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1、 导体:小于10-3cm。物质按其导电性 绝缘体:大于108cm。半导体:介于两者之间。常用的半导体有硅(Si)和锗(Ge)。图1 Si和Ge的原子结构示意图第1页/共119页 半导体的特性 掺杂特性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，其电阻率大大下降而导电能力显著增强。半导体二极管、半导体三极管。热敏特性：半导体的电阻率随着温度的上升而明显下降，其导电能力增强。热敏电阻。光敏特性：当受到光照时，半导体的电阻率随着光照增强而下降，其导电能力增强。光电二极管、光电三极管。第2页/共119页1.1本征半导体 定义：纯净的具有晶体结构的半导体。晶体结构 晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。图
2、2 Si晶格第3页/共119页本征半导体的共价键结构 两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理情况下达到电子饱和状态，形成稳定的化学结构叫共价键。图3 本征半导体共价键结构示意图第4页/共119页本征半导体中的两种载流子 价电子受热或受光照（即获得一定能量）后，可挣脱共价键的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个带正电的空穴。在热激发下，本征半导体中存在两种能参与导电的载流子：电子和空穴。图4 本征半导体中 自由电子和空穴第5页/共119页本征半导体的载流子的浓度 本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。复合：自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就会填补空
3、穴，使两者同时消失。在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。即在一定温度下本征半导体的浓度是一定的，并且自由电子与空穴浓度相等。在常温下T=300K时，硅材料的本征载流子浓度第6页/共119页ni=pi=1.431010cm-3，锗材料的本征载流子浓度ni=pi=2.381013cm-3。1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入少量的杂质元素，就可得到杂质半导体。杂质半导体：N型半导体和P型半导体。（1）N型半导体 在本征半导体中掺入五价元素（磷、砷等）而得到杂质半导体。第7页/共119页 掺杂后，某些位置上的硅原子被五价杂质原子（如磷原
4、子）取代。磷原子的5个价电子中，4个价电子与邻近硅原子的价电子形成共价键，剩余价电子只要获取较小能量即可成为自由电子自由电子。同时，提供电子的磷原子因带正电荷而成为正离子正离子。电子和正离子成对产生。上述过程称为施主杂质电离施主杂质电离。五价杂质原子又称施主杂施主杂 质质。常温下施主杂质已。常温下施主杂质已被全部电离。电离。第8页/共119页 在N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。N型半导体主要靠自由电子导电。（2）P型半导体 在本征半导体中掺入三价元素三价元素（硼、铝等）而得到的杂质半导体。第9页/共119页 掺杂后，某些位置上的硅原子被三价
5、杂质原子（如硼原子）取代。硼原子有3个价电子，与邻近硅原子的价电子构成共价键时会形成空穴空穴，导致共价键中的电子很容易运动到这里来。同时，接受一个电子的硼原子因带负电荷而成为不能移动的负离子负离子。空穴和负离子成对产生。上述过程称为受主杂质电离受主杂质电离。三价杂质原子又称受主杂质。受主杂质。常温下受常温下受 主杂质已主杂质已被全部电离。电离。第10页/共119页 在P型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。1.3 PN结 采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面处就形成PN结。（1）PN结的形成 扩散运动：物质总是由浓度高的地方向浓度低的地方运动。第11
6、页/共119页 漂移运动：在电场力的作用下，载流子的运动。浓度差，于是P区空穴向N区扩散，N区电子向P区扩散。在一块本征半导体的两边掺以不同的杂 质，使其一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，则在它们交界处就出现了电子和空穴的第12页/共119页 另一方面，随着扩散运动的进行，扩散到P区的自由电子与空穴复合，扩散到N区的空穴与自由电子复合，P区一边失去空穴留下负离子，N区一边失去电子留下正离子，形成空间电荷区，产生内建电场。内建电场方向由N区指向P区，它阻止多子扩散运动，而有利于P区和N区的少子漂移运动。随着扩散运动和漂移运动的进行，最后会达到一种动态平衡，参与扩散运动的多子数目等于参与漂
