模拟电子技术第1章半导体器件

第一章半导体器件•半导体二极管•半导体三极管•场效应管第一部分半导体二极管•半导体的基本知识•PN结的形成及特性•半导体二极管•二极管基本电路及其分析方法•特殊二极管•什么叫半导体？通常称电阻率在10-3～109Ω·cm范围内的物质为半导体，其导电能力介于导体和绝缘体之间、常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge）。•半导体的特性光敏性——半导体的导电能力随光照的变化有显著改变光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的热敏性——半导体的导电能力随温度提高迅速增加纯净的锗从20℃升高到30℃时，它的电阻率几乎减小为原来的1/2杂敏性——半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化在硅中掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之一利用半导体的特性，可以制造出各种不同性能和用途的半导体器件！•半导体的共价键结构在电子器件中应用最多的半导体材料是硅和锗，它们的简化原子模型如图1-1所示。由于硅和锗都是四价元素，因此最外层原子轨道上具有四个电子，称为价电子。半导体与金属和绝缘体一样，均具有晶体结构，它们的原子形成有序的排列，邻近原子之间由共价键连接，如图1-2所示。图1-1硅和锗的原子结构简化模型图1-2硅和锗的二维晶格结构图，正离子核通过共价键与邻近的核相连接•本征半导体本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在绝对零度（－273℃）时，价电子不能脱离共价键的束缚，所以在半导体中没有自由电子，半导体呈现不能导电的绝缘体特性。当温度逐渐升高或在一定强度的光照下，价电子会获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，如图1-3所示，这种现象称为本征激发。图1-3由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴—电子对•本征半导体当电子挣脱共价键的束缚成为电子后，共价键中就留下了一个空位，这个空位叫做空穴。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。在外加电场作用下，邻近的价电子就可以填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，以后其他电子又可转移到新的空位，从而出现了一定的电荷迁移，如图1-4所示。图1-4电子与空穴的移动•本征半导体1.共价键中空穴或束缚电子移动产生电流的根本原因是由于共价键中出现空穴引起的。2.可以把空穴看成是一个带正电的粒子，它所带的电量与电子相等，符号相反，在外加电场作用下，可以自由地在晶体中运动，从而和自由电子一样可以参与导电，因此空穴也是一种载流子。载流子：晶体中传导电流的粒子。金属中的载流子是电子，半导体的载流子是电子和空穴。3.在本征半导体内，自由电子和空穴总是成对出现的。•杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。因掺入的杂质不同，杂质半导体又可以分为P型半导体（空穴型半导体）和N型半导体（电子型半导体）两大类。(1)P型半导体(2)N型半导体•杂质半导体(1)P型半导体（空穴型半导体）在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等，硼原子只有三个价电子，它与硅原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空位,当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子，形成空穴，半导体呈中性，如图1-5所示。图1-5P型半导体的共价键结构•杂质半导体(2)N型半导体（电子型半导体）在本征半导体中掺入五价杂质元素，如磷、砷、镝等，因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子，如图1-6所示。自由电子参与传导电流，但它移动后，原来的杂质原子位置上将留下一个固定的、不能移动的正离子，致使半导体仍然保持中性。图1-6N型半导体的共价键结构•杂质半导体P型半导体N型半导体杂质原子多数载流子少数载流子+3价元素（硼、镓、铟等）俘获电荷，称为受主杂质+5价元素（磷、砷、镝等）提供电子，称为施主杂质空穴，主要由掺杂形成电子，由热激发形成电子，主要由杂质原子提供空穴，由热激发形成半导体中正负电荷数是相等的，因此保持电中性图1-7PN结的形成过程空穴电子(a)扩散运动(b)漂移运动载流子从浓度高的地方向浓度低的地方扩散扩散运动P区N区留下带负电的杂质离子留下带正电的杂质离子形成很薄的空间电荷区，即PN结形成由N区指向P区的内电场，阻碍扩散运动•PN结的形成图1-7PN结的形成过程空穴电子(a)扩散运动(b)漂移运动载流子在内电场作用下发生的运动漂移运动P区N区使空间电荷变少，内电场减小，又使扩散运动容易进行漂移运动和扩散运动相等时，便处于动态平衡状态•PN结的形成•PN结的单向导电性(1)外加正向电压将PN结的P区接较高电位，N区接较低电位，称为给PN结加正向偏置电压，简称正偏，如图1-8所示。图1-8PN结外加正偏电压外电场方向与内电场方向相反，扩散运动增强，漂移运动几乎减弱为零。正向电流IF为了防止较大的IF将PN结烧坏，应串接限流电阻R。•当E增加到一定值后，扩散电流随正偏电压的提高呈指数规律上升•正向偏置时PN结的电阻很小，称之为正偏导通状态。内电场•PN结的单向导电性(2)外加反向电压将PN结的P区接较低电位，N区接较高电位，称为给PN结加反向偏置电压，简称反偏，如图1-9所示。图1-9PN结外加反偏电压外电场方向与内电场方向相同，扩散运动几乎减弱为零，漂移运动增强。反向电流IR内电场•在一定温度下，反向电流IR就是反向饱和电流IS。•反向饱和电流IS与温度密切相关。•反向偏置时PN结呈现出一个很大的电阻，基本不导电。为什么？•PN结的单向导电性PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。