罗桂娥老师模电课件chapt01.ppt

1、第第1 1章章 常用半导体器件常用半导体器件1.1概述概述1.2半导体二极管半导体二极管小小 结结1.3双极型晶体三极管双极型晶体三极管1.4场效应管场效应管第一章常用半导体器件11.1概概 述述1.1.1半导体的导电特性半导体的导电特性1.1.2杂质半导体杂质半导体1.1.3PN结结1.1概述21.1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体本征半导体 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子载流子 自由运动的带电粒子。自由运动的带电粒子。共价键共价键 相邻原子共有价电子所形

2、成的束缚。相邻原子共有价电子所形成的束缚。1.1.1半导体的导电特性（1）3硅硅(锗锗)的原子结构的原子结构简化简化模型模型惯性核惯性核硅硅(锗锗)的共价键结构的共价键结构价电子价电子自自由由电电子子(束缚电子束缚电子)空空穴穴空穴空穴空穴可在共空穴可在共价键内移动价键内移动1.1.1半导体的导电特性（2）4本征激发：本征激发：本征激发：本征激发：本征激发：本征激发：复复复复 合：合：合：合：自自由由电电子子和和空空穴穴在在运运动动中中相相遇遇重重新新结结合合成对消失的过程。成对消失的过程。漂漂漂漂 移：移：移：移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在

3、室温或光照下价电子获得足够能量摆在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位中留下一个空位(空穴空穴)的过程。的过程。1.1.1半导体的导电特性（3）5两种载流子两种载流子电子电子(自由电子自由电子)空穴空穴两种载流子的运动两种载流子的运动自由电子自由电子(在共价键以外在共价键以外)的运动的运动空穴空穴(在共价键以内在共价键以内)的运动的运动 结论结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导

4、电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关本征半导体导电能力弱，并与温度有关。1.1.1半导体的导电特性（4）61.1.2 杂质半导体杂质半导体一、一、N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体N 型型+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由电子自由电子电子电子为为多多数载流数载流子子空穴空穴为为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数1.1.2杂质半导体（1）7P 型型+3+4+4+4+4+4硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数1.1.2杂质半导体（2）8二、杂质半导体的导电作用二、杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN

5、 型半导体型半导体 I INP 型半导体型半导体 I IP1.1.2杂质半导体（3）9三、三、P 型与型与N 型半导体的简化示意图型半导体的简化示意图负离子负离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子正离子正离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子P型型N型型1.1.2杂质半导体（4）101.1.3 PN 结结一、一、PN 结结(PN Junction)的形成的形成1.载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散2.复合使交界面复合使交界面形成空间电荷区形成空间电荷区(耗尽层耗尽层)空间电荷区特点空间电荷区特点:无载流子，无载流子，阻止扩散进行，阻止扩散进行，利于少子的漂移。

6、利于少子的漂移。内建电场内建电场1.1.2PN结（1）113.扩散和漂移达到扩散和漂移达到动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流 等于漂移电流，等于漂移电流，总电流总电流 I=0。1.1.2PN结（2）12P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动,中和部分离子中和部分离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。IF限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 IFIF=I多子多子 I少子少子 I多子多子二、二、PN 结的结的单向单向导电性导电性1.外加外加正向正向电压电压(正向偏置正向偏置)forward bias1.1.2PN结（3）

7、132.外加外加反向反向电压电压(反向偏置反向偏置)reverse bias P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动，空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IRPN 结的结的单向导电性单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 IRIR=I少子少子 01.1.2PN结（4）14三、三、PN 结的伏安特性结的伏安特性反向饱反向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数

8、当当 T=300(27 C)：UT =26 mVOu/VI/mA正向特性正向特性反反向向击击穿穿加正向电压时加正向电压时加反向电压时加反向电压时iIS1.1.2PN结（5）151.2半导体二极管半导体二极管1.2.1 二极管的结构和类型二极管的结构和类型1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1.2.4 二极管常用电路模型二极管常用电路模型1.2.5 稳压二极管稳压二极管1.2.6 二极管的应用举例二极管的应用举例1.2半导体二极管161.2.1 二极管的结构和类型二极管的结构和类型构成：构成：PN 结结+引线引线+管壳管壳=二极管二极管(Dio

9、de)符号：符号：A(anode)C(cathode)分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型1.2.1二极管的结构和类型（1）17点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底1.2.1二极管的结构和类型（2）181.2.1二极管的结构和类型（3）191.2.2 二极管的伏安

