第1章_半导体元器件

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第 一 节 : 半 导 体 基 础 知 识
x
PN结的形成 对同一块半导体,一端掺入受主 杂质,成为P型半导体;另一端 结 掺入施主杂质,成为N型半导体。 这两种杂质半导体紧密地接触在 一起,并在接触处保持晶格的连 续性,这样就在接触面形成一个 PN结
PN 第 二 节 :
PN结的势垒(一)
两个区内的多子均扩散 至对方区域内形成非平 衡载流子,并因为复合 而不断减少。扩散过程 即产生扩散电流 扩散后在原区域内形成 空间电荷区,该区域由 不能移动的正、负离子 构成 空间电荷区阻碍载流子 的扩散(故也称为势垒 区),但会产生漂移电 流
在热力学温度为0K 且无外界其它因素激 发时,价电子全部束 缚在共价键内 在温度升高,价电 子获得的热能足够大 时,便能挣脱原子束 缚而成为自由电子 (带负电),并在原共 价键处留下一个带正 电的空位,即“空穴”
第 一 节 : 半 导 体 基 础 知 识
半导体中的两种载流子(二)
在没有外加电场时,自由电子和空 第 一 穴在晶体中做无规律的运动 节 在加有外加电场后,自由电子和空 : 半 穴都在电场作用下做定向运动,对外 导 体 部显现电流 基 自由电子和空穴都是载运电流的粒子,础 知 统称为载流子 识 本征半导体中自由电子和空穴成对产 生,相应的物理现象称为激发;自由 电子也会释放能量进入有空位的共价 键,二者同时消失,相应的物理现象 称为复合 本征半导体中载流子浓度的决定因素
输入回路与输出 回路以发射极为 公共电极,故为 共发射极放大电 路
第 四 节 : 三 极 管
分析可知,该电路:
当输出回路所接的负载电阻足够大 时具有反相电压放大作用,但略小于 共基极放大电路 有电流放大作用
三极管的放大作用:结论
器件必须工作于放大状态,即发射 结正偏,集电结反偏 为使电路有电流放大作用,输入信 号电流必须是基极电流 为使电路有电压放大作用,输入信 号电压必须施加于正偏的发射结;输 出信号必须取自反偏的集电结 输出端所接的用于提取电压信号的 负载电阻的值应足够大
I E I B IC
放大状态下的三极管:结电压变化对电流的影响
当固定集电结电压,改变 发射结正向电压时的情况 当固定发射结电压,改变 集电结电压时的情况 集电结电压的调宽(基区 调宽)效应
第 四 节 : 三 极 管
对于工作在放大状态下 的三极管来说,发射结 电压对电流的控制能力 要比集电结电压对电流 的控制能力强得多
PN
PN结外加直流(缓变)反向电压时的电流 外加电压的极性与势垒 第 二 的极性相同 节 在外加电压作用下,势 : 垒区加厚,势垒增高 结 势垒增高后,扩散电流 减小(到0);漂移电流 基本不随外加电流而变 此时的外加电压称为反 向电压,反向电压下的 电流称为反向电流,反 向电流不随反向电压的 大小而变,故称为反向 饱和电流
PN
PN结的伏安特性
PN结的伏安特性指通过PN结的电流与 加在其上的电压之间的关系:
I I S (e
qU kT
第 二 节 : 结
PN
1) I S (e
U UT
1)
UT kT / q :热电压 U 室温下, T 26mV
if (U 0&U 100mV )
I IS e
放大状态下的三极管:倒置状态下的三极管
倒置状态下管内 少子的运动规律 及电流受结电压 的控制规律和放 大状态类似,但 也存在不同:
发射极面积远比 集电极面积小,收 集电子的能力比集 电结差很多 复合电流在总电 流中所占的比例相 对放大状态大很多
第 四 节 : 三 极 管
三极管电流与电压关系的重要特点
PN结的温度特性
将PN结用外壳封装起来,并加上电极 引线,即形成PN结 负 正 极 极
第 三 节 : 二 极 管
根据材料和工艺的不同,相应制成的 二极管具有不同的特性和适用范围
二极管的特性:综述
可用特性曲线表示法、解释式表示法 和参数表示法来定量说明电子器件特 性 理想PN结伏安特性与实际二极管特性 的区别:
