1、2018/9/2,模拟电子技术基础,北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,主讲 ：赵建辉,第一章 常用半导体器件(1),2018/9/2,1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极性晶体管 1.4 场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6 集成电路中的元件,第1章 常用半导体器件,本节课内容,2018/9/2,1.1 半导体基础知识,1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体 1.1.3 PN结,重点：PN结原理、伏安特性及电流方程。 难点：1.两种载流子及其运动2.PN结的形成3.PN结单向导电性,重点难点,2018/9/2,导体 自然界中容易导电的物质称为导体，如
2、金、银、铜、铝等金属（p=）。,绝缘体 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,导体、半导体与绝缘体,本质: 决定于原子结构(最外层电子分布),一、半导体,2018/9/2,半导体 的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,热敏/光敏特性。当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。如制作CCD/CMOS光电耦合器件等（优点）,受温度变化影响大(缺点)。,掺杂特性。往纯净的半导体中掺入某些杂质，使它的导电能力明显改变。如制作二极管、三极管器件(
3、优点)，但是温度敏感（缺点）。,半导体特性,可控性。外电压控制（单向导电、放大）。,2018/9/2,1.1.1 本征半导体,二、本征半导体的原子结构,Si,纯净的具有晶体结构的半导体为本征半导体。纯度：99.9999999%（简称9个9）。常用材料是硅和锗。,Ge,最外层电子分布,最外层电子（价电子）都是四个（共价键）。,2018/9/2,纯净半导体通过一定工艺过程，可制成单晶体(本征半导体)。,每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子,结构稳定。,本征半导体晶体结构,正方体晶格点阵,本征半导体平面结构示意图,2018/9/2,三、本征半导体的两种载流子,自由电子,空穴,束缚电子
4、,本征激发：在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，带负电，同时共价键上留下一个空位，称为空穴，带正电。,本征激发（自由电子/孔穴）,？问题：整个半导体电性 （空穴自由电子成对出现或者消失）,视频,2018/9/2,本征半导体的导电机理,两种载流子：自由电子和空穴均参与移动（导电）。 电子移动形成电子电流。空穴移动形成空穴电流。移动方向相反，电流方向相同。本征半导体电流为二者之和。 本征半导体的导电能力很弱（原因：本征激发少）。,两种载流子导电机理,视频,2018/9/2,典型值： T=0K，浓度 0，相当于绝缘体。 T=300K（室温）, 硅：101
5、0 量级（硅原子： 1022 量级）,一定温度下，本征激发与复合动态平衡，载流子浓度一定。且电子与空穴的浓度相等：,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,四、本征半导体中载流子浓度,载流子的浓度与环境密切相关。温度大浓度大本征半导体的导电能力越强。 优点：（热敏/光敏器件） 缺点：（温度稳定性差原因，电子线路环境温度问题）,2018/9/2,扩散（掺杂）杂质半导体导电性能显著变化。 原因：掺杂引起半导体某种载流子浓度大大增加，与掺杂浓度相关。,P 型半导体（空穴半导体） ：空穴浓度大大增加。,N 型半导体（电子半导体）：自由电子浓度大大增加。,1.1.2 杂质半导体,根据掺杂物质不同分为2
6、种：,2018/9/2,一、N 型半导体,在纯净半导体晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体中的某些半导体原子被杂质原子取代，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，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，常温下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（施主原子）。,自由电子为多子（同杂质浓度），空穴为少子,N 型半导体中的多数载流子（少子）是什么？,2018/9/2,P 型半导体,在纯净半导体晶体中掺入少量的3价元素硼，晶体中的某些半导体原子被杂质原子取代，硼原子的最外层有3个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空位（电中性）
