第一章

半導體器件模擬電子電路1第一章半導體器件§1.1

半導體的基本知識§1.2

PN

結§1.3

半導體三極管2緒論導體、半導體和絕緣體導體：自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。§1.1半導體基礎知識3半導體的導電機理不同于其它物質，所以它具有不同于其它物質的特點。例如：當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。往純凈的半導體中摻入某些雜質，會使它的導電能力明顯改變。41.1.1

本征半導體一、本征半導體GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。5本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結構：6硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子7共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規則排列，形成晶體。+4+4+4+48二、本征半導體的導電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴9+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子102.本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。11溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動產生的電流。

2.空穴移動產生的電流。121.1.2

雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P型半導體：空穴濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（空穴半導體）。N型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（電子半導體）。13一、N型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。14+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導體中的載流子是什么？1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2.本征半導體中成對產生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數載流子（多子），空穴稱為少數載流子（少子）。15二、P型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半導體中空穴是多子，電子是少子。16三、雜質半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。171.2.1PN

結的形成在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結。§1.2PN結18P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E漂移運動擴散的結果是使空間電荷區逐漸加寬，空間電荷區越寬內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。空間電荷區，也稱耗盡層。19漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區之間沒有電荷運動，空間電荷區的厚度固定不變。20－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區N型區P型區電位VV0211.空間電荷區中沒有載流子。2.空間電荷區中內電場阻礙P中的空穴.N區

中的電子（都是多子）向對方運動（擴散運動）。3.P

區中的電子和N區中的空穴（都是少），數量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:221.2.2PN結的單向導電性

PN結加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區加正、N區加負電壓。

PN結加上反向電壓、反向偏置的意思都是：

P區加負、N區加正電壓。23－－－－++++RE一、PN結外加正向電壓內電場外電場變薄PN+_內電場被削弱，擴散運動大于漂移運動,使阻擋層變窄,多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。正偏導通多子多子24二、PN結外加反向電壓－－－－++++內電場外電場變厚NP+_內電場被被加強，多子的擴散小于少子的漂移運動,使阻擋層變寬,但少子數量有限，只能形成較小的反向電流。RE反偏截止少子少子251.2.3ＰＮ結的擊穿

ＰＮ結的擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿。當反向電壓足夠高時,阻擋層內電場很強,少數載流子在結區內受強烈電場的加速作用,獲得很大的能量,在運動中與其它原子發生碰撞時,有可能將價電子“打”出共價鍵,形成新的電子、空穴對。這些新的載流子與原先的載流子一道,在強電場作用下碰撞其它原子打出更多的電子、空穴對,如此鏈鎖反應,使反向電流迅速增大。這種擊穿稱為雪崩擊穿。所謂“齊納”擊穿,是指當ＰＮ結兩邊摻入高濃度的雜質時,其阻擋層寬度很小,即使外加反向電壓不太高(一般為幾伏),在ＰＮ結內就可形成很強的電場(可達2×106V/cm),將共價鍵的價電子直接拉出來,產生電子-空穴對,使反向電流急劇增加,出現擊穿現象。

對硅材料的ＰＮ結,擊穿電壓ＵＢ大于７V時通常是雪崩擊穿,小于４V時通常是齊納擊穿；ＵＢ在４V和７V之間時兩種擊穿均有。由于擊穿破壞了ＰＮ結的單向導電特性,因而一般使用時應避免出現擊穿現象。發生擊穿并不一定意味著ＰＮ結被損壞。261.2.4PN結的電容效應PN結的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴散電容CD。勢壘電容：勢壘區是積累空間電荷的區域，當電壓變化時，就會引起積累在勢壘區的空間電荷的變化，這樣所表現出的電容是勢壘電容。擴散電容：為了形成正向電流（擴散電流），注入P區的少子（電子）在P

區有濃度差，越靠近PN結濃度越大，即在P區有電子的積累。同理，在N區有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產生的電容就是擴散電容CD。P+-N27CB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，由于載流子數目很少，擴散電容可忽略。PN結高頻小信號時的等效電路：勢壘電容和擴散電容的綜合效應rd281.2.5半導體二極管圖1.9二極管結構、符號及外形舉例

(a)結構；(b)符號；(c)外形29一、基本結構PN結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。引線外殼線觸絲線基片點接觸型PN結面接觸型PN二極管的電路符號：30二、伏安特性UI死區電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR31三、主要參數1.最大整流電流

IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.最大反向工作電壓ＵR

這是二極管允許的最大工作電壓。當反向電壓超過此值時,二極管可能被擊穿。為了留有余地,通常取擊穿電壓的一半作為ＵＲ。323.反向電流

IR指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。

4.最高工作頻率ｆM

fM的值主要取決于ＰＮ結結電容的大小,結電容越大,則二極管允許的最高工作頻率越低。335.微變電阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二極管特性曲線上工作點Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對Q附近的微小變化區域內的電阻。34★二極管的簡易測試