7、移运动的少子数目，形成PN结。第13页/共119页 空间电荷区也称耗尽层，即在空间电荷区能参与导电的载流子已耗尽完毕；空间电荷区又称势垒区，势垒高度为U。PN结动态平衡时第14页/共119页PN结形成过程总结第15页/共119页（2）PN结的单向导电性 PN结加正向电压 PN外加正向电压时，内建电场被削弱，势垒高度下降，空间电荷区宽度变窄，这使得P区和N区能越过势垒的多数载流子多数载流子数量大大增加，而反方向的漂移电流要减小，扩散电流起主导作用扩散电流起主导作用。流过PN结的电流随外加电压U的增加而迅速上升，PN结正向导通。第16页/共119页 PN结加反向电压 PN结加反向电压时，内建电场被
8、增强，势垒高度升高，空间电荷区宽度变宽。这就使得多子扩散运动很难进行，扩散电流趋于零；而少子漂移运动少子漂移运动处于优势，形成微小的反向的电流。第17页/共119页 流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。由于IS很小,可忽略不计,所以该状态称为：PN结反向截止。总结 PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流IS，考虑到IS0，则认为PN结截止。第18页/共119页（3）PN结的伏安特性 PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系为：（)式中Is为反向饱和电流，q为电子电量，k为波尔兹曼常数，T为热力学温度。将
9、式（）中的kT/q用UT取代，则得（1.13）第19页/共119页常温下，T=300K时，UT26mV。PN结外加电压时，当u0时，i随u按指数规律变化，称为正向特性；当u小于0时，i-Is，称为反向特性。如反向电压超过一定的数值U（BR）后，反向电流急剧增加，称为反向击穿。第20页/共119页 齐纳击穿：高掺杂 反向击穿 雪崩击穿：低掺杂（4）PN结电容效应 势垒电容Cb 当PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量也将发生变化，这种现象等效的电容，我们就称为势垒电容。第21页/共119页 扩散电容Cd PN结加正向电压时，P区的空穴注入到N区，同时，N区的电子注入到
10、P区，称为非平衡少子。靠近耗尽层的非平衡少子浓度高，远离交界面的地方浓度低，形成一定的浓度梯度。当外加电压变化时，非平衡少子的浓度也会发生变化，这个电容效应称为扩散电容。第22页/共119页第23页/共119页 将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为阳极，由N区引出的电极为阴极。（1）二极管常见结构第24页/共119页 点接触型：结面积小，电容小，适用于高频工作 常见结构 面接触型：结面积大，电容大，适用于低频。平面型：结面积可大可小。图 二极管的符号（2）二极管的伏安特性 二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏
11、安特性。二极管的伏安特性与PN结近似（区别：二极管第25页/共119页存在半导体体电阻、引线电阻和表面漏电流）。在近似分析时，任然用PN结的电流方程式描述二极管的伏安特性。第26页/共119页第27页/共119页 正向特性：实测二极管的伏安特性发现，存在开启电压（死区电压）Uon，只有当加正向电压大于开启电压时，电流才从零随端电压指数规律增加。导通电压硅管0.6-0.8，锗管0.1-0.2。反向特性：存在反向饱和电流Is和击穿电压U(BR)。温度特性：环境温度升高时，二极管的正向特性曲将左移，反向特性曲线将下移。第28页/共119页 温度对二极管伏安特性的影响第29页/共119页（3）二极管的
12、主要参数 （1）最大整流电流IF 最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。（2）最高反向工作电压UR UR是二极管工作时允许外加的最大反向电压，通常为反向击穿电压U（BR)的一半。（3）反向饱和电流IS 它是指管子没有击穿时的反向电流值。其值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。第30页/共119页（4）最高工作频率fM fM是二极管工作的上限截止频率。（4）二极管的等效电路 能够模拟二极管的等效电路称为二极管的等效电路，也成为二极管的等效模型。第31页/共119页 图a 所示的折线化表明二极管导通时正向压降为零，截止时反向电流为零，成为理想二极管。图b 表
