半導體器件-模擬電子技術

1、第3章 半導體器件,半導體器件是構成電路的基本元件，構成半導體器件的材料是經過加工的半導體材料，因此半導體材料的性質在很大程度上決定了半導體器件的性能。,1 半導體的基礎知識,2 PN結,3 半導體二極管,4 特殊二極管—穩壓管,5 半導體三極管,6 場效應管,1 半導體的基礎知識,自然界中的物體，根據導電能力(電阻率)可分為：導體、絕緣體、半導體。,常見的半導體材料為硅（Si）和鍺（Ge）。,價電子,1 本征半導體,共價鍵：,半導體

2、的基礎知識,對電子束縛較強,●,●,●,●,電子 -,空穴 ＋,1、本征半導體中電子空穴成對出現，且數量少,結論：,2、半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電,3、本征半導體導電能力弱，并與光照和溫度有關。,制造半導體器件的材料不是本征半導體，而是人為的摻入雜質的半導體，目的是為了提高半導體的導電能力,2 雜質半導體,1、摻入5價元素（磷）2、摻入3價元素（硼）,（1）摻入5價元素（磷）,自由電子,電子為多數載流子—多子,空穴為少數載

3、流子—少子,摻雜磷產生的自由電子數>>本征激發產生 的電子數,自由電子數>>空穴數,N型半導體,載流子數 ? 電子數,磷原子：施主原子,雜質半導體,N型半導體的簡化圖示,多子,少子,（2）摻入3價元素（硼）,●,摻雜硼產生的空穴數>>熱激發產生的空穴,空穴數>>自由電子,空穴為多子,電子為少子,P型半導體,硼原子：受主原子,載流子數

4、? 空穴數,P型半導體的簡化圖示,多子,少子,3 半導體的導電性,●,●,I=IP+IN,本征半導體電流很弱。,N型半導體： I≈IN,P型半導體： I≈IP,摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響。,一些典型的數據如下: T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.4×1010/cm3摻雜后 N 型半導體中的自由電子濃度: n= 5×1016/cm3以上兩個濃度基本上依次相差106

5、/cm3,4  雜質對半導體導電性的影響,N型半導體：電子為多子，空穴為少子 載流子數≈自由電子數 施主原子提供電子，不能移動，帶正電。,總結：,P型半導體：空穴為多子，電子為少子 載流子數≈空穴數 受主原子提供空穴，不能移動，帶負電。,,,,2 PN結,1 PN結的形成,,,,,,P,N,由于載流子的濃度差引起多子的擴散運動,由于復合使交界面形成空間電荷區

6、（耗盡區）,空間電荷區,阻礙多子的擴散運動,有利于少子的漂移運動,引起載流子定向移動的類型,1、擴散電流：載流子的濃度差引起,2、漂移電流：由于電場引起的定向移動,在PN結中擴散和漂移最后達到動態平衡即擴散電流＝漂移電流，總電流＝0,PN結,PN結,二、PN 結的單向導電性,1 正向偏置（P區接電源正極，N區接電源負極）,外電場的作用使空間電荷區變窄，擴散運動加劇，漂移運動減弱，從而形成正向電流。,此時PN結呈現低阻態，PN結處于導通

7、狀態，理想模型為閉合開關。,PN結,2 反向偏置（P區接電源負極，N區接電源正極）,外電場的作用使空間電荷區變寬，擴散運動變弱，漂移運動加強，從而形成反向電流，也稱為漂移電流。,此時PN結呈現高阻態，漂移電流很小，此時PN結處于截止狀態，模型相當于開關打開。,結論,PN結反向偏置時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流，且和溫度有關。,PN結正向偏置時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；,由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。,PN結

8、,3 PN結的伏安特性,理論分析知，PN結所加電壓u和電流i的關系為：,常溫時,加正向電壓:,加反向電壓:,PN結,4 PN結的反向擊穿特性,反向電壓超過某一電壓后，PN結流過的反向電流急劇增加，這種現象成為反向擊穿。,發生擊穿時的電壓稱為反向擊穿電壓。記為UBR,反向擊穿,UBR,◆齊納擊穿——高摻雜下，耗盡層的寬度很小，較小的反向電壓就可以形成很強的電場，把價電子從共價鍵中“拉出來”，產生電子、孔穴對，引起電流急劇增加。,◆雪崩擊穿

