基本半導(dǎo)體器件

元器件集成電路三極管二極管電子電路電源電路放大電路濾波電路設(shè)計(jì)分析模擬部分第一章基本半導(dǎo)體器件PN結(jié)二極管雙極型晶體管場效應(yīng)管1.理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和電流放大作用；

2.了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；

3.會(huì)分析含有二極管的電路。教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求 半導(dǎo)體器件是近代電子學(xué)的重要組成部分，是近代電子工業(yè)的基礎(chǔ) 體積小、重量輕、使用壽命長、輸入功率小、功率轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)

電子技術(shù)的發(fā)展很大程度上反映在元器件的發(fā)展上1.1PN結(jié)導(dǎo)體：在自然界中，存在著許多不同的物質(zhì)，有的物質(zhì)很容易傳導(dǎo)電流，稱為導(dǎo)體。絕緣體：也有的物質(zhì)幾乎不傳導(dǎo)電流，稱為絕緣體。半導(dǎo)體：還有一類物質(zhì)，常溫下（27℃）它的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體。金屬一般都是導(dǎo)體，如銅、鋁、銀等。橡皮、陶瓷、塑料和石英等。鍺、硅、硒、砷化鎵，一些硫化物和氧化物等。在物理學(xué)中，根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以將他們劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯變化熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)

(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、三極管等)。(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。

典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價(jià)元素。硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。2、元素原子序數(shù)及其電子層數(shù)GeSi鍺序數(shù)32、4個(gè)電子層硅序數(shù)14、3個(gè)電子層1、半導(dǎo)體主要利用的原材料1.1.1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子。

Si

Si

Si

Si價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱為空穴本征激發(fā)（熱激發(fā)）：半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱為復(fù)合。本征激發(fā)電子——空穴復(fù)合動(dòng)態(tài)平衡運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。半導(dǎo)體有幾種載流子？載流子濃度：本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子：空穴和自由電子本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度，本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。

溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體——在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素,使載流子濃度增加，從而使半導(dǎo)體導(dǎo)電性能增強(qiáng)1.N型半導(dǎo)體磷（P）

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多了？少了？為什么？2.P型半導(dǎo)體硼（B）多數(shù)載流子

P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，

在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時(shí)，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？N型半導(dǎo)體/電子型半導(dǎo)體空穴P型半導(dǎo)體/空穴型半導(dǎo)體對于雜質(zhì)半導(dǎo)體，多子濃度愈高，少子濃度就愈低自由電子自由電子空穴對于雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能主要取決于多子濃度——negtive——positive＝本征激發(fā)——少子＝施主原子＋本征激發(fā)——多子＝本征激發(fā)——少子＝受主原子＋本征激發(fā)——多子

1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc1.1.3PN結(jié)的形成在通一片半導(dǎo)體的基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體內(nèi)電場越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱PN結(jié)擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)多子的濃度差作用下運(yùn)動(dòng)少子在電場力作用下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生內(nèi)電場，耗盡層變寬內(nèi)電場減弱，耗盡層變窄溫度一定時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度一定，PN結(jié)形成，擴(kuò)散電流＝漂移電流擴(kuò)散電流漂移電流1、空間電荷區(qū)中沒有載流子2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P區(qū)的空穴和N區(qū)的自由電子（多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）3、P區(qū)的電子和N區(qū)的空穴（少子）數(shù)量有限，形成的漂移電流很小思考：P區(qū)和N區(qū)雜質(zhì)濃度相等時(shí)，負(fù)離子區(qū)與正離子區(qū)寬度相等，若兩個(gè)區(qū)的雜質(zhì)濃度不等，正、負(fù)離子區(qū)的寬度將如何變化？1.1.4PN結(jié)的特性擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。

——?jiǎng)討B(tài)平衡

1.外加正向電壓（正向偏置）

P接正、N接負(fù)內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)變窄外電場IF內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–2.外加反向電壓（反向偏置）外電場

P接負(fù)、N接正內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN結(jié)變寬2.外結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場內(nèi)電場被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR

P接負(fù)、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－PN結(jié)的單向?qū)щ娦哉螂妷簲U(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇漂移運(yùn)動(dòng)減弱擴(kuò)散電流.正向電流(多子運(yùn)動(dòng)，電流較大)PN結(jié)導(dǎo)通反向電壓擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)減弱漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)漂移電流.反向電流(少子運(yùn)動(dòng)，電流極小)PN結(jié)截止PN結(jié)的電流方程與伏安特性VT=kT/q——溫度的電壓當(dāng)量K——波耳茲曼常數(shù)IR(sat)——反向飽和電流q——電子電量T——熱力學(xué)溫度反向電壓正向電壓反向擊穿擊穿電壓反向飽和電流PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢壘電容

PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2.擴(kuò)散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。結(jié)電容：

