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1、第一章 半导体二极管和三极管,本章主要内容：半导体基础知识；半导体二极管；晶体三极管；场效应管,重点掌握：1.半导体器件的外特性；2.器件的主要参数,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,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（99.99999%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

2、可能导电。,半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,四价单晶Si、Ge,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。（补充浓度公式）,补充内容：,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。,为什么要将半导体变成导电性很差的

3、本征半导体？,3、本征半导体中的两种载流子,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。,二 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。,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 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,（一）、N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一

4、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。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,多余电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，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）。,？问题：,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,空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？,（二）、P 型半导体,空

5、穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,？问题：,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，,在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？,结论：,对于杂质半导体，多子的浓度越高，少子的浓度就越低。多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度，故受温度变化的影响很小；少子由本征激发而成，尽管其浓度很低，但温度变化时，其浓度的变化很大。故少子对器件性能的影响却不“少”。,（三）、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似

6、认为多子与杂质浓度相等。,问题：杂质半导体为何呈现电中性?,N型：自由电子数目=空穴数目+正离子数目,P型：空穴数目=自由电子数目+负离子数目,按一定的制造工艺，将P、N型半导体制作在同一块硅片上，其界面形成PN结、,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。,P区空穴浓度远高于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。,1.PN结的形成：,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

7、。,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。,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,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。,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,1.空间电荷区中载流子很少，可忽略，又称该区为耗尽层。,2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴.N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3.P 区中的电子和 N区中的空穴

8、（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,2.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。PN 结的单向导电性,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，形成多子扩散电流（几个mA-几A），PN结处于导通状态。,PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成少子漂移电流Is（也称反向饱和电流：温度一定，少子浓度一定，Is一定。一般情况下：Si为nA级；Ge为A级）由于电流很小，故可近似认为其截止。,必要吗？,结论：,

9、PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,3.PN结的伏安特性曲线及伏安方程,根据实际测试数据，PN结的伏安特性曲线如图,正偏,IR（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿烧坏PN结,电击穿可逆,补充分析：,根据理论分析：,u 为PN结两端的电压降,i 为流过PN结的电流,IS 为反向饱和电流,UT=kT/q 称为温度的电压当量,其中k为玻耳兹曼常数 1.381023J/Kq 为电子电荷量1.61019CT 为热力学温度 对于室温（相当

10、T=300 K）则有UT=26 mV。,当 u0 uUT时,当 u|U T|时,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！,问题,为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是

11、多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？为什么半导体器件有最高工作频率？,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流方程,三、二极管的主要参数,四、二极管的等效电路,五、稳压二极管,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,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。,二、二极管的伏安特性及电流方程,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温

12、度的电压当量,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,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,下降约2mv/1,！,三、主要参数,1.最大整流电流 IF,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。超过该值，可导致热损坏。,2.最高反向工作电压UR,二极管长期运行时，允许的最高反向工作电压。手册上：,3.反向电流 IR,指二极管加反向电压未击穿时的反向电流。反向电流越小越好。硅管的反向电流较小，锗管的

13、反向电流要比硅管大几十到几百倍。,4.最高工作频率fM：二极管工作的上限频率，与Cj有关,5.直流电阻 RD,Q点:二极管在直流偏置电路中所确定的静态工作点。几何意义：割线斜率之倒数。注：D值与点位置有关。一般小功率管的值：几百几,可用万用表的欧姆档粗判管子性能好坏、极性、及,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,.微变（或交流）电阻 r,uD,是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,图解法,解析法,几何意义：点切线斜率之倒数,二极管的极间电容,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,

14、的值很小，约几 几十,势垒电容和扩散电容的综合效应,补充：二极管电路的图解分析法,四、二极管的等效电路,理想二极管,近似分析中最常用,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（指导思想）,？,100V？5V？1V？,2.微变等效电路,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,【补充：】,二极管电路分析举例：,1.静态分析,例1：求VDD=10V时，二极管的 电流ID、电压VD 值。,解：,1.理想模型,正向偏置时：管压降为0，电

15、阻也为0。反向偏置时：电流为0，电阻为。,2.恒压降模型,当iD1mA时，vD=0.7V。,3.实际模型,2.限幅电路,Vi VR时，二极管导通，vo=vi。,Vi VR时，二极管截止，vo=VR。,例2：理想二极管电路中 vi=Vm sint V，求输出波形v0。,解：,3.开关电路,利用二极管的单向导电性可作为电子开关,0V 0V,导通 导通,导通 截止,截止 导通,截止 截止,0V 5V,5V 0V,5V 5V,0V,0V,0V,5V,例11：求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。,解：,例9：判别二极管是导通还是截止。,+9V-,+1V-,+2.5V-,+12.5V

16、-,+14V-,+1V-,截止,截止,解：,导通,4.整流电路：,正半周：D1、D3 导通D2、D4 截止,负半周D2、D4导通D1、D3截止,例4求整流电路的输出波形。,解：,例5：,实际模型,求(1).vI=0V,vI=4V,vI=6V 时，输出v0的值。(2).Vi=6sint V 时，输出v0的波形。,解：(1).,vI=4V时，D导通。,vI=0V时，D截止。v0=vI,vI=6V时，D导通。,(2).Vi=6sint V（理想模型）,折线模型,例6：理想二极管电路中 vi=V m sint V，求输出波形v0。,ViV1时，D1导通、D2截止，Vo=V1。,ViV2时，D2导通、D1截止，Vo=V2。,V2ViV1时，D1、D2均截止，Vo=Vi。,例7：画出理想二极管电路的传输特性（VoVI）。,解：VI25V，D1、D2均截止。,VI 25V，D1导通，D2截止。,VI137.5V，D1、D2均导通。,VO=25V,VO=100V,137.5,例8：画出理想二极管电路的传输特性（VoVI）。,当VI0时D1导通D2截止,当VI0时D1截止D2导通,已知二极管D的正向导通