13、明二极管导通时正向压降为一个常量Uon，截止时反向电流为零。图c 表明二极管正向电压U大于Uon后其电流I与U成线性第32页/共119页关系，直线斜率为1/rD。二极管截止时反向电流为零。三个模型中，图a误差最大，图c误差最小，图b应用最普遍。例：求电流I第33页/共119页例：求开关断开和闭合时电阻R上的电压U0。第34页/共119页 二极管的微变等效电路 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效为一个微变电阻rd，且rd=D/iD。第35页/共119页第36页/共119页（5）稳压二极管 稳压管是一种面接触型二极管。这种管子的杂质浓度比较大，容易发生反向击穿，其击穿时的电压
14、基本上不随电流的变化而变化，从而达到稳压的目的。稳压管工作于反向击穿区，广泛用于稳压电源与限幅电路。第37页/共119页稳压管的伏安特性第38页/共119页稳压管的主要参数 稳定电压Uz：Uz是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。稳定电流IZ：它是指稳压管工作在稳压状态时，稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大稳定电流IZmax之分。额定功耗PZM:等于稳压的稳定电压Uz与最大稳定电流IZmax的乘积。动态电阻rz：是稳压管工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比。第39页/共119页 温度系数：表示温度每变化1。C时，稳压管的变化量。第40页/共119页（6）其它类型二极管发
15、光二极管：在正向导通其正向电流足够大时，便可发出光，光的颜色与二极管的材料有关。广泛用于显示电路。发光二极管符号第41页/共119页光电二极管：光电二极管是远红外接收管，是一种将光能转换为电能的器件。光电二极管工作于反偏状态。其反向电流与光照度E成正比关系。广泛用于遥控、报警等。第42页/共119页例：限幅电路中VD二极管的正向导通电压忽略不记，求uO(t)并画出波形。解：uO(t)取决于VD 是否导通,什么时候导通。第43页/共119页 晶体三极管中有两种不同的载流子参与导电，又称为双极型晶体管（BJT），又称为半导体三极管，简称晶体管。第44页/共119页（1）晶体三极管结构及类型 三极管
16、是通过在一块硅片上制造出三个掺杂的区域，并形成两个PN结，就构成晶体三极管。发射区：掺杂浓度最大，引出的电极称为发射极。基区：掺杂浓度最小，且很薄，引出的电极称为基极。集电区：发射极面积大，引出的电极称为集电极。第45页/共119页（2）晶体管的电流放大作用 放大是对模拟信号的基本处理。晶体管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，将任何输入的微小信号不失真的放大输出。晶体管的符号第46页/共119页 要实现三极管的电流放大作用，首先要给三极管各电极加上正确的电压。三极管实现放大的外部条件是：其发射结必须加正向电压（正偏），而集电结必须加反向电压（反偏）。第47页/共119页一、晶体管内部
17、载流子的流动 晶体管内部载流子运动与外部电流（u=0）NPN管为例第48页/共119页 （1）发射区向基区发射自由电子，形成发射极电流IE。（2）自由电子在基区与空穴复合，形成基极电流IB。（3）集电区收集从发射区扩散过来的自由电子，形成集电极电流IC。第49页/共119页二、晶体管的电流分配关系从外部看第50页/共119页三、晶体管的电流放大系数 表示，受发射结电压控制的电流IB 对集电极正向受控电流ICn的控制能力。第51页/共119页 若有输入电压uI作用，则晶体管的基极电流和集电极电流都将在直流的基础上叠加一个动态电流，记为ic和iB。ic和iB之比称为共射交流电流式中ICEO称为穿透
18、电流，物理意义是，当基极开路时，在集电极电源VCC作用下的集电极与发射极之间形成的电流，而ICBO是发射极开路时，集电极的反向饱和电流。一般情况下，所以第52页/共119页放大系数，记作，即：在交流小信号的情况下，通常可以做如下近似：当以发射极电流作为输入电流，以集电极电流作为输出电流时，ICN与IE之比称为共基直流电流放大系数：第53页/共119页 将式（）代入上式，可以得出 和 的关系为：根据式式可得：第54页/共119页 共基交流电流放大系数定义为集电极电流变化量与发射极电流变化量之比：第55页/共119页小结：三极管三个电极的电流中 IEICIB。（a）（b）三极管各极的电流及方向（a
