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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电子技术知识小结：第二章半导体器件.精品文档.第二章半导体器件2.1半导体的基本知识2.1.1导体、半导体和绝缘体自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。比如：1、当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。（制作特殊器件）2、往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。（有可控性）2.1.2 本征半导
2、体一、本征半导体的结构特点现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的共价键平面结构（图）共价键：相邻原子共有价电子所形成的束缚。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子。二、本征半导体的导
3、电机理1、载流子、自由电子和空穴在绝对0度（T = 0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子,它的导电能力为0，相当于绝缘体。载流子：运动的带电粒子称为在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子。同时共价键上留下一个空位，称为空穴。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。、本征半导体的导电机理描述本征半导体中电流由两部分组成：自由电子移动产生的电流。空穴移动产生的电流。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。常温下本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。温度越高，载流子的浓度越高
4、。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。（温导电能力）2.1.3杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。N 型半导体：使自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体,也称为（空穴半导体）。（N电P空）一、N型半导体掺入少量的五价元素磷（或锑），必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。（N：自由电子+正离子）N 型半导体中的载流子是：自由
5、电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）二、P型半导体掺入少量的三价元素，如硼（或铟），多产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。（P：空穴+负离子）2.2PN结及半导体二极管2.2.1PN结一、PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。PN结处载流子的运动（看书P40）1、内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。2、扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。3、所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当
6、于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。PN结的形成：多子扩散（扩散运动）-形成-空间电荷区-产生-内电场（漂移运动）-使-扩散减弱，漂移增加-扩散电流等于漂移电流-动态平衡-形成-稳定的PN结请注意：1、空间电荷区中没有载流子，所以空间电荷区又称为耗尽层。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动），故空间电荷区又称为阻挡层。3、P中的电子和N中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。在定量计算时往往忽略。二、PN结的特性1.PN结的单向导电性PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加上反向电压、
7、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。（正向偏置是P接正电压）PN结正向偏置：内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流（mA)，认为PN结导通。注意：串电阻限流。（正极给P提供正电流，促进扩散）PN结反向偏置：内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。认为PN结截止。形成的微小电流称为反向饱和电流()。PN结的导电特性：由上可知，PN结加正向电压时导通，有较大的电流（多子形成）；而加反向电压时截止，仅有反向饱和电流（少子形成）。所以， PN结具有单向导点特性。2、PN结的伏安特性PN结伏安特性方程：式中：Is为反向饱和电流；UT 为温
8、度电压当量，当T300K时（绝对温度）,UT26mV（记住）加正向电压：u0,且u UT时，伏安特性呈非线性指数规律 ；加反向电压：u0,且u UT时，电流基本与u无关；3、PN结的反向击穿特性当PN结的反向电压增大到一定值时，反向电流随电压数值的增加而急剧增大，称为反向击穿。PN结的反向击穿有两类：齐纳击穿和雪崩击穿。无论发生哪种击穿，若对其电流不加以限制，都可能造成PN结的永久性损坏。4.PN 结电容效应 PN 结之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。*、PN结温度特性当温度升高时，PN结的反向电流增大，正向导通电压减小。这也是半导体器件热稳定性差的主要原因。2.2.
9、2半导体二极管一、基本结构1、结构：一个PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。2、类型：点接触型（一般是锗材料）：主要应用在小电流、高频电路。面接触型（一般是硅材料）：主要应用在大电流、低频电路。3、符号PN半导体二极管的型号(补充)国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP92：2代表二极管，3代表三极管A：用字母代表器件的材料，A代表P型Ge，B代表P型Ge，C代表N型Si，D代表N型SiP：用字母代表器件的类型，P代表普通管9：用数字代表同类型器件的不同型号5、二极管的伏安特性Uth：死区电压。Uth = 0.5 V(硅管)0.1 V(锗管)正向特性：0UUth，iD急剧上升。U
10、D=硅管取0.7V，锗管取0.3 V反向特性：U(BR)U 0，iD=IS；U U(BR)，反向电流急剧增大（反向击穿）6、二极管常用等效模型（理想模型）A.等效开关模型特性曲线：uDiD正偏导通，uD = 0（自：相当于导线）；反偏截止，iD= 0，U(BR) = （自：相当于开路）B.二极管恒压源等效模型（常用）uDiDUD(on)uD=UD(on)=0.7 V(Si);0.3V(Ge)6、主要参数（1）最大整流电流 IOM：二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压VBR：二极管反向击穿时的电压值。（3）反向电流 IR：指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。
