第七章半导体器件基础

1 m+2
Cj =
εε 0 S
d
=
C0 V 1 + V D
n
1 变容二极管指数： n = m+2
C ~ V特性
电路与电子学基础
m -13/7 -3/2 -1 0 1 2 3 4 n 7 2 1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 势垒电容 PN结类型 超突变结
Cj =
C0 V 1 + V D
电路与电子学基础
第七章 半导体器件基础
7.1 半导体的基本知识 7.2 半导体二极管 7.3 半导体三极管 7.4 晶体管的主要参数 7.5 场效应晶体管
电路与电子学基础
7.1 半导体的基本知识
• 电阻率介于10e-3∼10e8Ω.cm，可变化区间大， 电阻率介于10e- 10e8Ω.cm，可变化区间大， 10e 介于金属（10e-6Ω.cm～10e-3Ω.cm） 介于金属（10e-6Ω.cm～10e-3Ω.cm）和绝缘体 10e8Ω.cm～10e20Ω.cm） （10e8Ω.cm～10e20Ω.cm）之间 • 热敏性：纯净半导体负温度系数，掺杂半导体在 热敏性：纯净半导体负温度系数， 一定温度区域出现正温度系数 • 光敏性：具有光敏性，用适当波长的光照射后， 光敏性：具有光敏性，用适当波长的光照射后， 材料的电阻率会变化， 材料的电阻率会变化，即产生所谓光电导 • 掺杂性：半导体中存在着电子与+ +
多子扩散电流
电路与电子学基础
补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄， 补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E 少子飘移 又失去多子，耗尽层宽， 又失去多子，耗尽层宽，E 多子扩散
内电场E
P型半导体 － － － － － － － － － － －
耗尽层
N型半导体 + + + + + + + + +
+ + +
1 + ω 2 C j Rs R p
角频率ω =2 π f 二极管电阻Rp ~M 串联电阻Rs ~ 二极管电容Cj ~ pf
Q=
低频 ω ≤ MHz (106 Hz ) :
Q ≈ ω C j Rp
由Rp决定，反压V 增加，d 增加，Cj 减小，Q 下降。由Q =1得低频截止频率：
1 fL = 2π Cj Rp
最大稳定 稳压管允许通过的最 值，否则稳压管会因为电 大反向电流 电流
流过大而发热损坏 实际电流小于此值时，稳 最小稳定 稳压管进入正常稳压 压管因未进入到击穿状态 状态所必须的电流 电流 而不能起到稳压作用
电路与电子学基础
主要参数
最大耗散 功率
概念
补充说明
稳压管在反向击穿时，PN 实际的耗散功率一定 结所能承受的最大功率值 要小于最大耗散功率
P
R
空 间 电 荷 区
N
－ － －
－ － －
－ － －
－ － －
+ + +
+ + +
+ + +
+ + IR +
内电场 E
EW
R
电路与电子学基础
IF（多子扩散） 多子扩散） 反向饱和电流 反向击穿电压 正偏
反偏 反向击穿 IR（少子漂移） 少子漂移）
电击穿——可逆 可逆 电击穿 热击穿——烧坏 结 烧坏PN结 热击穿 烧坏
当流过稳压管的电流发生 变化时，它两端的电压变 动态电阻越小，稳定 动态电阻 化量ΔVZ与电流变化量ΔIZ 性能越好 之比 电压温度 系数 电压温度系数越小， 其稳压管的稳定性能 温度每变化1℃，稳压管稳 越好 定电压的相对变化量
稳压二极管的主要特性
∇VZ XZ = .100% VZ ∇T
电路与电子学基础
电路与电子学基础
发光二极管 1、工作原理
将电能变成光能的特殊器件； PN结加正向电压，使P区的空穴 注入到N区，N区的电子注入到P区， 运动中电子和空穴产生复合； 非平衡少子复合，放出能量hν (一 个光子)，产生辐射发光。
●
EC hν
。
EV
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特性参数
发光强度 发光光谱 发光波长
说明
A(+) K(-)
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PN结势垒电容
平行板电容：
C j (V ) =
εε 0 S
d (V )
S：面积，d：耗尽层宽度， (ε0) ε：(真空）介电常数。
C
j
可变电容：
随外加电压变化， 耗尽层宽度变化， 电容变化。
0
V
