模电课件1--常用半导体器件

1、第1章 常用半导体器件,作 业,1.2 1.3 1.8 1.9(2,6) 1.12(b,c) 1.14 1.15,常用半导体器件 1.1.1 半导体基本知识 *1.1.2 半导体二极管 1.1.3 晶体三极管 1.1.4 场效应管 1.1.5 单结晶体管和晶闸管(自学） 1.1.6 集成电路中的元件（自学）,本章要求： 1. 理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电流放大作用； 2. 了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义； 3. 会分析含有二极管的电路。,1.1.0 半导体特性 1.1.1 本征半导体 1.1.2 掺杂半导体 1.1.3 PN结及其单向导电性,1.1 半导体基础知识,1.1.0 半导体特性,物体分类,导体,如：金属,绝缘体,如：橡胶、云母、塑料等。, 导电能力介于导体和绝缘体之间。,半导体, 半导体特性,掺入杂质则导电率增加几百倍,掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增加,热敏特性,热敏器件,光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势,光敏特性,常用的半导体材料有： 元素半导体：硅（Si）、锗（Ge） 化合物半导体：砷化镓

2、（GaAs） 掺杂材料：硼(B)、铟(In)；磷(P)、锑(Sb)。,光敏器件 光电器件,硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构,价电子是我们要研究的对象,半导体的共价键结构,硅晶体的空间排列,硅和锗都是四价元素，它们的原子结构外层电子(价电子)数均为4个，价电子受原子核的束缚力最小，决定其化学性质和导电性能,共价键表示两个共有价电子所形成的束缚作用。,T=0K 且无外界激发，只有束缚电子，没有自由电子，本征半导体相当于绝缘体；T=300K，本征激发，少量束缚电子摆脱共价键成为自由电子，这种现象称为本征激发。,1.1.1 本征半导体,本征半导体,完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。,常用的本征半导体,Si,+14,Ge,+32,+4,共价键内的电子 称为束缚电子,挣脱原子核束缚的 电子称为自由电子,价带中留下的 空位称为空穴,外电场E,自由电子定向移 动形成电子流,束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流,本征半导体,1. 本征半导体中有两种载流子, 自由电子和空穴,2. 在外电场的作用下，产生电流, 电子流和空穴流,电子流

3、,自由电子作定向运动形成的 与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动,空穴流,价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动,本征半导体,空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。,用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流,电子浓度ni = 空穴浓度pi,1.1.2 杂质半导体,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高,掺入三价元素如B、Al、In等， 形成P型半导体，也称空穴型半导体,掺入五价元素如P、Sb等， 形成N型半导体，也称电子型半导体,杂质半导体,P型半导体,+3,+3,在本征半导体中掺入三价元素如B。,自由电子是少子,空穴是多子,杂质原子提供,因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,由热激发形成,杂质半导体,N型半导体,+5,+5,在本征半导体中掺入五价元素如P。,自由电子是多子,空穴是少子,杂质原子提供,由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子,由热激发形成,1.1.3 PN结及其单向导电性,P型半导体中含有受主杂质，在常温下，受主杂

4、质电离为带正电的空穴和带负电的受主离子。 N型半导体中含有施主杂质，在常温下，施主杂质电离为带负电的电子和带正电的施主离子。 除此之外，P型和N型半导体中还有少数受本征激发产生的电子-空穴对，通常本征激发产生的载流子要比掺杂产生的载流子少得多。,半导体中的正负电荷数相等,保持电中性,P区,N区,P区,N区,扩散运动,载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动。 形成的电流成为扩散电流,内电场,内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动；同时促进少 子向对方漂移，即促进了漂移 运动,扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡,空间电荷区：由不能移动的带电粒子组成，集中在P区和N区的交界处,1.PN结的形成,内电场阻止多子扩散,因浓度差,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,扩散运动,载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动 扩散运动产生扩散电流,漂移运动,载流子在电场作用下的定向运动,称漂移运动, 漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。,PN 结,稳定的空间电荷区,又称高阻区,也称耗尽层,空间电荷区变窄，内

5、电场减弱,扩散运动加强,相等,动态平衡,1.PN结的形成,PN结的接触电位,内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V,接触电位V决定于材料及掺杂浓度 硅： V=0.7 锗： V=0.2,内电场,由于内电场的存在，电子要从N区到P区必须越过一个能量高坡，一般称为势垒，所以空间电荷区又称势垒区。,2.PN结的单向导电性,1. PN结加正向电压时的导电情况,外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。 扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。PN结呈现低阻性。,P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,内,外,2. PN结加反向电压时的导电情况,外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。 内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。 此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。 PN结呈现高阻性,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；,内,外,2.PN结的单向导电性,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,PN结加正向电压时，呈现低电阻，

