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1、第1 章 半导体基础知识第1 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日1 半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN 结的形成及其单向导电性四、PN 结的电容效应第2 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日一、本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的
2、最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质 稳定的结构第3 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日2、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。动态平衡第4 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日两种载流子 外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。3、本征半导体中的两种载
3、流子运载电荷的粒子称为载流子。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。第5 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日二、杂质半导体 1.N型半导体磷（P）杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多数载流子 第6 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日2.P型半导体硼（B）多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，第7 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日三、PN结的形成及其单向导电性 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动P区空穴浓度
4、远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。第8 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日PN 结的形成 因电场作用所产生的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。第9 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结加
5、反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。PN 结的单向导电性必要吗？空间电荷区也称耗尽层第10 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日四、PN 结的电容效应1.势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容：结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！第11 页，共52 页
6、，编辑于2022 年，星期日2 半导体二极管2 半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电压电流方程三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数五、稳压二极管 六、其它二极管第12 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日 一、二极管的组成将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管第13 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日 一、二极管的组成点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。第14
7、 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日 二、二极管的伏安特性及电压电流方程材料 开启电压 导通电压 反向饱和电流硅Si 0.5V 0.50.8V 1A 以下锗Ge 0.1V 0.10.3V 几十A开启电压反向饱和电流击穿电压二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性：UT=kT/q 称为温度的电压当量 第15 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日从二极管的伏安特性可以反映出：1.单向导电性2.伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线增大1倍/10 第16 页，共52 页，编辑
8、于2022 年，星期日三、二极管的等效电路理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时 UD0截止时IS0UD:二极管的导通压降(硅管 0.7V；锗管 0.2V)截止时IS0导通时i与u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！1.将伏安特性折线化100V？1V？I=?理想模型恒压降模型折线模型第17 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日2.微变等效电路：小信号模型Q越高，rd越小。当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号作用静态电流第18 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日四、二极管的主要参
9、数 1、最大整流电流IF：二极管长期连续工作时，允许通过二二极管的最大整流电流的平均值。2、反向击穿电压UBR：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UBR。3、反向电流 IR：即IS 在室温下，在规定的反向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。4、最高工作频率fM：指二极管正常工作时的 上限频率值通常规定最大反向工作电压UR为击穿电压的一半第19 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日二极管电路分析举例【例1-1】电路如图所示，假设图中的二极管是理想的，试判断二极管是否导通，并求出相应的输出电压。5V第20 页，共52 页，
10、编辑于2022 年，星期日解：二极管D导通，输出电压uo1=3V 二极管D截止，输出电压Uo2=5V【例1-2】电路如图所示，二极管的正向导通压降为0.7V，试分析电路的工作原理，并画出 UO的 波形。（设UREF=2V,Ui为三角波）UREF第21 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日0-4V4Vuit2.7V02.7Vuot0-4V4Vuit0.7V00.7Vuot第22 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日【例1-3】电 路如 图 所示，二极管 导 通 电压UD0.7V，常温下UT26mV，电 容C 对 交流信号可 视为 短路；ui为 正弦波，有效 值为10mV。试问二极管中
11、流过的交流电流有效值为多少？解：二极管的直流电流 ID（V UD）/R 2.6mA其动态电阻 rdUT/ID10故动态电流有效值 IdUi/rd1mA第23 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日五、稳压二极管1.伏安特性进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管,由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。2.主要参数(1)稳定电压UZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压，即稳压管的反向击穿电压。正向视同一般二极管符号第24 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳
12、压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！(2)最小稳定工作 电流IZmin 保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。(3)最大稳定工作电流IZmax 超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。(4)动态电阻rZ rZ=U/I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。限流电阻（5）最大功耗PZM IZmax UZ第25 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日限流电阻稳压二极管等效电路稳压管稳压电路电阻R为限流电阻。当电网电压波动或者负载电阻变化时，都能够引起输出电压变化。但稳压二极管处于稳压状态时，输出电压基本稳定限流电阻阳极阴极第26