9、——反向電壓增加時，耗盡層中的電場也加強，使少子在漂移過程中受到更大的加速，可能在與共價鍵中的價電子相碰撞時把價電子“撞”出共價鍵，產生電子、孔穴對。新產生的電子、孔穴被電場加速后又可能“撞”出其它的價電子。引起了電流的急劇增加。,對硅材料而言：反向擊穿電壓在7V以上的為雪崩擊穿；4V以下的為齊納擊穿；4V-7V間的擊穿包括兩種擊穿。 無論是哪種擊穿，只要PN結不因電流過大產生過熱而損壞，當反向電壓下降到擊穿電壓以下時，它的性能

10、又可以恢復到擊穿前的情況。熱擊穿是盡量避免的，電擊穿可以加以利用。,4 PN結的電容特性,勢壘電容 CT,外加電壓變化,反偏時比較明顯,擴散電容CD,正偏時比較明顯,積累在P區的電子或N區的空穴隨外加電壓的變化就構成了PN結的擴散電容CD。,反偏時勢壘電容 CT起主要作用，此時PN結的總電容C≈ CT,正偏時擴散電容 CD起主要作用，此時PN結的總電容C≈ CD,1、N型半導體帶負電，P型半導體帶正電。這種說法是否正確？,2、N型半導體

11、的多子是（），P型半導體的多子是（）。,3、PN結中擴散電流的方向是從（ ）區指向（ ）區，漂移電流的方向是（ ）區指向（ ）區。,4、 PN結外加正向電壓時（ ）電流大于（ ）電流，此時耗盡層變（ ）。,5、采取保護措施的條件下（ ）擊穿可以利用，但（ ）擊穿是永久性損壞器件的擊穿。,思考題,N型半導體：電子為多子，空穴為少子 載流子數≈自由電子數 施主原子提供

12、電子，不能移動，帶正電。,復習,P型半導體：空穴為多子，電子為少子 載流子數≈空穴數 受主原子提供空穴，不能移動，帶負電。,半導體中有兩種自由電荷參與導電：電子和空穴。,PN結反向偏置時，呈現高電阻，少子的定向移動形成很小的反向漂移電流，且和溫度有關。,PN結正向偏置時，呈現低電阻，多子的定向移動形成較大的正向擴散電流，電流方向由P指向N。,PN結具有單向導電性。,PN結,PN結的伏安特性,常溫時,PN結,

13、熱擊穿是盡量避免的，電擊穿可以加以利用。,PN結的電容包括勢壘電容和擴散電容，當輸入信號為交變的高頻信號時必須考慮PN結的電容效應。,1 半導體二極管的結構,構成：,PN 結 + 管殼 + 引線=二極管(Diode),1.3 半導體二極管,分類：,按結構分,點接觸型,面接觸型,平面型,,半導體二極管的類型,點接觸型,PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻小電流電路。,半導體二極管,面接觸型,PN結面積大，用于工頻大電流整流電路

14、。,半導體二極管,平面型二極管,往往用于集成電路制造工藝中。PN 結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。,半導體二極管,二極管的符號：,陽極,陰極,半導體二極管,2 二極管的伏安特性,半導體二極管,二極管的伏安特性曲線可用下式表示,處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。,(1) 正向特性,硅二極管的死區電壓約為： UON=0.5 V左右，鍺二極管的死區電壓約為：UON=0.1 V左右。,當0＜U＜U

15、ON時，正向電流為零，UON稱為死區電壓或開啟電壓，管子截止。,當U＞0即處于正向特性區域。正向區又分為兩段：,當U＞UON時，開始出現正向電流，并按指數規律增長。管子導通。,死區電壓,半導體二極管,(2) 反向特性,當U＜0時，即處于反向特性區域。反向區也分兩個區域：,當UBR＜U＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS ， IS ≈ 0。管子截止。,當U≥UBR時，反向電流急劇增加