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C ~ V特性
杂质浓度指数分布： N (V ) = Ax m
电路与电子学基础
光敏二极管 1、结构和工作原理
将光信号转变为电信号的特殊器件， PN结很浅，且在管壳上有光入射窗 口，光透过窗口透镜聚焦在管芯上； 在反向电压下工作，无光照射时反 向电阻很大，电流很小； 光照时，电子吸收光能被激发产生 电子-空穴对，在反向电压作用下， 光生载流子导电，(光)电流显著增 加，大小与光照的强度和波长有关。
A：系数 m：杂质指数
解泊松方程求得空间电荷区宽度：
(m + 1)(m + 2 )εε 0 (V + VD ) d (V ) = qA
V：外加电压
1 m+2
VD：接触电势差
电路与电子学基础
外加电压为 0 时的势垒电容：
qA C0 (V = 0 ) = εε 0 S (m + 1)(m + 2 )εε 0VD
功耗
响应时间
电路与电子学基础
3、发光二极管的种类
红外光：砷化镓(GaAs)发光二极管 可见光：红色：磷砷化镓(GaAsP)发光二极管 绿色：磷化镓(GaP)发光二极管 红～黄色：磷化镓(GaP)+锌(Zn)发光二极管
4、发光二极管的特点与用途
特点：体积小，功耗低，寿命长，响应快，机械强度 高，能和各种电路相结合。 用途：高速开关光源，光通信和测距的光源，光电自 动控制系统和光电显示装置的光电控制和显示器件。
a. 随电流增大成比例增大，不同材料的管子工作电流 不同； b. 随PN结温度升高而下降。 决定了发光二极管的发光颜色。 a. 决定于所使用的材料，不同材料的电子和空穴复合 时放出的能量不同，能量越大，发出的光波长越短， 频率越高； b. 与制造时PN结掺杂浓度有关。 最大功耗不得超过二极管的规定值，实际上发光效率 仅有百分之几。 光信号随电信号变化的快慢，即启亮和熄灭的延迟时 间；启亮特性与工作电流IF有关，随IF增大，启亮时 间呈指数衰减，而熄灭时间与IF无关
n
突变结 线性缓变结 超缓变结
C ~ V特性
电路与电子学基础
变容二极管的优值
Wc 优质定义： Q = 2π Wr
等效电路：
Ls：串联电感 Rp：二极管电阻 Cp：管壳电容 Rs：串联电阻 A Ls
Wc：存贮能量Cj Wr ：一个周期消耗能量
D Cj Rp Cp Rs B
电路与电子学基础
ω C j Rp
不同型号的管子VZ值不 同，即使同一型号的管子 也具有一定的离散性。如 2CW21A的稳压值是4~4.5V 这个参数仅供参考，实际 中要根据具体情况而定 稳压管在工作时应小于此 稳压管的反向击穿电 稳定电压 压 即，稳压管正常工 作时两端所具有的电 (VZ) 压 稳定电流 稳压管两端保持正常 稳定电压值时制造厂 (IZ) 的测试电流
变容二极管的优值
电路与电子学基础
高频 ω ≥ 10GHz(1010 Hz ) :
Q= 1
ω C j Rs
由Rs决定，反压V 增加，d 增加，Rs、Cj 减小， Q 增加。由Q =1得低频截止频率：
1 fH = 2π Cj Rs
dQ = 0 求出 由 dω
1 在 ω = ωm = Cj
1 时 Rs Rp
最大优值：
1 Rp Qm = Rs 2
变容二极管的优值
Qm由Rp、Rs决定，与Cj无关，~103数量级。
电路与电子学基础
双变容二极管
A SiO 2 P N C CH CL V1 V2 V
j
C = C MOS // C j
A CMOS C
j
Al
=
C MOS C j C MOS + C j
B
B
V< V1, CMOS << Cj , C = CMOS V >V2, CMOS >> Cj , C = Cj V1< V< V2, CMOS ~ Cj , CMOS ~ Cj , C变化大
hν
●
EC
EV
电路与电子学基础
2、光敏二极管的特性
特性参数
最高工作 电压VRmax
概念
硅光敏二极管在无光照条 件下，反向漏电流不超过 一定值(一般0.1 μA)时所 承受的最高反向电压 光敏二极管在无光照时和 最高工作电压下通过光敏 二极管PN结测得的反向 漏电流 硅光敏二极管在最高工作 电压下受一定光照时所产 生的电流
+
u
i
i
正偏
反偏
+
u
u
i
-
电路与电子学基础
稳压二极管
I
利用二极管的击穿性质工作； V<VB时，反向电流很小； V=VB时，反向电流将很快 增大，电流小于最大允许电 流，二极管可以安全工作；
VB V
IR 0 VS
电流变化大，电压变化很小， 达到稳压的目的。
电路与电子学基础
稳压二极管的主要特性
主要参数 概念 补充说明