第1章半导体器件

电子线路基础
金属触丝
＋ 弹性金属丝
P型合金结 铝合金球 二氧化硅 P型扩散层
保护层 ＋
N型锗 P型层
N型硅
＋
锡 － 支架
支架 －
N型硅 －
－
(a)
(b)
(c)
(d)
图1―8 二极管结构与符号
电子线路基础
(1)点接触型二极管如图1―8(a)所示。 (2)面结合型二极管如图1―8(b)所示。 (3)平面型二极管如图1―8(c)所示。 二极管的符号如图1―8(d)所示。
＋4
(b) (a)
图1―2 (a)晶体结构; (b)共价键结构
1.1.2 杂质半导体 1. N型半导体 2. P型半导体
电子线路基础
＋4
＋4
多 余
电
子 磷
原 ＋5
＋4
子
图1―3 N型半导体的共价键结构
电子线路基础
＋4
＋4
空穴
硼
原 ＋3
＋4
子
图1―4 P型半导体的共价键结构
电子线路基础
1.1.3 载流子的运动方式及形成的电流 1. 扩散运动和扩散电流 2. 漂移运动和漂移电流
1)图解法
电子线路基础
二极管的特性曲线如图 1―12（b）所示，将图 1―12（a）左边的线性电路写成方程为
uEiR
2）迭代法
(1―11)
由式（1―5）的二极管特性方程和式(1―11)联立的 方程组可以求出非线性电路的解。但无法直接计算，一 般采用迭代法求解。
将式(1―11)和式(1―5)改写为
CT

(U
K U )
(1―1)
电子线路基础
(2)扩散电容。PN结正向运用时,除了存在势垒电容
以外,还有一种特殊的电容,叫做扩散电容,用CD表示。
CD

P D UT
(1―2)
电子线路基础
1.2.2 晶体二极管
1. 晶体二极管的结构
二极管是由PN结、电极引线和管壳构成的。按其 结构特点可分为点接触型、面结合型和平面型3大类,如 图1―8所示。
2. 晶体二极管的伏安特性 (1) 正向特性 (2) 反向特性 (3) 击穿特性 (4) 伏安特性
电子线路基础
i / mA 50
2AP14
30
10
－ 20 － 10 0 0.2 0.6 －1
－2
1.0 u / V
(a)
电子线路基础
i / mA 100 2AP14
60
20 0 － 75－ 45－ 15 0.2 0.6 1.0
电子线路基础
＋ UZ
－
＋ rZ
UZ －
图1―19 稳压管等效电路
电子线路基础
图1―20示出了稳压管稳压电路,图中稳压管VZ并接 在负载RL两端。由图可知
U o U Z U I (IZ IL )R (1―22)
VD
R
＋
B
＋ C UI
VZ
IZ ＋ －UZ
IL RL
Uo
－ －
图1―20 稳压管稳压电路
电子线路基础
＋ 1V b1 VD1 a1 0 b2 VD2 a2 (a)
＋ 5V
5.1 k uo
＋ 1V
b1Ua1b1＝
4V a1
0
b2Ua2b2＝
5V a2
(b)
＋ 5V
5.1 k uo
图1―15 二极管门电路
电子线路基础
ui uo/ V
10 k
＋
VD
＋
10
ui
5
0
10sin t (V)
电子线路基础
在硅和锗等半导体材料中,内部原子排列是有规律 的,即为晶体结构。晶体硅(或锗)的原子排列示意图如 图1―2(a)所示。每个硅原子受邻近4个原子的束缚,组 成4个共价键。共价键像纽带一样将排列整齐的原子联 结起来,如图(b)所示。
电子线路基础
共 价键 中的 共价键 两个电子
＋4
＋4
A
＋4
电子线路基础
例1―1 在图1―20的稳压电路中,稳压管选为
2CW14(UZ=6V,IZmin=5mA,IZmax=33mA), R=510Ω。假 定输入电压变化范围为18～24V,试确定负载电流的允
许变化范围。
解(1) 计算IRmax和IRmin
I R max