7、，这个空位很容易吸附电子形成新的空穴，这样硼原子就成了不能移动带负电的离子（受主原子）。,空穴为多子（同杂质浓度），自由电子为少子,P型半导体中的多数载流子（多子）是什么？,空穴 （多子）,硼原子 （受主原子）,2018/9/2,杂质半导体的示意表示法,杂质半导体中，多子和少子的移动都能形成电流。 多子：掺杂形成，浓度与杂质浓度相等。起主导电作用。 少子：本征激发形成，浓度底，温度敏感，影响器件性能。,2018/9/2,掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响（相对本征激发），典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,杂质对半导体导电性的影响,在一定温度下, 电子浓度
8、与空穴浓度的乘积是一个常数, 与掺杂浓度无关。,2018/9/2,一、 PN 结的形成 一、 PN 结的单向导电性 一、 PN 结电流方程 一、 PN 结伏安特性 一、 PN 结电容效应,1.1.3 PN结,一、PN结的形成 二、PN结单向导电性（重点） 三、PN结电流方程 四、PN结的伏安特性 五、PN结的电容效应,2018/9/2,一、PN结的形成,图1.1.5 PN结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过多子的扩散，少子的漂移，在它们的交界面处就形成了PN 结。,2018/9/2,P型半导体,N型半导体,多子浓度越高，扩散运动越强，结果是使空间电荷区越宽。
9、,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,一、PN结的形成,视频,2018/9/2,PN结形成过程（扩散与漂移运动动态平衡）,因浓度差,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,2018/9/2,二 PN结的单向导电性,当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。,？,正偏、反偏如何影响PN结的导电性能？,2018/9/2,二、PN 结单向导电性,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。,PN 结正向偏置（正偏）,限流,视频,2018/9/2,PN
10、结反向偏置（反偏）,N,P,+,_,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,限流,视频,2018/9/2,PN结正偏导通，呈低电阻，较大的正向扩散电流；PN结反偏截止，呈高电阻，很小反向漂移电流。,PN 结单向导电性小结,2018/9/2,三 PN结的电流方程,PN结端电压与电流关系：,其中：,IS 反向饱和电流,UT 与温度相关的电压当量,且在常温（T=300K）,（记住！）,PN结正向导通，电流-电压近似指数关系；PN结反偏截止，电流大小： -Is，近似为0。,2018/9/2,四、PN结的伏安特性,正向（u0）:,电击穿可逆 热击穿
11、不可逆,反向特性 u0,正向特性 u0,Si材料：7V：雪崩击穿少子漂移加剧，碰撞共价键 4-7V：二者兼而有之,反向（u0）:,反向击穿:,图1.1.10 PN结伏安特性,反向击穿,反向击穿应用：稳压（源）作用，区别于恒流（源）,2018/9/2,五、 PN 结的电容效应,一定条件下，PN结具有一定的电容效应。 根据产生电容的机理分为2种： 一是势垒电容 ：Cb 二是扩散电容 ：Cd 等效结电容 ： Cj = Cb + Cd,五、PN结的电容效应,应用：可变电容，电调谐。,2018/9/2,(1) 势垒电容Cb（正向电压引起耗尽层宽度变化）,势垒电容是由空间电荷区（耗尽层）形成的。 外加反向
12、电压变化 PN结压降变化 耗尽层离子区宽度变化 等效PN结中存储的电荷量也随之变化（电容的充放电）。,图 01.09 势垒电容示意图,图1.1.11 势垒电容的示意图,2018/9/2,外加正向电压变化 非平衡少子浓度变化 正向扩散电流变化 扩散区内电荷积累释放形成梯度变化 形成扩散电容。,(2) 扩散电容Cd（反向电压引起非平衡少子扩散形成）,扩散电容示意图,PN结电容效应结论： 二者均是非线性电容（可变电容） 受外加电压影响（工作点影响） Cj = Cb + Cd 几pF百pF量级（低频忽略/高频考虑）,2018/9/2,本节小结,1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间； 2、在一定温度