10、特性二极管的伏安特性一、一、PN 结的伏安方程结的伏安方程反向饱反向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数当当 T=300(27 C)：UT =26 mV1.2.2二极管的伏安特性（1）20二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD=0Uth=0.5 V 0.1 V(硅管硅管)(锗管锗管)U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth UD(on)=(0.6 0.8)V硅管硅管 0.7 V(0.2 0.4)V锗管锗管 0.3 V反向特性反向特性ISU(BR)反反向向击击穿穿U(BR)U 0

11、iD=IS U(BR)反向电流急剧增大反向电流急剧增大(反向击穿反向击穿)1.2.2二极管的伏安特性（2）21反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿反向击穿原因反向击穿原因：齐纳击穿齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压击穿电压 6 V，正，正温度系数温度系数)击穿电压在击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。左右时，温度系数趋近零。1.2.2二极管的伏安特性（3）22硅管的伏安特性硅管的伏安特性锗管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD/mAuD/ViD/mA

12、uD/V0.20.4 25 50510150.010.0201.2.2二极管的伏安特性（4）23温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响604020 0.0200.42550iD/mAuD/V20 C90 CT 升高时，升高时，UD(on)以以(2 2.5)mV/C 下降下降1.2.2二极管的伏安特性（5）241.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1.IF 最大整流电流最大整流电流(最大正向最大正向平均平均电流电流)2.URM 最高反向工作电压最高反向工作电压，为为 U(BR)/2 3.IR 反向电流反向电流(越小单向导电性越好越小单向导电性越好)4.fM 最高工作频率最高工作频率(

13、超过时单向导电性变差超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)I FURMO1.2.3二极管的主要参数（1）25影响工作频率的原因影响工作频率的原因 PN 结的电容效应结的电容效应 结论：结论：1.低频低频时，因结电容很小，对时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。结影响很小。高频高频时，因容抗增大，使时，因容抗增大，使结电容分流结电容分流，导致导致单向单向 导电性变差。导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。结面积小时结电容小，工作频率高。1.2.3二极管的主要参数（2）261.2.4 二极管的常用电路模型二极管的常用电路模型一、理想二极管模型一、理想二极管模型特性特性uDiD符号及符

14、号及等效模型等效模型SS正偏导通，正偏导通，uD=0；反偏截止，；反偏截止，iD=0 U(BR)=1.2.4二极管的常用电路模型（1）27二、二极管的恒压降模型二、二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7 V(Si)0.3 V(Ge)1.2.4二极管的常用电路模型（2）28三、二极管的折线近似模型三、二极管的折线近似模型uDiDUD(on)UI斜率斜率1/rDrDUD(on)1.2.4二极管的常用电路模型（3）29半导体二极管的型号半导体二极管的型号(补充补充)国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2 A P 9 用数字代表同类型

15、器件的不同型号用数字代表同类型器件的不同型号 用字母代表器件的类型，用字母代表器件的类型，P代表普通管代表普通管 用字母代表器件的材料，用字母代表器件的材料，A代表代表N型型Ge B代表代表P型型Ge，C代表代表N型型Si，D代表代表N型型Si 2代表二极管，代表二极管，3代表三极管代表三极管1.2.4二极管的常用电路模型（4）301.2.5 稳压二极管稳压二极管一、伏安特性一、伏安特性符号符号工作条件：工作条件：反向击穿反向击穿iZ/mAuZ/VO UZ IZmin IZmax UZ IZ IZ特性特性1.2.5稳压二极管（1）31二、主要参数二、主要参数1.稳定电压稳定电压 UZ 流过规定

16、电流时稳压管流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。两端的反向电压值。2.稳定电流稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，越大稳压效果越好，小于小于 Imin 时不稳压。时不稳压。3.最大工作电流最大工作电流 IZM 最大耗散功率最大耗散功率 PZMP ZM=UZ IZM4.动态电阻动态电阻 rZrZ=UZ/IZ 越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。几几 几十几十 1.2.5稳压二极管（2）325.稳定电压温度系数稳定电压温度系数 CT一般，一般，UZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0(为雪崩击穿为雪崩击穿)具有正温度系数；具有正温度系数；4 V UZ UN二极管导通二极管导通等效为等效为 0.7 V 的恒压源的恒压源 PN1.2.6二极管应用举例（3）41UO=VDD1 UD(on)=15 0.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3=4.8(mA)I2=(UO VDD2)/R=(14.3 12)/1=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)1.2.6二极管应用举例（4）42例例3：二二极极管管构构成成“门门”电电路路，设设 D1、D2 均均为为理理想想二二