16、，管子擊穿。UBR稱為反向擊穿電壓 。,半導體二極管,3 二極管的參數,1. IF — 最大整流電流(二極管長期連續工作時允許通過的最大正向平均電流 ),2. UBR — 管子反向擊穿時的電壓,半導體二極管,3. URM — 最高反向工作電壓，實際上只按照U(BR) 的一半來計算,4. IR — 反向電流(管子未被擊穿前的反 向電流，該值越小單向導電性越好),6. fM — 最高工作頻率(二極管工作的 上限頻率，超過該

17、頻率時，結電容起 作用，不能很好的體現單相導電性)。,5.UD —導通電壓：二極管在正向電壓工作時，管兩端會產生正向電壓降，其壓降值越小管越好。硅為0.7V，鍺為0.2V。,半導體二極管,溫度對二極管特性的影響：,反向特性曲線下移，即反向電流增大。,一般在室溫附近，溫度每升高1℃，其正向壓降減小2-2.5mV；溫度每升高10℃，反向電流大約增大1倍左右。,半導體二極管,4 半導體二極管的型號,國家標準對半導體器件型號的命名舉例

18、如下：,半導體二極管,一、理想二極管,符號及等效模型：,正偏導通，uD = 0；反偏截止， iD = 0,5 二極管電路的分析方法,半導體二極管,二極管基本電路如圖所示，VDD=10V，應用理想模型求解電路的VD和ID。,例1,ID=（VDD-VD）／R = （10-0）V／10KΩ =1mA,VD=0V,解：,半導體二極管,二、二極管的恒壓降模型,UD,uD = UD,,0.7 V (Si),0.2

19、 V (Ge),半導體二極管,,二極管基本電路如圖所示，VDD=10V，應用恒壓降模型求解電路的VD和ID。,例2,VD=0.7V,ID=（VDD-VD）／R = （10-0.7）V／10KΩ =0.93mA,解：,半導體二極管,三、二極管的折線近似模型,,UON,,斜率1/rD,rD1,UON,半導體二極管,三 小信號模型,如果二極管工作在V-I特性的某一小范圍內工作時，則可以把V-I特性看成一條直線，

20、其斜率的倒數就是微變電阻 rd,半導體二極管,復習,半導體二極管,二極管兩端電壓就是陽極電壓減去陰極電壓,二極管的模型,1 理想模型,UD,2 恒壓降模型,uD = UD,,0.7 V (Si),0.2 V (Ge),二極管的單向導電性應用很廣，可用于：限幅、整流、開關、檢波、元件保護等。,6 應用,半導體二極管,1、限幅電路：它是用來讓信號在預置的電平范圍內，有選擇地傳輸一部分。,例1：一限幅電路如圖所示，R=1KΩ，VREF=3V。

21、當Ui=6sinωt(V)時，利用恒壓降模型繪出相應的輸出電壓UO的波形。二極管的恒壓降為0.7V。,②Ui>3.7V時D導通， UO=0.7+3=3.7V,①Ui<3.7V時D截止， UO=Ui;,半導體二極管,,半導體二極管,2、開關電路：利用二極管的單向導電性以接通或斷開電路，這在數字電路中廣泛應用。,例2:二極管開關電路如圖所示，當Ui1和Ui2為0V或5V時，求Ui1和Ui2的值不同組合情況下，輸

22、出電壓Uo的值。設二極管是理想的。,截止,截止,截止,截止,導通,導通,導通,導通,0,5,5,5,半導體二極管,3、整流電路：將交流電壓轉換成脈動的直流電壓。,例3：單相橋式整流電路如圖所示，電源US為正弦波電壓，試繪出負載RL兩端的電壓波形，設二極管為理想的。,Ui>0V時D2、D3導通，UO= Ui,Ui≤0V時D4、D1導通，UO= -Ui,半導體二極管,,,半導體二極管,7 特殊二極管,◆穩壓管,穩壓管又稱齊納二

