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1、-1-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
2、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
3、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。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
4、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，很容易被激名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 10 页 -2-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
6、到平衡，相当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、
7、N 区加负电压。PN 结加上反向电压、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
8、特性PN 结伏安特性方程：1TUuSeIi式中：Is 为反向饱和电流；UT为温度电压当量，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；名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 10 页 -3-3、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
9、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。2.2.2 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：2AP9 2：2 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
10、 代表 N 型Si P：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：0 UUth，iD=0；U Uth，iD急剧上升。UD=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：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）P N uD iD 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精
11、心整理-第 3 页，共 10 页 -4-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。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
12、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：PZM=UZIZM4.动态电阻rZ：ZZIUZr5.稳定电压温度系数CT（略）2.3.2 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)uiUD(on)+名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 10 页 -5-符号：工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通
13、电压(1 2)V 2.4 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1W 2.4.2BJT 的电流放大作用共基极，共集电极，共发射极（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
14、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+ICBOICEIE=ICIBICE与 IBE之比称为直流电流放大倍数：BCBECEIIII2.4.3BJT 的特性曲线(1)输入特性常数CE)(BEBuufi，0若：CEu，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
15、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=IB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=IB。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 10 页 -6-此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V 称为饱和区。（自：IBIC常作为判定饱和状态的条件）此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEIC（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I
16、CEOICEO=IBE+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值的下降，当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25 C、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 B 3：三
17、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）BCII；BCEIII；BEII)1(重点 2：三极管的三个工作状态特征放大状态：反射结正偏，集电结反偏。（放大：发正集反）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 10 页 -7-饱和状态：反射结正偏，集电结正偏。（饱和：发正集
18、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=IB发射结正偏，集电结反偏饱和临界ICIBICS=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CBOI和的影响T少子浓度CBOICI在基区复合机会减少2、温度对输入特性的影响（BI，BEU）（自：曲线向左平移）与 PN
19、 结同理TBICIBEU、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),(1CEBbeuifu；),(2CEBCuifi名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 10 页 -8-关于晶体管输入电阻berEQTbbbeIUrr)1(（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
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ibubeicucerbeibibb c e 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 10 页 -9-uid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
21、：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 k；KCMRR很大；ro小：几十 几百；Ao很大:104以上 107理想运放：ri；KCMMRR；ro0；Ao 运放符号：uo：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uo uid ui+u+uo Rid Aud uid Ro iuu+uouu+uoAo A0名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 10 页 -10-uiuo-UOM+UOM非线性放大区、正饱和区线性放大区非线性放大区、开环区名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 10 页 -