常用半导体器件教案

第一章 常用半导体器件1.1 半导体基础知识1.1.1 本征半导体一、半导体1． 概念：导电能力介于导体和绝缘体之间。

2． 本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。

二、本征半导体的晶体结构（图1.1.1）1． 晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵。

2． 共价键三、本征半导体中的两种载流子（图1.1.2）1． 本征激发：在热激发下产生自由电子和空穴对的现象。

2． 空穴：讲解其导电方式；3． 自由电子4． 复合：自由电子与空穴相遇，相互消失。

5． 载流子：运载电荷的粒子。

四、本征半导体中载流子的浓度1． 动态平衡：载流子浓度在一定温度下，保持一定。

2． 载流子浓度公式：)2/(2/31kT E i i GO e T K p n -==自由电子、空穴浓度（cm－3），T 为热力学温度，k 为波耳兹曼常数（K eV /1063.85-⨯），E GO 为热力学零度时破坏共价键所需的能量（eV ），又称禁带宽度，K 1是与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量。

1.1.2 杂质半导体一、概念：通过扩散工艺，掺入了少量合适的杂质元素的半导体。

二、N 型半导体（图1.1.3）1． 形成：掺入少量的磷。

2． 多数载流子：自由电子3． 少数载流子：空穴4． 施主原子：提供电子的杂质原子。

三、P 型半导体（图1.1.4）1． 形成：掺入少量的硼。

2． 多数载流子：空穴3． 少数载流子：自由电子4． 受主原子：杂质原子中的空穴吸收电子。

5． 浓度：多子浓度近似等于所掺杂原子的浓度，而少子的浓度低，由本征激发形成，对温度敏感，影响半导体的性能。

1.1.3 PN 结一、PN 结的形成（图1.1.5）1． 扩散运动：多子从浓度高的地方向浓度低的地方运动。

2． 空间电荷区、耗尽层（忽视其中载流子的存在）3． 漂移运动：少子在电场力的作用下的运动。

在一定条件下，其与扩散运动动态平衡。

4． 对称结、不对称结：外部特性相同。

二、PN 结的单向导电性1． PN 结外加正向电压：导通状态（图1.1.6）正向接法、正向偏置，电阻R 的作用。

（解释为什么Uho 与PN 结导通时所表现的外部电压相反：PN 结的外部电压为U 即平时的0.7V ，而内电场的电压并不对PN 结的外部电压产生影响。

）2． PN 结外加反向电压：截止状态（图1.1.7）反向电压、反向偏置、反向接法。

形成漂移电流。

三、PN 结的电流方程1． 方程（表明PN 结所加端电压u 与流过它的电流i 的关系）：)1(-=T U uS e I i qkT U T = q 为电子的电量。

2． 平衡状态下载流子浓度与内电场场强的关系：3． PN 结电流方程分析中的条件：4． 外加电压时PN 结电流与电压的关系：四、PN 结的伏安特性（图1.1.10）1． 正向特性、反向特性2． 反向击穿：齐纳击穿（高掺杂、耗尽层薄、形成很强电场、直接破坏共价键）、雪崩击穿（低掺杂、耗尽层较宽、少子加速漂移、碰撞）。

五、PN 结的电容效应1． 势垒电容：（图1.1.11）耗尽层宽窄变化所等效的电容，C b （电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充放电过程相同）。

与结面积、耗尽层宽度、半导体介电常数及外加电压有关。

2． 扩散电容：（图1.1.12）（1） 平衡少子：PN 结处于平衡状态时的少子。

（2） 非平衡少子：PN 结处于正向偏置时，从P 区扩散到N 区的空穴和从N 区扩散到P 区的自由电子。

（3） 浓度梯度形成扩散电流，外加正向电压增大，浓度梯度增大，正向电流增大。

（4） 扩散电容：扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容器充放电过程相同。

i越大、τ越大、U T 越小，Cd 就越大。

（5） 结电容d b j C C C += pF 级，对于低频忽略不计。

1.2 半导体二极管（几种外形）（图1.2.1）1.2.1 半导体二极管的几种常见结构（图1.2.2）一、点接触型：电流小、结电容小、工作频率高。

二、面接触型：合金工艺，结电容大、电流大、工作频率低，整流管。

三、平面型：扩散工艺，结面积可大可小。

四、符号1.2.2 二极管的伏安特性一、二极管的伏安特性1．二极管和PN结伏安特性的区别：存在体电阻及引线电阻，相同端电压下，电流小；存在表面漏电流，反向电流大。

2．伏安特性：开启电压（使二极管开始导通的临界电压）（图1.2.3）二、温度对二极管方案特性的影响1．温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。

2．室温时，每升高1度，正向压降减小2～2.5mV；每升高10度，反向电流增大一倍。

1.2.3 二极管的主要参数一、最大整流电流I F：长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。

二、最高反向工作电压U R：工作时，所允许外加的最大反向电压，通常为击穿电压的一半。

三、反向电流I R：未击穿时的反向电流。

越小，单向导电性越好；此值对温度敏感。

四、最高工作频率f M：上限频率，超过此值，结电容不能忽略。

1.2.4 二极管的等效电路一、二极管的等效电路：在一定条件下，能够模拟二极管特性的由线性元件所构成的电路。

一种建立在器件物理原理的基础上（复杂、适用范围宽），另一种根据器件外特性而构造（简单、用于近似分析）。

二、由伏安特性折线化得到的等效电路：（图1.2.4）1．理想二极管：注意符号2．正向导通时端电压为常量3．正向导通时端电压与电流成线性关系4．例1（图1.2.5）三种不同等效分析：（1）V远远大于U D，（2）U D变化范围很小，(3)接近实际情况。

