电子技术知识小结第二章 半导体器件.docx

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电子技术知识小结第二章半导体器件

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。

２、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、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为温度电压当量，当T＝300K时（绝对温度）,UT≈26mV（记住）

加正向电压：

u＞0,且u>>UT时，伏安特性呈非线性指数规律；

加反向电压：

u＜0,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。

*５、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=0.5V（硅管）0.1V（锗管）

正向特性：

0UUth，iD=0；UUth，iD急剧上升。

UD=硅管取0.7V，锗管取0.3V

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）

uD=UD（on）=0.7V（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=UZIZM

4.动态电阻rZ：

5.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（LightEmittingDiode）

符号：

工作条件：

正向偏置

一般工作电流几十mA，导通电压（12）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<500mW；中功率管0.51W；大功率管>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-ICBOIBE

IC=ICE+ICBOICE

IE=IC＋IB

ICE与IBE之比称为直流电流放大倍数：

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UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。

（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。

此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。

（自：

IB>IC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=IB,且IC=IB（放大：

发正集反）

2、饱和区：

发射结正偏，集电结正偏。

即：

UCEUBE，IB>IC（饱和：

发正集正）

3、截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO0（截止：

发反集反）

2.4.4BJT的主要参数

1.电流放大倍数

和

共射直流电流放大倍数：

；共射交流电流放大倍数：

2.集-基极反向截止电流ICBO（自：

集电极->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ICEO

ICEO=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：

3DG110B

3：

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

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

ICIB

ICS=IBS

两个结正偏

集电结零偏

截止

IB<0,IC=0

两个结反偏

判断饱和还是放大：

1.电位判别法

NPN管：

放大：

UC>UB>UE，饱和：

UE

CBE，可以思考出）

PNP管：

放大：

UC

UE>UCUB（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、温度对输入特性的影响（

，

）（自：

曲线向左平移）

与PN结同理

T↑→

↑→

↑

↘

↓↗

３、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

；

→

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

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：

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

A0

运放符号：

uo：

Aod（u+-u-），Aod:

开环差模增益；-Aod（u--u+）Aod>0

运放工作在线性区时的特点