13、页，共52 页，编辑于2022 年，星期日【例1-4】现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V 和8V，正向导通电压为0.7V。试问：（1）若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？各为多少？（2）若将它们并联相接，则又可得到几种稳压值？各为多少？解：（1）两只稳压管串联时可得1.4V、6.7V、8.7V 和14V 等四种稳压值。（2）两只稳压管并联时可得0.7V 和6V 等两种稳压值。第27 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日【例1-5】已知稳压管的稳定电压UZ6V，稳定电流的最小值IZmin5mA，最大功耗PZM150mW。试求所示电路中电阻R 的取值范围。解：稳压 管的最大 稳 定
14、电 流 IZmaxPZM/UZ25mA电 阻R 的 电 流 为IZmaxIZmin 所以其取 值 范 围为:第28 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日六.其它二极管1.发光二极管(LED)(Light Emitting Diode)发光二极管的外型 符号当用砷化镓、磷化镓等制成二极管时，若有一定电流从阳极流向阴极，由于电子与空穴复合而发光，有红、绿、黄、橙、蓝等色。LED 的工作电流一般为几 十几mA，红色的正向电压在1.61.8V 之间，绿色的约为2V。LED可单管应用或组成显示屏，因其功耗低、寿命长、可靠性高，广泛应用于各种显示电路中（使用寿命可达10 万小时）。LED 不含汞，环
15、保性能更好。LED 急需面对的问题：成本、技术、透光效率第29 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日2.光电二极管外形和符号外形符号第30 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日光电二极管的伏安特性光电二极管的伏安特性工作在第一象限的原理电路工作在第三象限的原理电路工作在第四象限的原理电路第31 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日VCC【例1-6】已知发光二极管的导通电压UD=1.6V，正向电流为520mA,VCC=6.6V，计算R 的取值范围。解：第32 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放大原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性四
16、、温度对晶体管特性的影响五、主要参数1.3 晶体三极管六、几个常用三极管的特性参数第33 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日 一、晶体管的结构和符号多子浓度高多子浓度很低，且很薄面积大晶体管有三个极、三个区、两个PN结。小功率管中功率管大功率管为什么有孔？第34 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日二、晶体管的放大原理 扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区
17、基区空穴的扩散第35 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日n 电流分配：IEIBIC IE扩散运动形成的电流 IB复合运动形成的电流 IC漂移运动形成的电流穿透电流集电结反向电流也称集电极基极反向饱和电流直流电流放大系数交流电流放大系数第36 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日三、晶体管的共射输入特性和输出特性 对于小功率晶体管，UCE等于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。1.输入特性第37 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日2.输出特性是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下?对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。饱和区放大区截止区第
18、38 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日晶体管的三个工作区域 晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC。状态uBEiCuCE截止UonICEOVCC放大 UoniB uBE饱和 UoniB uBE第39 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日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=IB,且 IC=IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE，IBIC，UCE0.3V(3)截止区：UBE 开启电压，IB=0，IC=ICEO 0 集电结和发射结都反偏第4
19、0 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日四、温度对晶体管特性的影响第41 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日五、主要参数 直流参数：、ICBO、ICEOc-e间击穿电压最大集电极电流最大集电极耗散功率，PCMiCuCE 交流参数：、fT（使 1 的信号频率）极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO共基极直流电流放大系数共基极交流电流放大系数特征频率第42 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为
20、 IB，相应的集电极电流变化为 IC，则交流电流放大倍数为：1.电流放大倍数 和 第43 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日例：UCE=6V时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA。在以后的计算中，一般作近似处理：=第44 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日2.集电极-基极反向饱和电流ICBOAICBOICBO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。第45 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日3.集电极-发射极反向饱和电流ICEO（也称穿透电流）ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。
21、三极管的温度特性较差。ICEO=（1+）ICBO 第46 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日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。第47 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日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。PCPCMICUCEICUCE=PCMICM
22、U(BR)CEO安全工作区第48 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日六、几个常用三极管的特性参数型号 材料与极性PCM(W)ICM(A)U(BR)CEO(V)ICBO(nA)9012 Si,PNP 0.625-0.5-20 64202-1009013 Si,NPN 0.625 0.5 20 64202 1008050 Si,NPN 1 1.5 25 85300 1008550 Si,PNP 1-1.5-25 60300-100第49 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日 例 图示电路，晶体管的=100，求开关 S 合向 a、b、c 时的 IB、IC 和 UCE，并指出晶体管的工作
23、 状态（忽略 UBE）。UBB1 S BCERCUCC RB1 UBB2 RB2 a b c 晶体管处于放大状态。解(1)开关 S 合向 a 时 UBB1 RB1 5 500103 IB=A=0.01 mAIC=IB=1000.01 mA=1 mA UCE=UCCRCIC=(1551031103)V=10 VUCC=15 V UBB1=5 V UBB2=1.5 VRB1=500 k RB2=50 k RC=5 k 第50 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日 UCE=0 V 晶体管处于饱和状态。因为若 IC=IB=1000.1mA=10 mA UCE=UCCRCIC=(155103101
24、03)V=35 V UCE0，这是不可能的，即不可能处于放大状态。(3)开关 S 合向 c 时 IB=0，IC=0，UCE=UCC=15 V 晶体管处于截止状态。UCC RC15 5103 IC=A=3 mA UBB1 RB2 5 50103 IB=A=0.1 mA UBB1 S BCERCUCC RB1 UBB2 RB2 a b c(2)开关 S 合向 b 时UCC=15 V UBB1=5 V UBB2=1.5 V RB1=500 k RB2=50 k RC=5 k 第51 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日UBB1 S BCERCUCC RB1 UBB2 RB2 a b c UCC=15 V UBB1=5 V UBB2=1.5 VRB1=500 k RB2=50 k RC=5 k 对这类电路通常以IB和IBS的大小来判断三极管处于放大还是处于饱和状态IBS：基极饱和电流当IBIBS 三极管处于饱和状态晶体管处于放大状态。开关 S 合向 a 时 UBB1 RB1 5 500103 IB=A=0.01mA 开关 S 合向 b 时UBB1 RB2 5 50103 IB=A=0.1 mA IBIBS 三极管处于饱和状态IBIBS 三极管处于放大状态第52 页，共52 页，编辑于2022 年，星期日