24 6 0.51

35.3mA
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第1章 半导体器件
1.1 半导体的基础知识 1.2 PN结与晶体二极管 1.3 特殊二极管 1.4 晶体三极管 1.5 场效应晶体管
电子线路基础
1.1 半导体的基础知识
1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体
电子线路基础
半导体之所以受到人们的高度重视,并获得广泛的 应用,是由于它具有其他物体所没有的独特性质，具体 表现在以下3个方面：
i IS(eu/UT 1)
式(1―5)可近似为
i ISeu/UT
当u为负值,且满足eu/UT<< 1时,则
(1―5) (1―6a)
i IS
(1―6b)
iIS(eu/mUT 1)
(1―7)
4. 二极管的主要参数
电子线路基础
1) 性能参数
(1)直流电阻RD RD是二极管电压与电流的比值,即
IZmin≤IRmin-ILmax 因此 ILmax≤IRmin-IZmin=23.5-5=18.5mA
ILmin≥IRmax-IZmax=35.3-33=2.3mA 即IL的允许变化范围为2.3～18.5mA。
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1.3.2 光电二极管 光电二极管的性能主要从以下几个方面考虑： （1）光谱特性 （2）光照特性 （3）频率响应
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1.2 PN结与晶体二极管
• 1.2.1 PN结的基本原理 • 1.2.2 晶体二极管 • 1.2.3 晶体二极管应用电路举例
1.2.1 PN结的基本原理
1. PN结的形成
P区
电子线路基础
N区 (a )
耗尽层
P区
空间电 荷区
N区
(b )
内建电 场
U (c)
图1―5 平衡状态下的PN (a)初始状态; (b)平衡状态; (c)电位分布
dUr (2.0~2.5)mV/C dT
(1―3)
温度升高时，由于少数载流子增加，使反向饱和
电流增大,如图1―10(b)所示。温度每升高10℃,反向
饱和电流约增大一倍,即
T2T1
IS(T2)IS(T1)210
(1―4)
3. 伏安特性的数学表达式
电子线路基础
根据理论分析,二极管的电流与端电压u存在如下关系:
x x (0)
f ( x (0)) f ( x (0) )
(1―18)
将x作为方程f(x)=0的一个一次修正后的近似解，即令
x (1)
x x (0)
f ( x (0)) f ( x (0) )
(1―19)
依此类推，可得第（K+1）次修正后的近似解
x(K1)
x(K)

f (x(K)) f (x(K))
(1―20)
3）折线化近似
电子线路基础
以上的分析方法都比较繁琐，在工程分析计算中
一般将二极管特性曲线作近似处理，使问题得到简化。
特性曲线一般有4种折线化近似，如图1―13所示，它 们没有考虑击穿区特性。
电子线路基础
i
0
u
i
rD
0
u
i
rD
0 rr
i
u rD
rr
0 Ur
u
(a ) 理 想二 极管
rD
电子线路基础
电子线路基础
5. 晶体二极管分析方法
图1―12(a)是一二极管电路,我们可以把该电路分成 两部分进行考虑：左边是由E和R组成的线性电路，右 边是二极管。分析时主要有两种分析方法：图解法和 解析法。
电子线路基础
i ＋ －E
R a＋ u
b－
(a)
i E R
Q
ID
0
UD
E
u
(b)
图1―12 二极管电路分析 (a)电路；(b)图解法
(3)动态电阻RZ
rZ
(4)电压温度系数
U Z IZ
(5)额定功耗PZ
电子线路基础
(1―21)
电子线路基础
＋
－ UZ
i 正向 ＋
－
O
A
－ IZ m in
u
反向
B
－ IZ m a x
图1―17 稳压管的伏安特性及符号
ΔUZ
UZ
Δ IZ
电子线路基础
i
0 u
IZ m i n
图1―18 稳压管动态电阻
电子线路基础
A
K (a)
1 相对响应
0.5
300 400 500 600 700 8009001000
电子线路基础
2. PN结的特性 PN结在不同的运用状态下表现的特性不同，了 解这些特性是理解和使用晶体二极管、三极管的重 要依据。 1) PN结的单向导电性 2) PN结的击穿特性 (1)雪崩击穿。 (2)齐纳击穿(隧道击穿)。
R P区
E ＋－
未加 偏压 时 的耗 尽层
电子线路基础
N区
(a )
加正 偏
(b )
rr
rD (c )
rr
＋ － rD (d )
Ur
图1―13 二极管特性曲线折线近似
1.2.3 晶体二极管应用电路举例 1. 整流电路 2. 门电路 3. 二极管限幅电路
电子线路基础
电子线路基础
VD
＋
＋
ui －
Uimsint
R
uo
－
(a)
uo
0
π
2π 3π t
(b)
图1―14 二极管半波整流电路 (a)电路；(b)输出波形
(1) 掺杂性 (2) 热敏性 (3) 光敏性
电子线路基础
1.1.1 本征半导体
本征半导体是指纯净的、不含杂质的半导体。在 近代电子学中,用得最多的半导体是硅和锗,它们都是四 价元素，原子最外层有4个价电子。硅和锗的原子结构 示意图如图1-1所示。
电子线路基础
＋14
＋4
＋32 ＋4
(a)
(b)
图1―1 (a)硅;(b)锗
＋ uo
－
5V －
－5
－10
uo
t
－
(a)
(b)
图1―16 (a)电路; (b)波形
电子线路基础
1.3 特殊二极管
• 1.3.1 稳压管 • 1.3.2 光电二极管 • 1.3.3 发光二极管 • 1.3.4 变容二极管
1.3.1 稳压管
稳压管的主要参数如下:rd
26mV IQ
(1―10)
电子线路基础
i
IQ 0
Q 1 (斜率) RD
UQ
u0
(a)
i
Δi
IQ
Q
Δu 切
线
rd＝ΔΔ
u i
1 rd
(斜率)
u
(b)
图1―11 (a)直流电阻RD;(b)交流电阻rd
3)势垒电容CT 2)极限参数 (1)最大允许整流电流IOM (2)最高反向工作电压URM (3)最大允许功耗PDM
f(x)f(x(0))f(x(0))(xx(0))1f(x(0))(xx(0))2
2
(1―15)
f(x)f(x(0))f(x(0))(xx(0))
(1―16)
f(x(0))f(x(0))(xx(0))0
(1―17)
电子线路基础
式(1―17)是个线性方程，只要f′(x(0))≠0便可解得
RD

