压§1.3晶体三极管一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放大原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数常用缩写：BJTBipolarJunctionTransistor双极结式晶体管二、晶体管的放大原理（集电结反偏），即（发射结正偏）放大的条件BECECBonBE0uuuUu扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区