6、具有较大的正向扩散 电流；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,2.PN结的单向导电性,式中 Is 饱和电流; UT = kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数； T=300k（室温）时 UT26mv,3.PN结电流方程,由半导体物理可推出：,PN结两端的电压与 流过PN结电流的关系式,4.PN结的伏安特性, 当加反向电压时：, 当加正向电压时：,(UUT),正向特性,反向特性,4.PN结的伏安特性,反向击穿,PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象,雪崩击穿,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样，使反向电流激增。,齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。,击穿是可逆。 掺杂浓度小的 PN结容易发生,击穿是可逆。 掺杂浓度大的 PN结容易发生,不可逆击穿, 热击穿,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。,VBR反向击穿电压, 势垒电容Cb,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当

7、外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。利用这一特性可以制成变容二极管。,5.PN结的电容效应,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。, 扩散电容Cd,势垒电容和扩散电容均是非线性电容。, 结电容,Cj=Cd+ Cb,Cd和Cb一般都比较小，对于低频信号来说容抗较大，作用可以忽略；但对于高频信号就要考虑此容抗的影响。,1.2.1 半导体二极管的基本结构,1.2.2 二极管的伏安特性,1.2.3 二极管的主要参数,1.2 半导体二极管,1.2.5 稳压二极管,*1.2.4 二极管的等效电路,1.2.6 其它类型二极管,1、组成 PN结、阳极引线、 阴极引线、管壳；,2、分类 点接触型(图a)：高 频、工作电流小 面接触型(图b)：低 频、工作电流较大,3、符号：(图c),1.2.1 半导体二极管的基本结构,U,I,I=f（U）,1、正向特性,死区电压： 硅：0.5V 锗：0.1V 正常工作时的管压降： 硅：0.7V 锗：0.3V,1.2.2 半导体二极管的伏安特性,2、反向特性,反向电流由

8、少子形成， 因此反向电流一般很小； 小功率硅管：小于1微安； 小功率锗管：几十微安；,3、反向击穿特性,外加电压达到一定数值时，在PN结中形成强大的 电场，强制产生大量的电子和空穴，使反向电流剧增；,4、温度对VA特性的影响（了解）,当温度升高时正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。,1、最大整流电流IF,二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。,2、最高反向工作电压URM,二极管工作时允许施加的最大反向电压；URM通常取反向击穿电压的一半。,3、反向电流IR,室温下二极管未击穿时的反向电流；IR越小，二极管的单向导电性能越好。,4、最高工作频率fM,二极管正常工作时所加电压的最大频率；fM受PN结 的结电容限制，与结电容成反比。,用于描述二极管的导电特性，是选择和使用二极管 的依据。,1.2.3 半导体二极管的主要参数,一、二极管伏安特性的建模,二、应用举例,理想模型 恒压降模型 折线模型 指数模型,模型越来越准确，但是计算越来越复杂,直流模型用在直流电源作用的电路中,交流模型用在交流电源作用的电路中,小信号模型,直流模型：,交流模型：,1.2.4 半导体二极管的等效电路,管子导通

9、后,管压降认为是恒定的,典型值为0.7V。,一、二极管伏安特性的建模,管压降不是恒定的,而是随电流的增加而增加。,正偏时导通，管压降为0V;反偏时截止，电流为0。,5. 小信号模型,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成一个微变电阻。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,4. 指数模型,较完整且较准确,一、二极管伏安特性的建模,已知R =10K，若VDD =10V求电路的ID和UD。,例1.二极管电路的静态工作情况分析,二、应用举例,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,首先：将原始电路中的二极管用它的直流模型代替，得到如下电路。 然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。 方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若0,则理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管；若0，则理想二极管反向截止。,因为只有直流电压源作用，所以使用直流模型。,解:,二、应用举例,1. 二极管的静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,结论:在电源电压远大于二极管管压降时,恒压降模型能得出较合理结果,当电源电压较抵时,折线模型能提供较合理结果,例2.有两个二极管的开关电路,设二极管是理想的，判断两个二极管的状态，并求输出电压Uo。,二、应用举例,Uo,1、将二极管从电路中拿走，在此电路的基础上求两个二极管的阳极和阴极之间的电位差。 2、两个二极管的阳极和阴极之间的电位差共有三种情况： 1）均小于0 2）均大于0 3）一个为正，另一个为负 3、根据不同的情况做出判断： 1）均小于0：立即得出结论，两个二极管均截止。 2）均大于0：这其中会有一大一小，可以得出结论，大的那个二极管一定导通，小的那个状态不定，需要做进一步的判断。大的那个二极管导通后用理想的导线代替，这时整个电路就转化成了只有一个二极管的电路，按照例3的方法继续判断，从而得出最后的结论。 3）一个

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