•PN结反向击穿在测量PN结的V—I特性时，如果加到PN结两端的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加，这个现象就称为PN结的反向击穿（电击穿）。发生击穿所需的反向电压VBR称为反向击穿电压。雪崩击穿：当反向电压足够高时，PN结中内电场较强，使参加漂移的载流子加速，与中性原子相碰，使之价电子受激发产生新的电子空穴对，又被加速，而形成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤增。•PN结反向击穿齐纳击穿：对掺杂浓度高的半导体，PN结的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压，耗尽层可获得很大的场强，足以将价电子从共价键中拉出来，而获得更多的电子空穴对，使反向电流骤增。电击穿的过程是可逆的。但它有一个前提条件，就是反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率，超过了就会因为热量散不出去而使PN结温度上升，直到过热而烧毁，这种现象就是热击穿。热击穿是不可逆的。•PN结的V—I特性IS：反向饱和电流e：自然对数底VT：温度的电压当量在常温(300K)下，VT26mV二极管加反向电压，即V0，且|V|VT，则I-IS。二极管加正向电压，即V0，且VVT，则，说明电流I与电压V基本上成指数关系。S(e1)TVVII-PN结的V—I特性可表达为S(e1)TVVII-SeTVVI•半导体二极管的结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。图1-10半导体二极管的典型结构点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。平面型二极管集成电路中常用的一种形式。•二极管的V—I特性图1-11二极管V—I特性曲线(1)正向特性（外加正偏电压）当0＜V＜Vth时外电场还不足以克服PN结的内电场，正向扩散电流仍几乎为零。正向电流为零，Vth称为死区电压（Ge:约0.1V，Si:约0.5V）。当VVth时外加电场足以克服内电场，扩散运动迅速增加，开始产生正向电流，并按指数规律增加。•二极管的V—I特性图1-11二极管V—I特性曲线(2)反向特性（外加反偏电压）当VBR＜V＜0时反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流。当VVth时反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。发生击穿时的电压称作击穿电压VBR。•二极管的参数(1)最大整流电流IFM二极管允许通过的最大正向平均电流。(2)反向击穿电压VBR指管子反向击穿时的电压值。一般手册上给出的最高反向工作电压VRM为击穿电压的一半。(3)最大反向电流IRM指二极管加最大反向工作电压时的反向电流，其值越小，管子的单向导电性越好。(4)最高工作频率fMfM反映了PN结电容的影响。当工作电压超过fM后，二极管的单向导电性变坏。•二极管正向V—I特性的建模(1)理想模型：相当于一个理想开关，正偏时二极管导通管压降为0V，反偏时电阻无穷大，电流为零。vDiD0D图1-12理想模型(a)V—I特性(b)代表符号vDiD+-•二极管正向V—I特性的建模(2)恒压降模型：二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V。该模型提供了合理的近似，用途广泛。注意：二极管电流近似等于或大于1mA正确。vDiD0D图1-13恒压降模型(a)V—I特性(b)代表符号vDiD+-•二极管正向V—I特性的建模（3）折线模型：认为二极管的管压降不是恒定的，模型中用一个电池和电阻rD来作进一步的近似，电池电压选定为二极管的门坎电压Vth，约为0.5V，rD的值为(管压降-Vth)/二极管的导通电流。vDiD0D图1-14折线模型(a)V—I特性(b)代表符号vDiD+-VthrD•二极管正向V—I特性的建模（4）小信号模型：如果二极管在它的V-I特性的某一小范围内工作，例如Q点（此时有vD=VD、iD=ID）附近工作，则可把V-I特性看成一条直线，其斜率的倒数就是所求的小信号模型的微变电阻rd。vD0图1-15小信号模型(a)V—I特性(b)代表符号iDvDiDiD+-vDrdVDIDQ•稳压管稳压管一种特殊的面接触型半导体硅二极管稳压管工作于反向击穿区(a)稳压管符号(b)稳压管伏安特性+I/mAU/VO+-正向-+反向UI图1-16稳压管的伏安特性和符号稳压管的参数主要有以下几项：1.稳定电压VZ稳压管被反向击穿后，在规定电流值时，管子两端的反向击穿电压。4.动态电阻rZ稳压管处于反向击穿时，管子两端电压变化量与电流变化量的比值。3.稳定电流IZ测定VZ时所规定的参考稳定电流值。ZZZVrI•稳压管5.温度系数V反映稳定电压VZ受温度影响大小的参数ZVZddVUTrZ大好还是小好?2.额定功率PZM由最高允许结温所限定的功率参数。1.若输入电压为正弦信号，请画出以下电路的输出电压波形+-vi+-voRL+-vi+-vo思考题2.当vi1和vi2的值为0V或5V时,求vi1和vi2的值不同组合情况下，输出电压vo的值。设二极管是理想的。vi1vi2VCCvoD1D2理想模型恒压模型5V6sinωtD1D2D1、D2为硅管3.二极管电路如图所示，试判断图中的二极管是导通还是截止，并求出AO两端电压VAO。设二极管是理想的。(a)(b)(c)(d)4.稳压管DZ的稳定电压VZ=8V，限流电阻R=3kΩ，设vi=15sinωtV，试画出vO的波形。+-voDZ3kΩR内容回顾半导体本征半导体杂质半导体N型半导体P型半导体两种载流子电子和空穴掺入5价元素施主杂质失去电子后留下带正电的离子掺入3价元素受主杂质得到电子后留下带负电的离子多子：空穴少子：电子多子：电子少子：空穴N型半导体P型半导体PN结1.扩散运动多子的运动，产生内电场，阻碍扩散运动。2.漂移运动少子在内电场作用下的运动，削弱内电场，使扩散运动容易进行无外加电场时扩散运动和漂移运动处于平衡状态外加正向偏压（PN）时PN结正向导通，由扩散运动产生正向电流IF外加反向偏压（PN）时PN结反向截止，由漂移运动产生反向饱和电流ISS(e