5．例2（图1.2.6）三、二极管的微变等效电路（图1.2.7）（图1.2.8）（图1.2.9）动态电阻的公式推倒：1.2.5 稳压二极管一、概念：一种由硅材料制成的面接触型晶体二极管，其可以工作在反向击穿状态，在一定电流范围内，端电压几乎不变。

二、稳压管的伏安特性：（图1.2.10）三、稳压管的主要参数1．稳定电压U Z：反向击穿电压，具有分散性。

2．稳定电流I Z：稳压工作的最小电流。

3．额定功耗P ZM：稳定电压与最大稳定电流的乘积。

4．动态电阻r Z：稳压区的动态等效电阻。

5．温度系数α：温度每变化1度，稳压值的变化量。

小于4V为齐纳击穿，负温度系数；大于7V为雪崩击穿，正温度系数。

四、例（图1.2.11）1.2.6 其他类型二极管一、发光二极管（图1.2.12）可见光、不可见光、激光；红、绿、黄、橙等；开启电压大。

二、光电二极管（图1.2.13）远红外接受管，伏安特性（图1.2.14）光电流（光电二极管在反压下，受到光照而产生的电流）与光照度成线性关系。

三、例（图1.2.15）1.3 双极型晶体管双极型晶体管（BJT: Bipolar Junction Transistor ） 几种晶体管的常见外形（图1.3.1）1.3.1 晶体管的结构及类型（图1.3.2）一、构成方式：同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN 结。

二、结构：1． 三个区域：基区（薄且掺杂浓度很低）、发射区（掺杂浓度很高）、集电区（结面积大）；2． 三个电极：基极、发射极、集电极；3． 两个PN 结：集电结、发射结。

三、分类及符号：PNP 、NPN1.3.2 晶体管的电流放大作用一、放大：把微弱信号进行能量的放大，晶体管是放大电路的核心元件，控制能量的转换，将输入的微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。

二、基本共射放大电路（图1.3.3）1． 输入回路：输入信号所接入的基极－发射极回路；2． 输出回路：放大后的输出信号所在的集电极－发射极回路；3． 共射放大电路：发射极是两个回路的公共端；4． 放大条件：发射结正偏且集电结反偏；5． 放大作用：小的基极电流控制大的集电极电流。

三、晶体管内部载流子的运动（图1.3.4）分析条件0=∆I u1． 发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流I E ，空穴电流I EP 由于基区掺杂浓度很低，可以忽略不计；EP EN E I I I +=2． 扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成电流I BN ；3． 集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流I C ，其中非平衡少子的漂移形成I CN ，平衡少子形成I CBO 。

4． 晶体管的电流分配关系：CBO CN C I I I +=， CBO BCBO EP BN B I I I I I I -'=-+=，C B E I I I +=四、晶体管的共射电流放大系数1． 共射直流电流放大系数：CBOB CBOC B CN I I I I I I +-='=β 2． 穿透电流I CEO ：CEO B CBO B C I I I I I +=++=βββ)1( 基极开路时，集电极与发射极之间的电流；3． 集电结反向饱和电流I CBO ：发射极开路时的I B 电流；4． 近似公式：B C I I β≈，B E I I )1(β+≈5． 共射交流电流放大系数：当有输入动态信号时，Bc i i ∆∆=β 6． 交直流放大系数之间的近似：若在动态信号作用时，交流放大系数基本不变，则有CEO B B B CEO B C C C I i I i I I i I i +∆+=∆++=∆+=)(βββ因为直流放大系数在线性区几乎不变，可以把动态部分看成是直流大小的变化，忽略穿透电流，有：ββ≈，放大系数一般取几十至一百多倍的管子，太小放大能力不强，太大性能不稳定；7． 共基直流电流放大系数：E CN I I =α， ααβ-=1， ββα+=1 8． 共基交流电流放大系数：E C i i ∆∆=α，αα≈1.3.3 晶体管的共射特性曲线一、输入特性曲线（图1.3.5）常数==CE uBE B u f i )(，解释曲线右移原因，与集电区收集电子的能力有关。

二、输出特性曲线（图1.3.6）常数==B I CE C u f i )(（解释放大区曲线几乎平行于横轴的原因）1． 截止区：发射结电压小于开启电压，集电结反偏，穿透电流硅1uA ，锗几十uA ；2． 放大区：发射结正偏，集电结反偏，i B 和i C 成比例；3． 饱和区：双结正偏，i B 和i C 不成比例，临界饱和或临界放大状态（0=CB u ）。

1.3.4 晶体管的主要参数一、直流参数1． 共射直流电流系数β2． 共基直流电流放大系数α3． 极间反向电流CBO I二、交流参数1． 共射交流电流放大系数β2． 共基交流电流放大系数α3． 特征频率T f ：使β下降到1的信号频率。

三、极限参数（图1.3.7）1． 最大集电极耗散功率CM P ；2． 最大集电极电流CM I ：使β明显减小的集电极电流值；3． 极间反向击穿电压：晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压，U CBO 几十伏到上千伏、 U CEO 、 U EBO 几伏以下。