杂质半导体-N型半导体
第 在本征半导体中掺入 一 少量的五价元素,使 节 : 每一个五价元素取代 半 一个四价元素在晶体 导 体 中的位置,即可形成N 基 型半导体 础 知 此时的杂质元素很容 识 易贡献出自由电子, 而形成正离子,故称 为“施主杂质” N型(电子型)半导体中自由电子居多数, 故称为“多数载流子”(多子);空穴被 称为“少数载流子”(少子)
第 二 节 : 结
PN
PN结的势垒(二)
第 扩散运动使势垒区加厚, 二 当扩散电流等于漂移电 节 流时,势垒宽度达到稳 : 定,从而形成动平衡 结 PN
势垒区的载流子浓度远 小于非势垒区,故被称 为耗尽区,亦被称为高 阻区 势垒区形成后,两种电特性的半导体 之间便产生了电位差。平衡状态下, 势垒有一确定的高度,决定于半导体 材料和温度
第 四 节 : 三 极 管
由于管内同时有电子和空穴两种载流 子参与导电,故称为双极型管
共基极放大电路的放大作用
输入回路与 输出回路以 基极为公共 电极,故为 共基极放大 电路
第 四 节 : 三 极 管
分析可知,该电路:
当输出回路所接的负载电阻足够大 时,具有同相电压放大作用 没有电流放大作用
共发射极放大电路的放大作用
在不同状态下管子的性能有显著不同 PN结的外加电压称为偏压,相应的电 流称为电流;正向偏压简称正偏,反 向偏压简称反偏
放大状态下的三极管:直流静态电流 第 发射区的载流子 四 节 发射过程 : 基区的载流子扩 三 极 散和复合过程 管 集电区的载流子 收集过程 可通过基区的少子 密度曲线来定性分 析三个极的电流
第一章:半导体元器件
半导体的特性 物质的导电性能决定于原子结构的 最外层电子:
导体一般为低价元素 绝缘体一般为高价元素或高分子 物质 常用的半导体材料均为四价元素
源自文库
半导体之所以能被用来制造电子元 器件,不在于其导电能力处于导体 和绝缘体之间,而在于其导电能力 在外界某种因素作用下会发生显著 的变化:
第 三 节 : 二 极 管
当电流大时,应考虑施加在二极管体电 阻和引线电阻上的电压 在反向电压下,应考虑由于封装工艺不 理想而存在的微小漏电流,从而反向电流 将随反向电压的增大而增加
二极管的特性:伏安特性曲线
第 在正向小电流状态, 三 符合指数规律,存在 节 : UD 导通电压 二 在正向大电流状态, 极 管 曲线接近直线 反向电压不大时, 存在漏电流 反向电压超过某一 值时出现击穿,相应 电压即为击穿电压 U Z 齐纳击穿 雪崩击穿
SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)中 二极管的主要参数如下表所示:
第 三 节 : 二 极 管
特种二极管:稳压二极管
稳压二极管利用PN结的反向击穿特性 而制成。除用于稳压电源和限幅电路 外,还用于要求直流电阻远大于微变 电阻的场合 主要参数:
杂质半导体-P型半导体
在本征半导体中掺入 少量的三价元素,即 可形成P型半导体 此时的杂质元素很容 易贡献出空位。在该 空位被自由电子或邻 近原子的价电子填补 后,杂质原子成为正 离子,故称为“受主杂 质” P型(空穴型)半导体中空穴居多数,故 称为“多数载流子”(多子);自由电子 被称为“少数载流子”(少子)
三个掺杂区、三个电极、两个PN结 结构特点:
三极管符号中的箭头方向是由P型半 导体指向N型半导体
基区很薄,掺杂浓度很低 发射区掺杂浓度很高 集电区的面积比发射区的面积大很多
三极管的工作状态
根据三极管两个PN结电压的不同,可 将三极管的工作状态分为四类,如下 表所示:
第 四 节 : 三 极 管
PN结外加直流(缓变)正向电压时的电流 外加电压的极性与势垒 第 二 的极性相反 节 两个区的多子均趋向势 : 垒区,并与该区的部分 结 正、负离子中和,从而 使得势垒降低 势垒降低后形成了较大 的扩散电流 此时的外加电压称为正 向电压,正向电压下的 电流称为正向电流,正 向电流随正向电压的增 大而增大
第 一 节 : 半 导 体 基 础 知 识