11、反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。2.3特殊二极管2.3.1稳压二极管符号：+工作条件：反向击穿（曲线越陡，电压越稳定）特点：1）工作于反向击穿状态。2）利用反向伏安特性上电流在一定范围内变化，稳压管两端的电压基本不变的特点进行稳压。稳压二极管的参数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，小于 Imin时不稳压。3.最大工作电流IZM最大耗散功率 PZM：P ZM=UZIZM4.动态电阻rZ：5.稳定电压温度系数CT（略）2
12、.3.2光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。符号：工作条件：反向偏置2.3.3发光二极管LED (Light Emitting Diode)符号：工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(12)V2.4双级型晶体三极管2.4.1BJT的结构及类型集电区：面积较大作用是收集载流子。（厚）基区：较薄，掺杂浓度低作用是控制和传递载流子（薄，浓低）发射区：掺杂浓度较高，作用是发射载流子（浓高）集电结，发射结NPN型三极管，PNP型三极管二、分类按材料分：硅管、锗管按结构分：NPN、PNP按使用频率分:低频管、高频管按功率分：小功率管 1W2.4.2BJT的电流放大作用共基极，共集电极，共
13、发射极（略P69）1. 三极管放大的条件内部条件：发射区掺杂浓度高，基区薄且掺杂浓度低，集电结面积大外部条件：发射结正偏，集电结反偏（发射极出电流，集电极入电流）2、电流放大原理（放大状态）（看书P48）发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB，多数扩散到集电结。基区空穴向发射区的扩散可忽略。从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成IC。集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。（自：这里可忽略）IB=IBE-ICBOIBEIC=ICE+ICBO ICEIE=ICIBICE 与 IBE 之比称为直流电流
14、放大倍数：2.4.3BJT的特性曲线(1) 输入特性，与二极管特性相似死区电压：硅管0.5V，锗管0.2V（自：出题可能会出现结果为零的情况）工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。（自：按电压降去处理）（2）输出特性此区域满足IC=bIB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=bIB。此区域中UCEIC，UCE0.3V称为饱和区。（自：bIBIC常作为判定饱和状态的条件）此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。输出特性三个区域的特点:1、放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=bIB ,且DIC =bDIB
15、（放大：发正集反）2、饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEIC（饱和：发正集正）3、截止区：UBE基极的电流）ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。3. 集-射极反向截止电流ICEOICEO=bIBE+ICBO（自：这里不是很重要）4.集电极最大电流ICM集电极电流IC 上升会导致三极管的b值的下降，当 b 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。5.集-射极反向击穿电压（自：这里不是很重要）当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。6. 集电极最大允许功耗PCM集电
16、极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：PC=ICUCE，必定导致结温上升，所以PC有限制。PCPCM安全工作区：ICUCE=PCM半导体三极管的型号（补充）国家标准对半导体三极管的命名如下：3 D G 110 B3：三极管D：用字母表示材料，A表示锗PNP管、B表示锗NPN管、C表示硅PNP管、D表示硅NPN管G：用字母表示器件的种类，X表示低频小功率管、D表示低频大功率管、G表示高频小功率管、A表示高频小功率管、K表示开关管110：用数字表示同种器件型号的序号B：用字母表示同一型号中的不同规格重点1：三极管的放大作用（电流分配）；重点2：三极管的三个工作状态特征放大状态：反射结正偏，集电结
17、反偏。（放大：发正集反）饱和状态：反射结正偏，集电结正偏。（饱和：发正集正）截止状态：反射结反偏，集电结反偏。（截止：发反集反）四、晶体管电路的基本问题和分析方法判断导通还是截止：UBE U(th)则导通，UBE U(th)则截止状态电流关系 条 件放大IC = bIB发射结正偏，集电结反偏饱和临界IC bIBICS = b IBS两个结正偏集电结零偏截止IB UBUE，饱和：UEUCUB（NPN：CBE，可以思考出）PNP管：放大：UCUBUCUB（PNP：EBC，与NPN相反）2. 电流判别法（第三章介绍）2.4.5温度对BJT特性曲线的影响1、温度对和的影响少子浓度 在基区复合机会减少2
18、、温度对输入特性的影响（，）（自：曲线向左平移）与PN结同理T 、温度对输出特性的影响：输出特性曲线上升2.4.6BJT的电路模型；ibubeicucerbebibibbce关于晶体管输入电阻（自：尽量记）2.6集成电路集成电路：将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路集成电路内部结构的特点1、电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3、几十PF以下的小电容用PN结
19、的结电容构成、大电容要外接。4、二极管一般用三极管的发射结构成。2.6.1集成运算放大器组成框图（幻灯P104）(1)差分输入级（组合电路）(2)中间级（提供高增益，差分、CE）(3)输出级（互补输出）(4)附加电路(直流偏置、相位补偿、调零电路等）等效电路uouidui+u+uoRidAud uidRoiuid差模输入电压，uid=u-u+Aud开环差模电压放大倍数，uo=Aud(u+u-)集成运放的基本结构（略：不要求）同相端：与uo同相反相端：与uo反相输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,输入阻抗ri尽可能大。中间级的要求：足够大的电压放大倍数。输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io，输出阻抗ro小。国标GB-3430-82对集成电路的规定（幻灯P112）1运放的特点和符号运放的特点：ri高:几十k几百kW；KCMRR很大；ro小：几十几百W；Ao很大:104以上107理想运放：ri；KCMMRR；ro 0；Ao A0运放符号：uu+ uouu+ uoAouo：Aod(u+-u-)，Aod:开环差模增益；-Aod(u-u+)Aod0运放工作在线性区时的特点uiuoe-UOM+UOM非线性放大区、正饱和区线性放大区非线性放大区 、开环区