第一部分 半导体器件基础

IE=IB+IC
根据
IB=（1－α) IE －ICBO 得： IB ICBO IE = + 1－α 1－α
令 β=
α 1－α
代入IC的表达式 穿透电流
α α IC= I + I + ICBO 1－α B 1－α CBO
IC=βIB +（1+β）ICBO
IC=βIB + ICEO IE = （1+β）IB+ ICEO IB= IE 一IC
理想模型
VD 0 V I D VDD / R 1 mA
恒压模型
VDD iD +
VDD iD + iD
VDD
VD 0.7 V （硅二极管典型值） I D (VDD VD ) / R 0.93 mA
折线模型
+ Vth rD
uD
VD

uD

uD

Vth 0.5 V（硅二极管典型值）
注意： PN结的击穿并不意味着损坏。
PN结是否损坏决定于击穿后电流与电压 的乘积是否超过PN结容许的耗散功率。
如果超过就是热击穿，热击穿是不可逆的；
如果没有超过就是电击穿，电击穿是可逆的。
c、电容性 如果给PN结加上变化的电压，PN结将呈现电容效 应。（电压变化时有电荷的堆积与泄放的过程）
P N
3、掺杂性：
二、本征半导体的导电特性
非常纯净的半导体称为本征半导体。常用的有硅、 锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。用得最多的就 是硅和锗。 1、本征半导体的晶体结构
+4
● ●
+4
●
●
+4
惯性核
+4
● ●
+4
●
价电子
硅和锗原子结构简化模型及共价键结构示意图
● ●
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●
●
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●
●
+4
●
●
+4
第一部分
半导体器件基础
一、半导体的基础知识 二、晶体二极管 三、晶体三极管
第一讲 半导体的基础知识
一、半导体的特性
1、热敏性： 半导体的导电性能随着温度的 变化而发生显著的变化。 半导体的导电性能随着光照强 度的变化而发生显著的变化。 半导体的导电性能随着微量杂质 的掺入而发生显著的变化。
2、光敏性：
注意：
1、CB和CD在结构上都是和PN结并联的，正偏时 CD＞＞CB，CD起作用；反偏时CB起作用。 2、CB和CD的存在都是破坏单向性的。
第二讲 晶体二极管
一、结构及符号
在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极 管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。 1、点接触型二极管
PN结面积小，结 电容小，用于检波和 变频等高频电路。
五、D的等效电路及应用
D是一种非线性器材，要想准确分析二极管电路具 有一定的难度，为了简化分析又不至于误差太大，在实 际中将根据不同情况采用不同电路进行等效。 1. 理想模型 正偏时电阻为零，反偏时电阻为 无穷大，相当于一个理想开关。 适用于电路中的电压比D的压降 大得多的情况。
经常用于定性分析、估算电路状 态时很方便，但误差较大。
u D/V
②
Vth
反向击穿特性
③
40
iD/m A
线性段 1、 非线性段
稳压特性（△I大，△V小） 2、 稳流特性（△V大，△I小）
注 意
：
3、死区电压Vth Si：0.5V Ge: 0.1V
4、导通电压VF Si：0.6---0.8V Ge: 0.1---0.3V
三、二极管的主要参数
1、最大整流电流IF 4、最高工作频率fmax
T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:
n = p =1.4×1010/cm3
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:
n=5×1016/cm3
3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
注意：N型和P型半导体中的两种载流子 的数量不等，但整个半导体仍呈中性。
IB
EB
1、晶体管内部载流子的传输过程 IE IC
IEN
IEP
I B， IB
ICN
ICBO EC
EB a、发射区发射载流子 IE=IEN+IEP≈IEN b、载流子基区的传输与复合 IB=IEP+IB，－ICBO= IB，－ICBO
c、集电区的收集载流子 IC=ICN+ICBO
2、电流分配关系
为了定量描述三极电流之间的关系，引入共基极 的直流电流放大系数
N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）后形成的半 导体。 P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）后形成的半 导体。
1、N型半导体的形成及特性 因五价杂质原子中只有 四个价电子能与周围四个半 导体原子中的价电子形成共 价键，而多余的一个价电子 因无共价键束缚而很容易形 成自由电子。
在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原 子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子， 因此五价杂质原子也称为施主杂质。
设 rD 0.2 k
VDD Vth ID 0.931 mA R rD
VD Vth I D rD 0.69 V
2. 限幅电路
(1) vI (Vth VREF ) 3.5 V 时
R + +
R + D + +
R rD Vth VREF (b) +
uI
VREF (a)
uO