U I
(1―8)
(2)交流电阻rd它是二极管在工作点附近电压微变
量与电流微变量之比,即
rd

du di
(1―9)
电子线路基础
rd的数值还可以从二极管的伏安特性表达式中得出, 由式(1―5)得
1 rd
ddui ddu[IS(eu/UT
1)] IS UT
eu/UT
i UT
IQ UT
UIDD(UETlnU(D ID)//RIS 1)
(1―12a) (1―12b)
电子线路基础
I[K1] D
ID [K]

(1―13)
单变量的非线性代数方程的一般形式如下：
f (x) 0
(1―14)
首先对方程的解做一初次猜测值x(0) ，若它不满
足式(1―14)，则在x(0) 处将f(x)展为泰勒级数
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
100℃
－ －5 10
u/V (a)
i / m A (b)
－1257020℃℃℃
u/V－12 －10 －8 －60 －2
2CW 18 －4
－6 －8 －10
i / m A (c)
图1―10 (a)正向特性; (b)反向特性; (c)击穿特性
电子线路基础
温度升高,门限电压Ur下降,如图1―10(a)所示。一般有
－ 0.001
－ 0.002
u/V
(b)
图1―9 二极管伏安特性
电子线路基础
i / m A 80 60 40 20 0
50℃
2CP45 100℃
u/V－400 －300－200－1000－10 －3
2CP45
25℃
－ － －5 1 50 × × － 1 12 0 0－ －3 2
－10 －1
－ －5 1× 10－1
IRmix

18 6 0.51

23.3mA
电子线路基础
(2)计算ILmax及ILmin: 由于IR=IL+IZ,当Ui=Uimax和IL=ILmin时,流过IZ的电流 最大,为了使稳压管能安全工作,应使
IZmax≥IRmax-ILmin 当Ui=Uimin和IL=ILmax时,流过IZ的电流最小,为了稳定 输出电压,应使
未加 偏压 时
电位
压时 的
的电 位分 布
耗尽 层
U －E 合成 电场
图1―6 PN正向运用
U ( b )
电子线路基础
E －＋
R
(a )
电位
未 加偏 压 时 耗尽 层 加 反偏 压时 耗尽 层
U ＋E ( b ) U
合 成电 场
图1―7 PN反向运用
电子线路基础
3) PN结的电容效应
(1)势垒电容CT。 势垒电容CT与普通电容不同,它的容量随外加电压 的改变而改变,并且不成线性关系。而普通金属板电容 器,其容量为一常数。分析表明