13、下，本征半导体有一定的导电能力（本征激发引起，与温度有关）； 3、杂质半导体导电能力主要由掺杂浓度决定。 4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。 5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关（概括为：光敏/温度/掺杂特性）。 6、PN结具有单向导电性。,2018/9/2,1.2 半导体二极管,1.2.1 二极管常见结构 1.2.2 二极管伏安特性 1.2.3 二极管主要参数 1.2.4 二极管等效电路 1.2.5 稳压二极管 1.2.6 其它二极管,重点： 二极管的单向导电性（原理、伏安特性、电流方程 二极管等效电路、二极管应用。,重点
14、难点,2018/9/2,常见半导体二极管,2018/9/2,1.2.1 半导体二极管常见结构,按结构分点接触型、面接触型和平面型三大类。,(a)点接触型,(b)面接触型,结面积小，结电容小，检波和高频电路。,结面积可大可小，高频整流和开关电路。易于扩散工艺，适合集成电路。,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(d)符号,2018/9/2,1.2.2 二极管伏安特性,二、温度影响 温度升高 正向曲线左移 反向曲线下移 (逆时针转动) 正向压降：-2.5mV/oC Is: 1倍/10oC,一、伏安特性,图1.2.3 二极管伏安特性曲线,反向特性曲线 u0,正向特性曲线 u0,UT,2018/9
15、/2,1.2.3 二极管主要参数,应用选型,(1) 最大整流电流IF(与温度有关),(2) 最大反向工作电压(UR=1/2UBR),(3) 反向电流IR(温度敏感),(4) 最高工作频率 fMax (Cj = Cb+ Cd),(5) 其它参数:额定功耗/极间电容/正向管压降/动态电阻/温度系数等,？,考虑以上参数，如何等效？,2018/9/2,1.2.4 二极管等效电路,等效电路(等效模型)外特性，便于电路定量分析,理想模型,恒压降模型,折线模型,交流小信号模型,注意应用需求场合,直流电阻,动态电阻,2018/9/2,小信号交流等效电路分析与计算,结论记住，会用！,与工作点Q有关！ 工作点Q越
16、高，rD越小！,特性方程,定义,二极管特性曲线,2018/9/2,1.2.5 稳压二极管,反向电击穿特性,稳压管参数： 稳定电压：Uz 稳定电流：Iz(Izmax、Izmin) 额定功耗： 动态电阻： 温度系数：（%/）,注意：应用中需要限流电阻！,2018/9/2,稳压二极管的应用（例1.2.2）,稳压管的技术参数:,解：稳压管正常工作，流过的反向电流为：Izmin Izmax,总电流：,分别把Izmin Izmax带入（1）得到输入电流范围，再带入（2）可得到R范围。,（1）,（2）,求：限流电阻范围？,2018/9/2, 变容二极管（调谐电路）,势垒电容CT随外电压变化，注意PN反偏,正
17、向电流发光，注意限流，5-20mA,1.2.6 其它类型二极管, 发光二极管（数码指示）,光致自由电子，注意PN反偏。, 光电二极管（遥控通信）, 光电耦合（隔离耦合）,数字隔离/模拟隔离,2018/9/2,二极管的用途：整流、检波、限幅、箝位、开关、 元器件保护、温度补偿等。,1.2.7 二极管应用,分析方法：利用单向导电性。 分析关键：判断二极管处于导通（短路），还是截止（开路）状态。,2018/9/2,开关电路（思路：先断开二极管，再接入，判断导通或截止）,UO11.3V， UO20， UO3-1.3V， UO42V， UO51.3V， UO6-2V。,（P64 第三题）,导通,截止,导
18、通,截止,导通,截止,2018/9/2,半波整流电路,2018/9/2,正半周： D1、D3 导通 D2、D4 截止,负半周： D2、D4导通 D1、D3截止,全波整流电路,2018/9/2,模拟限幅（非线性）/整流,改变E，可改变限幅值。原理？,双向限幅电路（课后分析）,2018/9/2,数字逻辑电路应用,二极管“与”门电路,二极管“或”门电路,（思考）,？,2018/9/2,小 结, 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物质。具有一系列特殊的性能，如掺杂、光照和温度都可以改变半导体的导电性能。利用这些性能可制作成具有各种特性的半导体器件。 PN结是构成半导体器件的基础，具有单向导电性、非线性电阻特性、电容效应、击穿稳压特性。 当PN结加正向电压时，PN结导通，呈现低阻特性。 当PN结加反向电压时，PN结截止，呈现高阻特性。,
