模拟电子技术简明教程 1半导体器件.ppt

四川大学锦江学院廖均梅,,第5章　集成运算放大电路,第2章　放大电路的基本原理,第1章　半导体器件,第3章 放大电路的频率响应,第6章　放大电路中的反馈,第7章　模拟信号运算电路,第8章　信号处理电路,第9章　波形发生器,第4章 功率放大电路,第10章　直流电源,模拟电子技术,一、电子技术的发展 很大程度上反映在元器件的发展上 :,1947年 贝尔实验室制成第一只晶体管1958年 集成电路1969年 大规模集成电路1975年 超大规模集成电路,第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！,二、模拟信号与模拟电路,电子电路中信号的分类 模拟信号 对应任意时间值t 均有确定的函数值u或i，并且u或 i 的幅值是连续取值的，即在时间和数值上均具有连续性数字信号 在时间和数值上均具有离散性，u或 i 的变化在时间上不连续，总是发生在离散的瞬间；且它们的数值是一个最小量值的整数倍，当其值小于最小量值时信号将毫无意义大多数物理量所转换成的信号均为模拟信号第一章　半导体器件,1.1　半导体的特性,1.2　半导体二极管,1.3　双极型三极管(BJT),1.4　场效应三极管,1.1　半导体的特性,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。

无杂质,稳定的结构,本征半导体是纯净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硅原子结构,图 1.1.1　硅原子结构,(a)硅的原子结构图,最外层电子称价电子,锗原子也是 4 价元素,4 价元素的原子常常用+ 4 电荷的正离子和周围 4个价电子表示b)简化模型,1.1.1　本征半导体,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构价电子,共价键,图 1.1.2　单晶体中的共价键结构,,,,,当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体1、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,共价键,在本征半导体中，激发出一个自由电子，同时便产生一个空穴。

电子和空穴总是成对地产生，称为电子空穴对半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过程叫做本征激发（Intrinsic Excitation）产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射本征半导体,动画,1、本征半导体的结构,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合一定温度下，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图 1.1.3　本征半导体中的 　　　　 自由电子和空穴,自由电子,空穴,T ,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱空穴可看成带正电的载流子本征激发,1. 半导体中两种载流子,2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子 - 空穴对3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 n 和 p 表示，显然 n = p 4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加1.1.2　杂质半导体,杂质半导体有两种,,N 型半导体,P 型半导体,一、 N 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。

常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等N 型半导体,电子型半导体,本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n >> p 电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)杂质半导体 1. N型半导体,,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,二、 P 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体空穴浓度多于电子浓度，即 p >> n空穴为多数载流子，电子为少数载流子3 价杂质原子称为受主原子受主原子,空穴,图 1.1.5　P 型半导体的晶体结构,2. P型半导体,,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，导电性越强说明：,1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度3. 杂质半导体总体上保持电中性4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。

2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善a)N 型半导体,(b) P 型半导体,图 1.1.6　杂质半导体的简化表示法,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）a,b,c,,,,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 （a. 电子电流、b.空穴电流）,,,b,a,1.2　半导体二极管,1.2.1　PN 结及其单向导电性,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结图 1.2.1　PN 结的形成,一、 PN 结中载流子的运动,,,,,耗尽层,1. 扩散运动,2. 扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动—— PN 结，耗尽层。

图 1.2.1,3. 空间电荷区产生内电场,,空间电荷区正负离子之间电位差 UD —— 电位壁垒；—— 内电场；内电场阻止多子的扩散 —— 阻挡层4. 漂移运动,因电场作用所产生的运动称为漂移运动内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动内电场有利于少子的漂移运动5. 扩散与漂移的动态平衡,空间电荷区的宽度约为几微米 ~ 几十微米；,电压壁垒 UD，硅材料约为(0.6 ~ 0.8) V,,锗材料约为(0.2 ~ 0.3) V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结动画,二、 PN 结的单向导电性,1. PN结外加正向电压,又称正向偏置，简称正偏图 1.2.2,在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 RPN结加正向电压导通： PN结（耗尽层、空间电荷区）变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态2. PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,动画,PN 结变宽,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流IR,P接负、N接正,动画,,,又称反向饱和电流,PN结加反向电压截止： PN结（耗尽层、空间电荷区）变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。

由于电流很小，故可近似认为其截止PN 结变宽,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加动画,,,又称反向饱和电流,综上所述：　　当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于 导通状态； 当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态　　可见， PN 结具有单向导电性四、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Cb2. 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！,1.2.2　二极管的伏安特性,将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从 P 区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极二极管的结构：,(a)外形图,半导体二极管又称晶体二极管。

b)符号,图 1.2.4　二极管的外形和符号,半导体二极管的类型：,按 PN 结结构分：有点接触型和面接触型和平面型二极管按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等图 1 – 12 半导体二极管的结构和符号,半导体二极管,二极管的结构示意图,基本结构,(a) 点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小用于检波和变频等高频电路结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路只能在较低频率下工作c) 平面型 用于集成电路制作工艺中PN结结面积可大可小，小的工作频率高，大的结允许的电流大，用于高频整流和开关电路中二极管的伏安特性,在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I = f (U )之间的关系曲线正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,图 1.2.4　二极管的伏安特性,1. 正向特性,当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零相应的电压叫死区电压范围称死区死区电压与材料和温度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗管约 0.1 V 左右正向特性,死区电压,当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。

硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V,导通压降,2. 反向特性,当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；,二极管加反向电压，反向电流很小；,如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；,这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常3. 伏安特性表达式(二极管方程),IS ：反向饱和电流UT ：温度的电压当量在常温(300 K)下， UT  26 mV,二极管加反向电压，即 U < 0，且 |U| >> UT ，则 I  - IS二极管加正向电压，即 U > 0，且 U >> UT ，则　　　　　，可得 ，说明电流 I 与电压 U 基本上成指数关系结论：,二极管具有单向导电性加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件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,温度的电压当量,1.2.3　二极管的主要参数,1. 最大整流电流 IF,二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。