19、）NPN型 （b）PNP型第56页/共119页 由于ICBO一般很小，近似可以忽略ICBO，则有 IB IBN IC ICN IE =IB IC第57页/共119页（3）晶体管的共射特性曲线（NPN管为例）采用共射接法的三极管的特性曲线称为共射特性曲线。一、输入特性曲线 三极管的输入特性曲线表示当管子的输出电压UCE为常数时，输入电流iB与输入电压uBE之间的关系曲线，即第58页/共119页 基本共射放大电路 输入回路第59页/共119页特点：特点：UCE=0V时，特性曲线类似二极管伏安特性；UCE 0V时，特性曲线右移直至UCE 1V时曲线基本重合。第60页/共119页二、输出特性曲线 三极
20、管的共射输出特性曲线表示当管子的输入电流iB为某一常数时，输出电流iC与输出电压uCE之间的关系曲线，即第61页/共119页输出回路 基本共射放大电路第62页/共119页第63页/共119页1）截止区 发射结和集电结均反偏，对于共射电路uBEuon，uCEuBE，iB=0。三极管失去放大作用且呈高阻状态，e、b、c极之间近似看作开路。截止区：VCVEVB第64页/共119页2）放大区 发射极正偏，集电极反偏。对于共射电路uBE uon，uCEuBE。IC=IB，即IC受控于IB，三极管是一种电流控制器件。放大区：VCVBVE。硅管：|UBE|=0.7V锗管：|UBE|=0.2V第65页/共11
21、9页3）饱和区 发射极与集电结均正向偏置。对于共射电路uBE uon，uCEuBE。此时iC明显随uCE增大而增大，iC小于iB。临界饱和：uCE=uBE。饱和区：VBVCVE硅管|uCE|0.3V锗管|uCE|0.1V第66页/共119页例题：第67页/共119页（4）晶体管的主要参数 一、直流参数 共射直流电流放大系数第68页/共119页 共基直流电流放大系数 极间反向电流 ICBO是发射极开路时，集电极的反向饱和电流。ICEO是基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。第69页/共119页 二、交流参数 共射交流电流放大系数 共基交流电流放大系数 特征频率 使共射电流放大系数的数值下降到1
22、的信号频率。第70页/共119页三、极限参数 最大集电极耗散功率 对于确定的晶体管PCM是一个常数，PCM=iCuCE。第71页/共119页 最大集电极电流ICM 使值明显减小的iC即为ICM。极间反向击穿电压 晶体管某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压称为极间反向击穿电压。分别为U(BR)CBO、U(BR)CEO和U(BR)BEO。第72页/共119页（5）温度对晶体管特性及参数的影响一、温度对ICBO的影响 温度升高，ICBO将增大。二、温度对输入特性曲线的影响第73页/共119页三、温度对输出特性的影响 当温度从 升高到 时，集电结电流的变化量 ,表明温度升高时增大，集电
23、极电流增大。第74页/共119页（6）光电三极管 原理：用光照的强度来控制集电极电流的大小，其功能可等效为一只光电二极管与一只晶体管相连。第75页/共119页 场效应管（FET）是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。导电原理：靠半导体中的多子导电，又称单极型晶体管。输入阻抗高，受温度、辐射影响较小。结型场效应管 场效应管 绝缘栅型场效应管第76页/共119页（1）结型场效应管 结型场效应管分为：N沟道和P沟道。N沟道型：它是通过在N型半导体的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型的沟道。P区为栅极，N型沟道的一端为源极，另一端为漏极。第77页/共119页 图：结
24、型场效应管符号一、结型场效应管的工作原理（N沟道为例）利用uGS调节导电沟道，从而控制漏极电流iDS。uDS=0V时，uGS对导电沟道的控制作用第78页/共119页第79页/共119页 UGS为UGS(off)-0V中某一个值时，uDS对漏极电流影响 当uDS等于0时，漏极电流iD为0。当uDS大于0V时，有电流iD从漏极流向源极，沟道中各点与栅极电压不在相等。因uGD=uGS-uDS，所以当uDS增大时，uGD将逐渐减小，导致靠近漏极一边的导电沟道随之变窄。第80页/共119页 当uGD=UGS(off)时，漏极端导电沟道夹断，此时我们称为预 夹断。若uDS继续增大，则 uGDUGS(off
