电子元器件原理与参数

1.1半导体器件的基本知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4场效应管1.1半导体器件的基本知识1.1.1本征半导体及其导电性1.1.2杂质半导体1.1.3半导体中载流子运动和温度特性根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3～109cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。1.1.1本征半导体及其导电性(1)本征半导体的共价键结构(2)电子空穴对(3)空穴的移动本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。(1）本征半导体的共价键结构硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图01.01。图01.01硅原子空间排列及共价键结构平面示意图(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图(c)（2）电子空穴对当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。这一现象称为本征激发，也称热激发。可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图01.02所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。图01.02本征激发和复合的过程(3)空穴的移动自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。1.1.2杂质半导体(1)N型半导体(2)P型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。(1）N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。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。在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导体的结构示意图如图01.04所示。图01.04N型半导体结构示意图(2)P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图如图01.05所示。图01.05P型半导体的结构示意图图01.05P型半导体的结构示意图漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向一致。扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运动。1.1.3半导体的载流子运动和温度特性一、载流子的运动二、杂质对半导体导电性的影响掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm33以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm31.1.4PN结一、PN结的形成二、PN结的单向导电性三、PN结的电容效应四、PN结的击穿特性一、PN结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。图01.06PN结的形成过程PN结形成的过程可参阅图01.06。二、PN结的单向导电性如果外加电压使PN结中：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。(1)PN结加正向电压时的导电情况外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。PN结加正向电压时的导电情况如图01.07所示。图01.07PN结加正向电压时的导电情况(2)PN结加反向电压时的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。PN结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。图01.08PN结加反向电压时的导电情况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。图01.08PN结加反向电压时的导电情况三、PN结的电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB，二是扩散电容CD。(1)势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。(2)扩散电容CD扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。四、PN结的击穿特性当反向电压超过反向击穿电压UB时，反向电流将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此现象称为PN结的反向击穿。有两种解释：雪崩击穿：当反向电压足够高时（U6V）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。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（U4V），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。1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构类型1.2.2半导体二极管的伏安特性曲线1.2.3半导体二极管的参数1.2.4半导体二极管的等效模型1.2.5半导体二极管的型号1.2.6特殊二极管1.2.1半导体二极管的结构类型在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。它们的结构示意图如图01.11所示。(1)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。(a)点接触型图01.11二极管的结构示意图图01.11二极管的结构示意图(c)平面型(3)平面型二极管—往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管—PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型1.2.2半导体二极管的伏安特性曲线式中IS为反向饱和电流，V为二极管两端的电压降，VT=kT/q称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有VT=26mV。)1(eTSVVII半导体二极管的伏安特性曲线如图01.12所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示(1.1)图01.12二极管的伏安特性曲线(1)正向特性硅二极管的死区电压Vth=0.5V左右，锗二极管的死区电压Vth=0.1V左右。当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。当V＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。(2)反向特性当V＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：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IS。当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|≥7V时,主要是雪崩击穿；若|VBR|≤4V时,则主要是齐纳击穿。当在4V～7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。1.2.3半导体二极管的参数半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压VBR、最大反向工作电压VRM、反向电流IR、最高工作频率fmax和结电容Cj等。几个主要的参数介绍如下：(1)最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压VBR———和最大反向工作电压VRM二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。(3)反向电流IR(4)正向压降VF(5)动态电阻rd在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即rd=VF/IF1.2.4半导体二极管的等效模型线性化：用线性电路的方法来处理，将非线性器件用恰当的元件进行等效，建立相应的模型。（1）理想二极管模型：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。（2）理想二极管串联恒压降模型：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。（3）折线模型：修正恒压降模型，认为二极管的管压降不是恒定的，而随二极管的电流增加而增加，模型中用一个电池和电阻rD来作进一步的近似，此电池的电压选定为二极管的门坎电压Vth，约为0.5V，rD的值为200欧。由于二极管的分散性，Vth、rD的值不是固定的。（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，例如静态工作点Q（此时有uD=UD、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。1.2.5