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1、杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件教学内容和要求教学内容和要求了解半导体基本知识了解半导体基本知识理解二极管等半导体器件及其模型理解二极管等半导体器件及其模型掌握受控电源的掌握受控电源的VCR，理解晶体管、场效应管，理解晶体管、场效应管等半导体器件及其模型等半导体器件及其模型第第3章章 半导体器件半导体器件杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件半导体材料制成的电子器件，包半导体材料制成的电子器件，包括二极管、晶体管、场效应管等括二极管、晶体管、场效应管等半导体器件是电子电路不可缺少的组成部分半导体器件是电子电路不可缺少的组成部分半导体器件内部结构的主要构成是半导体器
2、件内部结构的主要构成是PN结结杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件3.1 半导体基本知识半导体基本知识1、本征半导体、本征半导体半导体半导体硅硅(Si)、锗、锗(Ge)、砷化镓、砷化镓(GaAs)等等本征半导体本征半导体纯净纯净(7N)且具有完整晶格结构的且具有完整晶格结构的半导体半导体杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件硅、锗的晶格结构硅、锗的晶格结构一个原子位于立方体的中心，一个原子位于立方体的中心，其相邻的四个原子位于立方体的前左上、前右下、其相邻的四个原子位于立方体的前左上、前右下、后右上、后左下四个顶点后右上、后左下四个顶点杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件硅、锗的共价
3、键结构硅、锗的共价键结构+4+4+4+4+4价电子价电子电中性的电中性的离子离子杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件2、杂质半导体、杂质半导体通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量5价元素价元素(如磷如磷)形成形成N型杂质半导体型杂质半导体N型半导体型半导体杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件+5+4+4+4+4自由电子自由电子减少一个价电减少一个价电子的正离子子的正离子杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件N型半导体中，自由电子是多数载流子，空穴是少型半导体中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子数载流子杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件通
4、过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量3价元素价元素(如硼如硼)形成形成P型杂质半导体型杂质半导体P型半导体型半导体杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件+3+4+4+4+4增加一个价电增加一个价电子的负离子子的负离子空穴空穴杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子数载流子杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件3、PN结结将本征半导体掺杂为两个区，一个区为将本征半导体掺杂为两个区，一个区为P型半导体，型半导体，另一个区为另一个区为N型半导体型半导体PN结结两者界面形
5、成的特殊薄层两者界面形成的特殊薄层P区一侧区一侧负离子，负离子，N区一侧正离子，空间电荷区区一侧正离子，空间电荷区N区指区指向向P区的内电场区的内电场杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件空间电荷区空间电荷区结内存在内电场，电压值为结内存在内电场，电压值为0.60.8V(硅硅)，0.10.3V(锗锗)耗尽层耗尽层结内的载流子在结内的载流子在PN结形成过程中基本结形成过程中基本耗尽耗尽杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件4、PN结的单向导电性结的单向导电性偏置偏置在半导体器件上所加的直流电压（偏压）在半导体器件上所加的直流电压（偏压）和直流电流（偏流）和直流电流（偏流）正向偏置正向偏置直流
6、电压正极接直流电压正极接P区，负极接区，负极接N区区正向偏置的正向偏置的PN结结外电场削弱内电场，破坏动态平衡外电场削弱内电场，破坏动态平衡多数载流子使多数载流子使外电路形成正向电流外电路形成正向电流PN结导通结导通杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件反向偏置反向偏置电压正极接电压正极接N区，负极接区，负极接P区区反向偏置的反向偏置的PN结结外电场加强内电场，破坏动态平衡外电场加强内电场，破坏动态平衡少数载流子使少数载流子使外电路形成反向电流，数量极少外电路形成反向电流，数量极少如忽略不计，如忽略不计，PN结截止结截止杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件3.2 二极管及其模型二极管及其
7、模型1、二极管、二极管iDuD+-杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件N区区P区区二极管的基本结构二极管的基本结构PN结结二极管的核心是二极管的核心是PN结结杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件二极管的二极管的VCRuD/ViD/mAUBRUon正向电流正向电流iD达到达到mA数量级所对应的电压称为导通数量级所对应的电压称为导通电压电压Uon，一般，一般Uon=0.60.8V(硅硅)，0.10.3V(锗锗)通通过过实实验验测测出出的的二二极极管管关关联联参参考考方方向向下下的的VCR曲曲线线杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件二极管的主要参数