半导体内的电流
半导体中除了自由电子运动形成电 流以外,还有空穴运动形成电流。空 扩散运动方向 E 穴运动实际上是价电子运动 A I 半导体中的载流子运动包括两种: 由于电场直接作用而形成载流子移 动的电流称为漂移电流 p(x) 由于载流子浓度差而形成载流子移 动的电流称为漂移电流 半导体中的电流是以上两种电流之 和 V
放大状态下的三极管:截止状态下的三极管
注意:虽然在理 第 四 论上的临界情况 节 : 是发射结电压为0, 三 但实际上当发射 极 管 结正向电压还未 减到0时,越过发 射结扩散至基区 的载流子就已经 很少了。此时器 件的工作状态实 际上接近截止
放大状态下的三极管:饱和状态下的三极管
注意:虽然在理 第 四 论上的临界情况 节 : 是集电结电压为0, 三 但实际上当集电 极 结加有不大的正 管 向电压时,由于 从集电区向基区 扩散的载流子很 少,结电压对电 流的控制作用和 放大状态更为接 近
二极管的特性:二极管的电阻
在确定二极管等效电阻时:
必须考虑二极管的工作状态及工作点 必须将微变电阻和直流电阻区别开来 直流电阻 RD U / I 微变电阻 rd UT / I
第 三 节 : 二 极 管
故:
26(mV ) 室温下,有 rd I
二极管为非线性电阻 正向电阻随工作点电 流增大而减小 正向直流电阻大于微 变电阻
U UT
if (U 0&U 100mV ) I I S
PN结的温度特性
温度升高时:
反向饱和电流增大 温度每升高10℃,反向饱和电流加倍 势垒下降 温度每升高1℃,势垒降低约2mV
第 二 节 : 结
PN
PN结单向导电性总结:
无外加电压时,结内扩散电流与飘移电 流形成动平衡,总电流为0 正偏时势垒降低,扩散电流及总电流随 偏压升高而增大 反偏时势垒增高,扩散电流随偏压升高 而减小并趋于0,总电流趋于不变 PN结具有满足指数规律的伏安特性
掺杂 热敏效应 光电效应
第 一 节 : 半 导 体 基 础 知 识
本征半导体中的共价键结构 没有杂质且晶体结构完整的半导体 被称为本征半导体 在晶体中,每两个 原子都公用一对价 电子,形成共价电 子对,这种结构称 为共价键结构
第 一 节 : 半 导 体 基 础 知 识
半导体中的两种载流子(一)
三极管外加电压对电流的控制的机理不 同于导体中电压对电流的控制 PN结外加足够大的反向电压时可使扩散 电流消失;正常运用时,PN结外加正向电 压时一般并不能达到使反向漂移电流消失 的程度 当PN结被加上不大的正向电压(小于文 献中所称的导通电压U D )时,扩散作用十 分微弱,这就使得理论上的放大状态与截 止状态的分界线、放大状态与饱和状态的 分界线与实际情况有所不同
第 三 节 : 二 极 管
特种二极管:光电二极管
利用光电效应及某些半导体材料可在 自由电子与空穴复合时发光的特性, 可制成光电二极管
第 三 节 : 二 极 管
发光二极管(LED):将电能转换成光能 光敏二极管(Photodiode):将光能转换 成电能
三极管的结构和符号
第 四 节 : 三 极 管
稳定电压 U Z 稳定电流 I Z 额定功耗 PZM 微变电阻 rz
第 三 节 : 二 极 管
特种二极管:肖特基二极管
肖特基(Schottky)二极管是由金属硅结构成的二极管,其正极是金属, 负极是N型硅 肖特基二极管的伏安特性与PN 结类似,区别在于:
肖特基二极管适用于高速高频 电路 肖特基二极管的正向导通电压 和反向击穿电压均较低 肖特基二极管的体电阻小于普 通二极管
二极管的特性:二极管的主要参数 反向击穿电压 U BR 正向直流电压 U F
指在工作额定电流下的直流电压 正向导通平均耗散功率 PFT ( AV ) 指正向导通时二极管两端电压与通 过电流乘积的平均值
指反向电流明显增大,超过某规定 值时的反向电压
第 三 节 : 二 极 管
二极管的特性:二极管的SPICE模型参数
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