23、極管，它是一種特殊工藝制造的半導體二極管。它的符號如圖所示。,當反向電壓加到某一定值時UZ ，產生反向擊穿，反向電流急劇增加，只要控制反向電流不超過一定值，管子就不會損壞。,1）、穩壓管的伏安特性,2）、穩壓管的主要參數,① 穩定電壓UZ,指規定電流下穩壓管的反向擊穿電壓。穩壓管的穩定電壓低的為3V，高的可達300V，它的正向電壓約為0.6V。,② 穩定電流IZ（ Izmin-Izmax ）,指穩壓管工作在穩壓狀態時的參考電流。電流低于

24、Izmin時穩壓效果變壞，甚至根本不穩壓。,③ 額定功耗PZM,指穩壓管的穩定電壓與最大穩定電流的乘積。,④ 溫度系數α,指溫度每變化1℃時穩壓值的變化量。 VZ小于4V的管子具有負溫度系數， VZ大于7V的管子具有正溫度系數。4V至7V的管子溫度系數非常小。,⑤ 動態電阻rz,指穩壓管兩端的電壓變化與電流變化之比。曲線越陡，動態電阻愈小，穩壓管的穩壓性能愈好。,穩壓二極管在工作時應反接，并串入一只電阻 電阻的作用一是起限流作用，

25、以保護穩壓管；其次是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調節穩壓管的工作電流，從而起到穩壓作用。,注意,接法：反接,電阻R的作用：限流,RL代表：負載,工作區：反向擊穿,3)、穩壓管的基本電路,三、應用,例1：電路如圖，求流過穩壓管的電流IZ，R是否合適？,解：,故，R是合適的。,例2：電路如圖，IZmax=50mA，R=0.15KΩ, UI =24V, IZ=5mA, UZ=12V，問當 RL = 0.

26、2K Ω 時，電路能否穩定，為什么？當 RL = 0.8K Ω 時，電路能否穩定，為什么？,解：,例3、電路如圖，UI =12V ，UZ=6V ，R=0.15KΩ ，IZ=5mA，IZMAX=30mA,問保證電路正常工作時RL 的取值范圍,解：,例4：已知u=10sin(?t)V ,UZ= 6V, IZ=10mA ， Izmax=30mA, 畫出uo的波形，并求限流電阻R的最小值。,,,,,例5：已知u=10sin(?t)V ,UZ=

27、+6V, IZ=10mA ， Izmax=30mA, 畫出uo的波形，并求限流電阻R的最小值。,,,,,例6：已知u=3sin(?t)V ,UZ= 6V, IZ=10mA ， Izmax=30mA, 畫出uo的波形，并求限流電阻R的最小值。,,,,,例7 穩壓電路如圖所示，直流輸入電壓VI的電壓在12V~13.6V之間。負載為9V的收音機，當它的音量最大時，需供給的功率為0.5W。穩壓管的VZ=9V，穩定電流IZmin=5mA，額定功率

28、為1W，R=51Ω。試分析穩壓管電路能否正常工作。,收音機所需電流,流過R的電流為,流過穩壓管的電流為,解,由于收音機音量最大時，穩壓管流過的電流,穩壓管的穩定電流范圍為：,所以穩壓管失去了穩壓作用。,其它類型二極管,發光二極管,光電二極管,發光二極管,當發光二極管外加正向電壓，且正向電流足夠大時，發光二極管發光。 正向電流越大亮度越大。,發光二極管的外形結構和符號,◆光電二極管,光電二極管的結構與普通二極管類似，但在它的PN

29、結處，通過管殼上的一個玻璃窗口能接收外部的光照。這種器件的PN結在反向偏置狀態下運行，它的反向電流隨光照度的增加而上升。它的符號如圖所示。,光電二極管基本電路,接法：反接,工作區：反向偏置,作用：把光信號轉換成電 信號,光電二極管的伏安特性,◆發光二極管,發光二極管是通過電流時發光的一種器件，這是由于電子與空穴直接復合而放出能量的結果。發出的光的波長由所使用的基本材料而定。它的符號如圖所示。,發光二極管基本電