uI

uO

uI
VREF
uO

u O/V
斜率
u O/V
rD 斜率 0.17 rD+R u I/V
t
(2) vI (Vth VREF ) 3.5 V 时
R + rD Vth VREF +
2. 恒压降模型
认为D正偏导通后，管压降为 恒定值（VF），相当于一个 理想的压控开关，适用于 iD≥1mA情况。
经常用于定量分析，计算快而 且基本符合实际。
3. 折线模型 认为D的正向压降不是恒定 的，而是随着正向电流的变 化而变，相当于非理想的压 控开关（有导通压降） rD等于折线斜率的倒数 最准确的计算，适 用于各种情况。
传输到集电极的电流 I CN I CN a IEN IE 发射极注入电流
IC=ICN+ICBO
IC=αIE+ICBO
IB= IB，－ICBO
=IEN－ ICN －ICBO
a 为电流放大系数，
它只与管子的结构尺寸和 掺杂浓度有关，与外加电 压无关。一般 a = 0.90.99
IB=（1－α) IE －ICBO
u D/V
0.2 0.4 0.6
VBR
u D/V
②
Vth
反向击穿特性
③
40
iD/m A
iD/m A
硅二极管2CP10的V-I 特性
锗二极管2AP15的V-I 特性
iD/mA
20
正向特性
①
反向特性
60 40 20
15 10 5 0 10 20 30
0.2 0.4 0.6
VBR
1、P型半导体的形成及特性 因三价杂质原子在 与硅原子形成共价键时， 缺少一个价电子而在共价 键中留下一个空位。 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成 自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 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。
掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影 响，一些典型的数据如下: 1
4. 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。
v D 即 rd i D
适用于D正向通且信号在很小范围 内变化的情况。
常温下（T=300K）
rd
VT 26(mV ) I D I D (mA )
应用举例
1. 二极管的静态工作情况分析
VDD=10V 时 （R=10k）
要保证三区具有以上功能，在制造晶体管时就要使三 区具有以下特点（内部条件）： 发射区的掺杂浓度最高；集电区掺杂浓度低于发射区， 且面积大；基区很薄，且掺杂浓度最低。
要使各区的功能能够发挥出来，就必须满足以 下的外部条件： 发射击结正偏，集电结反偏。
IE
IEN IEP
I B，
ICN ICBO EC
IC
IF
N
P
IR
③、IF、IR与外加电压之间的关系。
b、击穿性 反向电压增加到某个数值时，反向电流突然增加，这种 现象称为击穿。 击穿时所对应的电压称为反向击穿电压，用VBR表示。 根据击穿的机理不同，击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。 雪崩击穿的机理： 反向电压↑→内电地场↑→载流子的动能↑→将中性原 子中的价电子撞出来→IR↑。 齐纳击穿的机理： 反向电压↑→内电地场↑→将中性原子中的价电子拉出 来→IR↑
+4
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●
+4
●
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+4
自由电子移走 后留下的空穴
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ａ、自由电子与空穴同生同灭，数量相等。 本征激发 的特征： ｂ、自由电子和空穴都是载流子。 ｃ、载流子的浓度与温度成指数关系。
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●●Βιβλιοθήκη 由于热激发而产 生的自由电子
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