8、二极管的主要参数最大整流最大整流(正向平均正向平均)电流电流IF最高反向工作电压最高反向工作电压UR反向电流反向电流IR最高工作频率最高工作频率fM杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件PN结的电容效应结的电容效应结电容结电容势垒电容势垒电容Cb外加电压改变时，空间电荷区外加电压改变时，空间电荷区内电荷量改变所产生的电容效应内电荷量改变所产生的电容效应扩散电容扩散电容Cd外加正偏电压改变时，载流子外加正偏电压改变时，载流子数量改变所产生的电容效应数量改变所产生的电容效应二极管的工作频率超过二极管的工作频率超过fM时，时，PN结的单向导电性结的单向导电性被结电容破坏被结电容破坏杨远望 第第3章
9、章 半导体器件半导体器件二极管的温度特性二极管的温度特性温度每升高温度每升高10oC，反向饱和电流约增大，反向饱和电流约增大1倍倍杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件2、二极管模型、二极管模型二极管的二极管的VCR曲线不与任何基本元件或基本元件组曲线不与任何基本元件或基本元件组合的合的VCR曲线吻合曲线吻合由二极管组成的电子电路由二极管组成的电子电路IDUD+-RU杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件IDUD+-RU图解图解电路线性部分电路线性部分直流负载线直流负载线电路非线性部分电路非线性部分二极管二极管VCR曲线曲线杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件UuD/ViD/mA杨远望
10、 第第3章章 半导体器件半导体器件在允许一定误差条件下，将二极管在允许一定误差条件下，将二极管VCR曲线用折线曲线用折线近似近似UonuD/ViD/mAU杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件用于近似二极管用于近似二极管VCR曲线的折线与电压源和开路组曲线的折线与电压源和开路组合的合的VCR曲线在功率允许和偏置条件下吻合曲线在功率允许和偏置条件下吻合UonuD/ViD/mA二二极极管管在在功功率率允允许许和和偏偏置置条条件件下下可可以以抽抽象象为为电电压压源源和开路组合和开路组合电压源开关模型电压源开关模型二极管的直流模型二极管的直流模型杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件IDUD+-U
11、UonUUZU uBE，uCE-iC曲线近曲线近似为等间隔的平行线似为等间隔的平行线iC与与iB表现出比例关系；表现出比例关系；每条曲线随每条曲线随uCE的增大而略有抬升的增大而略有抬升相同相同iB条件条件下下iC略有增大略有增大饱和区饱和区uBE Uon、uCE uBE，iC与与iB不再满足不再满足比例关系；比例关系；uCE在电流变化时变化不大在电流变化时变化不大截止区截止区 uBEUBEUonIBUCE+-UBE+-IC+-UBEUonUCEUBEUonIBUCE+-UBE+-IC+-+-UCESUBE UGS(th)、uDSuGSUGS(th)，uDS-iD曲线近似为不等间隔的平行线曲线
12、近似为不等间隔的平行线iD与与uGS表现表现出二次曲线关系；每条曲线随出二次曲线关系；每条曲线随uDS的增大而略有抬的增大而略有抬升升相同相同uGS条件下条件下iD略有增大略有增大可变电阻区可变电阻区uGS UGS(th)、uDS uGS UGS(th)，iG与与uGS表现出另外的非线性关系表现出另外的非线性关系截止区截止区 uGSUGS(th)UDSUGSUGS(th)UGSUGS(th)IG=0UDS+-UGS+-ID=0IDIGUDS+-UGSIG=0UDS+-UGS+-ID杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件交流小信号交流小信号ui单独作用时单独作用时+-uoRDRGRL+-ui图
13、解图解输出电路线性部分输出电路线性部分输出交流负载线输出交流负载线输出电路非线性部分输出电路非线性部分场效应管输出特性场效应管输出特性杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件在允许一定误差条件下，将在允许一定误差条件下，将静态工作点静态工作点Q附近附近晶体晶体管输出特性管输出特性小范围内小范围内用切线近似用切线近似QudsidiD/mAuDS/V0uGS=UGS(th)uGS=2UGS(th)IDO在在小范围内小范围内这些切线近似为等间隔，转移特性这些切线近似为等间隔，转移特性id=gmuds杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件场效应管放大区的交流小
14、信号模型场效应管放大区的交流小信号模型用于近似用于近似静态工作点静态工作点Q附近附近场效应管输出特性场效应管输出特性小范小范围内围内的切线与电压控制电流源和动态电阻组合的的切线与电压控制电流源和动态电阻组合的VCR曲线在交流小信号条件下吻合曲线在交流小信号条件下吻合场场效效应应管管在在静静态态工工作作点点Q附附近近交交流流小小信信号号条条件件下下的的输出端可以抽象为电压控制电流源和动态电阻组合输出端可以抽象为电压控制电流源和动态电阻组合Qudsid杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件Q附近附近ig=0uds+-ugs+-idrdsidiguds+-ugs杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件电路如侧，若解：由杨远望 第第3章章 半导体器件半导体器件作业：作业：(P183)14