將萬用表置于R×100或R×1k(Ω)擋（R×1擋電流太大,用R×10k(Ω)擋電壓太高,都易損壞管子）。萬用表簡易測試二極管示意圖

(a)電阻小；(b)電阻大351.2.6

穩壓二極管UIIZIZmaxUZIZ穩壓誤差曲線越陡，電壓越穩定。+-UZ動態電阻：rz越小，穩壓性能越好。36（4）穩定電流IZ、最大、最小穩定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗穩壓二極管的參數:（1）穩定電壓

UZ（2）電壓溫度系數U（%/℃）穩壓值受溫度變化影響的的系數。（3）動態電阻37負載電阻。要求當輸入電壓由正常值發生20%波動時，負載電壓基本不變。穩壓二極管的應用舉例uoiZDZRiLiuiRL穩壓管的技術參數:解：令輸入電壓達到上限時，流過穩壓管的電流為Izmax

。求：電阻R和輸入電壓ui

的正常值。——方程138令輸入電壓降到下限時，流過穩壓管的電流為Izmin

。——方程2uoiZDZRiLiuiRL聯立方程1、2，可解得：39二極管：死區電壓=0.5V，正向壓降0.7V(硅二極管)理想二極管：死區電壓=0，正向壓降=0uiuott二極管的應用舉例1：二極管限幅電路1.2.7二極管的應用RLuiuo(1)40并聯二極管上限幅電路

(2)并聯下限幅電路

二極管并聯上限幅電路波形關系uiuott41串聯限幅電路(3)雙向限幅電路

uiuott42二極管的應用舉例2：二極管門電路二極管“與”門電路

431.2.8其他二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加1.光電二極管+_442.發光二極管有正向電流流過時，發出一定波長范圍的光，目前的發光管可以發出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。+_453.光電耦合器件圖1-26光電耦合器件464.變容二極管

圖1-27變容二極管符號47§1.3半導體三極管幾種半導體三極管的外形

48三極管的分類三極管的種類很多,有下列5種分類形式：(1)按其結構類型分為NPN管和PNP管;(2)按其制作材料分為硅管和鍺管;(3)按工作頻率分為高頻管和低頻管;491.3.1

基本結構BECNNP基極發射極集電極NPN型PNP集電極基極發射極BCEPNP型50BECNNP基極發射極集電極基區：較薄，摻雜濃度低集電區：面積較大發射區：摻雜濃度較高51BECNNP基極發射極集電極發射結集電結521.3.2三極管的三種連接方式

圖1-30三極管的三種連接方式531.3.3三極管的放大作用BECNNPEBRBECIE基區空穴向發射區的擴散可忽略。IBE進入P區的電子少部分與基區的空穴復合，形成電流IBE

，多數擴散到集電結。發射結正偏，發射區電子不斷向基區擴散，形成發射極電流IE。54BECNNPEBRBECIE集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE從基區擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。55IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBE56ICE與IBE之比稱為電流放大倍數

要使三極管能放大電流，必須使發射結正偏，集電結反偏。57BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管581.3.4

特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

實驗線路59一、輸入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V

死區電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。60二、輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區域滿足IC=IB稱為線性區（放大區）。當UCE大于一定的數值時，IC只與IB有關，IC=IB。61IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區域中UCEUBE,集電結正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區。62IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區電壓，稱為截止區。63輸出特性三個區域的特點:放大區：發射結正偏，集電結反偏。即：IC=IB,且

IC

=

IB(2)飽和區：發射結正偏，集電結正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區：

UBE<死區電壓，IB=0，IC=ICEO

0

64例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當USB

=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態工作點Q位于哪個區？當USB

=-2V時：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大飽和電流：Q位于截止區

65例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當USB

=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態工作點Q位于哪個區？IC<

ICmax

(=2mA)

，

Q位于放大區。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB

=2V時：66USB

=5V時:例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當USB

=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態工作點Q位于哪個區？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ位于飽和區，此時IC和IB

已不是倍的關系。671.3.5、三極管的主要參數前面的電路中，三極管的發射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接法，相應地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數：工作于動態的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號。基極電流的變化量為IB，相應的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數為：1.電流放大倍數和

68例：UCE=6V時：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：=692.集-基極反向截止電流ICBOAICBOICBO是集電結反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。70BECNNPICBOICEO=

IBE+ICBO

IBEIBEICBO進入N區，形成IBE。根據放大關系，由于IBE的存在，必有電流IBE。集電結反偏有ICBO3.集-射極反向截止電流ICEOICEO受溫度影響很大，當溫度上升時，ICEO增加很快，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。714.集電極最大電流ICM集電極電流I