25、)，则夹断区域将向源极延生，而电流iD几乎保持不变，几乎仅仅决定于uGS，表现出iD的恒流特性。第81页/共119页 当uGDuGS(off)时，uGS对iD的控制作用 在uGD=uGS-uDS uGS(off)，当uDS为一常量时，对于确定的uGS，就有确定的iD。uGS表现出对漏极电流iD的控制作用，在场效应管中用低频跨导gm来描述动态的栅-源电压对漏极电流的控制作用：第82页/共119页二、结型场效应管特性曲线 输出特性曲线（N沟道为例）输出特型曲线描述的是：当栅-源电压uGS为常量时，漏极电流iD与漏-源电压uDS之间的函数关系：场效应管的输出特性曲线分四个区域：可变电阻区、恒流区、夹
26、断区和击穿区第83页/共119页 可变电阻区：位于预夹断轨(uDS=uGS-UGS(oof)）左边。这个区域中的曲线可以近似为不同斜率的直线，直线的斜率由uGS决定。斜率的倒数就是电阻，所以在这个区域中可以通过改变uGS的大小来控制这个区域中的电阻。第84页/共119页 恒流区（饱和区）：条件：uGDUGS(off)。当uDS增大时，iD仅略有增大，可将iD近似为电压uGS控制的电流源，故该区域也称为恒流区。第85页/共119页 夹断区：uGS0时 耗尽层：栅极金属层聚集正电荷，它们将排斥P衬底靠近SiO2一侧的空穴，形成耗尽层。第96页/共119页 反型层：当uGS增大时，耗尽层将展宽，衬底
27、的自由电子将被吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成N型的导电沟道，称为反型层。使导电沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压UGS(th)。第97页/共119页 uGSUGS(th)，在漏-源极间加正向电压uDS d-s间加正向电压uDS，漏极将产生一定的漏极电流iD。uDS增大，iD将增大，且导电沟道从源极到漏极逐渐变窄。第98页/共119页 当uDS增大到使uGD=UGS(th)时，沟道漏极的一侧出现夹断点，称为预夹断。如果uDS继续增大，夹断区继续延长，而且uDS的增大部分几乎全部用于克服夹断对漏极电流的阻力。第99页/共119页 在uDSuGS-UGS(th)时，漏极电流iD几乎不随uDS的增大
28、而变化，管子进入恒流区，iD几乎决定于uGS。这时，可将iD视为电压uGS控制的电流源。第100页/共119页 特性曲线和电流方程可变电阻区：特点：ID同时受VGS与VDS的控制。当VGS为常数时，VDSID近似线性，表现为一种电阻特性；当VDS为常数时，VGS ID，表现出一种压控电阻的特性。输出特性曲线图第101页/共119页恒流区：沟道预夹断后对应的工作区。特点：ID只受VGS控制，而与VDS近似无关，表现出恒流特性。第102页/共119页 恒流区iD与uGS的关系近似为：式中iDO是uGS=2UGS(th)时的iD。夹断区：ID=0以下的工作区域。特点：导电沟道未形成。第103页/共1
29、19页特点：当 0uGSUGS(th)时，导电沟道形成，iD0，NMOS管处于导通状态。斜率为跨导gm，反应了栅源电压对漏极电流的控制作用。转移特性曲线图第104页/共119页二、N沟道耗尽型MOS管 当在制造MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入大量正离子，那么即使uGS=0是，P衬底表面也存在导电沟道，当在漏-源间加正向电压，就会产生漏极电流。s g d第105页/共119页 uGS为正，反型层变宽；uGS为负时，反型层变窄。当uGS从零减小到一定值时，反型层消失，导电沟道消失，此时的uGS称为夹断电压UGS(off)0。N沟道耗尽型MOS管的转移特性曲线和输出特性曲线第106页/共119页三
30、、P沟道MOS管 P沟道增强型MOS管特点：开启电压UGS(th)0，当uGS0，漏源之间应加负电压。结构 符号第109页/共119页转移特性曲线 输出特性曲线 P沟道耗尽型MOS管特性曲线第110页/共119页（3）场效应管的主要参数 一、直流参数 开启电压UGS(th):增强型管刚开始导电时的uGS值；夹断电压UGS(off):在uDS为常量时，iD为规定的微小电流时的 的uGS值；饱和漏极电流IDSS:uGS=0时的iD 值；直流输入电阻RGS:RGS=UGS/IG。第111页/共119页二、交流参数 低频跨导gm：gm数值的大小表示uGS对漏极电流iD控制的强弱。在管子工作在恒流区且uDS为常量的条件下，gm的定义为：极间电容：场效应管三个电极间均存在极间电容。三、极限参数第112页/共119页 最大漏极电流IDM：IDM是管子正常工作时漏极电流的上限值。击穿电压U(BR)GS：使iD骤然增大的uDS。最大耗散功率PDM：决定管子允许的温升，操过此值管子可能会烧坏。第113页/共119页第114页/共119页第115页/共119页第116页/共119页（4）场效应管与晶体管比较第117页/共119页第118页/共119页感谢您的观看。第119页/共119页