結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！清華大學(xué)華成英hchya@1.2二極管1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。1.2.2二極管的伏安特性1、PN結(jié)的伏安特性2.實(shí)際二極管的伏安特性電流相同時(shí)，二極管的端電壓大于PN結(jié)上的壓降外加正向電壓相同時(shí)，二極管的正向電流小于PN結(jié)電流正向特性反向擊穿特性當(dāng)V>0時(shí)處于正向特性區(qū)域當(dāng)0<V<Vth時(shí)，正向電流為零，稱為死區(qū)電壓或開啟電壓當(dāng)V>Vth時(shí)，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長當(dāng)V<0時(shí)處于反向特性區(qū)域當(dāng)V(BR)<V<0時(shí)，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向電流也稱為反向飽和電流IR(sat)當(dāng)V>V(BR)時(shí)，反向電流急劇增加，V(BR)稱為反向擊穿電壓外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。反向特?.理想二極管的特性開啟電壓硅：0.5V鍺：0.1V導(dǎo)通電壓硅：0.7V鍺：0.3V動(dòng)態(tài)電阻rD:工作點(diǎn)Q附近電壓與電流變化之比ΔVΔi工作點(diǎn)Q4.穩(wěn)壓二極管

由一個(gè)PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會(huì)因功耗過大而損壞！穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)應(yīng)反向連接，并串入一只電阻。電阻的作用一是起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，通過該電阻上的壓降變化，取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓的作用。1.2.3二極管的主要參數(shù)最大正向電流IFM（最大整流電流）

反向峰值電壓VRM

反向直流電流IR(sat)

最高工作頻率fM二極管長期工作時(shí)允許通過的最大正向平均電流為安全計(jì)，在實(shí)際工作時(shí)，最大反向工作電壓，它一般是反向擊穿電壓的一半二極管未擊穿是反向直流電流值二極管具有單向?qū)щ姷淖罡吖ぷ黝l率1.2.4二極管應(yīng)用舉例限幅電路ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例：ui18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例：

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–兩個(gè)二極管的陰極接在一起取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–UO=VDD1

UD(on)=（150.7）V=14.3VIO=UO/RL=14.3V/3k?=4.8mAI1=IO+I2=（4.8+2.3）mA=7.1mAI2=(UOVDD2)/R=(14.312)V/1k?=2.3mA解：假設(shè)二極管斷開例：

試求下圖硅二極管電路中電流I1、I2、IO和輸出電壓UO值UP=15VUPN>0.7V，二極管導(dǎo)通，等效為0.7V的恒壓源PNVDD2UORLR1kW3kWIOI1I215V12VVDD10.7V判斷下圖各電路二極管工作狀態(tài)，寫出輸出電壓值，設(shè)二極管導(dǎo)通電壓UD為0.7伏導(dǎo)通UO1≈1.3V截止UO2＝0V導(dǎo)通UO3≈－1.3V導(dǎo)通UO5≈1.3V截止UO4≈2V截止UO6≈－2VVZ=6V,IZmax=33mA,IZmin=5mAVI=15V,0.5kΩ<RL<2kΩR=?RL=0.5kΩ:IO=VZ/RL=12mARL=2kΩ:IO=VZ/RL=3mAVo=VZ=6V穩(wěn)壓電路1.3晶體三極管

1.3.1晶體管的結(jié)構(gòu)及符號由兩個(gè)摻雜濃度不同且背靠背排列的PN結(jié)組成，根據(jù)排列方式的不同可分為NPN型和PNP型兩種,每個(gè)PN結(jié)所對應(yīng)區(qū)域分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。集電區(qū)：面積較大基區(qū)：較薄，摻雜濃度低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度高發(fā)射結(jié)集電結(jié)1.3.2晶體管的電流放大作用PN結(jié)變窄外電場IF內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–正向電壓擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇漂移運(yùn)動(dòng)減弱擴(kuò)散電流.正向電流(多子運(yùn)動(dòng)，電流較大)PN結(jié)導(dǎo)通反向電壓外電場內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN結(jié)變寬擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)減弱漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)漂移電流.反向電流(少子運(yùn)動(dòng)，電流極小)PN結(jié)截止IEIEPICNICBOIBIC正偏反偏I(xiàn)ENIBN1、晶體管內(nèi)載流子的傳輸過程

IE－擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流

IB－復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的電流

IC－漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流電流分配：IE＝IB＋I(xiàn)C2、晶體管直流電流傳輸方程共基極直流電流放大系數(shù)：(1)共基極直流電流傳輸方程共基極直流電流傳輸方程——無電流放大作用—輸入：發(fā)射極；輸出：集電極(2)共射極直流電流傳輸方程共射直流電流放大系數(shù)共射極直流電流傳輸方程穿透電流：——有電流放大作用—輸入：基極；輸出：集電極(3)共集電極直流電流傳輸方程共射極直流電流傳輸方程——有電流放大作用—輸入：基極；輸出：發(fā)射極1.3.3、晶體管的共射特性曲線管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。

(1)直觀地分析管子的工作狀態(tài)(2)合理地選擇偏置電路的參數(shù),設(shè)計(jì)性能良好的電路重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線輸入回路輸出回路mAAVVICECIBRB+UBE+UCEEBCEB3DG100為什么UCE增大曲線右移？為什么像PN結(jié)的伏安特性？為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了？1.輸入特性曲線2.輸出特性曲線對應(yīng)于一個(gè)iB就有一條iC隨vCE變化的曲線。為什么vCE較小時(shí)iC隨vCE變化很大？為什么進(jìn)入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)晶體管三種工作狀態(tài)的電壓和電流放大+UBE>0

ICIB+UCE

UBC<0+截止IC0IB=0+UCEUCC

UBC<0++UBE

0

飽和+UBE>

0

I