第一章 半导体器件 模电教师教案_电工学第一章教案

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模拟电子技术

教案

授课人：王旭东

第一章 半导体器件

课时分配: 6学时

目的要求：了解半导体二极管；稳压管；晶体管和MOS场效应管的工作原理和主要参数。

重 点：PN结的单向导电特性；二极管的伏安特性曲线；三极管的电流分配方式和电流放大作用。

难 点：二极管的基本电路及分析方法；二极管的伏安特性曲线；三极管的电流分配方式和电流放大作用。

教 学

方法手段: 结合多媒体电子课件, 启发式、互动式讲解；屏幕投影、黑板、模型实物及实物投影四体合一课堂教学手段；理论讲解和电路仿真同步。

教 具： 电子课件、计算机、投影、电子展台。

新 授： 0 引言

模拟电子电路的核心是半导体器件，而半导体器件是由半导体材料制成的。因此，我们必须首先了解半导体的有关知识，尤其应当了解半导体的导电特性。1.1 半导体的特性

物质按其导电能力的强弱，可分为导体、绝缘体和半导体。

一、导体

导电能力很强的物质，叫导体。如低价元素铜、铁、铝等。

二、绝缘体

导电能力很弱，基本上不导电的物质,叫绝缘体.如高价惰性气体和橡胶、陶瓷、塑料等高分子材料等.三、半导体

导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，叫半导体。如硅、锗等四价元素，其简化原子结构模型如图1.1.1所示。

为什么物质的导电能力有如此大的差别呢？这与它们的原子结构有关，即与它们的原子最外层的电子受其原子核束缚力的强弱有关。1.1.1 本征半导体

纯净且呈现晶体结构的半导体，叫本征半导体。

一、本征半导体结构

通过特殊工艺加工，可以使硅或锗元素的原子之间靠共有电子对—共价键，形成非常规则的晶体点阵结构。结果每个原子外层相对排满８个电子，形成相对稳定的状态。这种结构整齐且单一的纯净半导体，叫本征半导体。如图1.1.3所示

二.本征激发

在常温下，由于热能的激发，使本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子。同时，在共价键中留下一个空位，叫空穴。这种产生自由电子和空穴对的现象，叫本征激发。温度一定，自由电子和空穴对的浓度也一定。

由于本征激发而在本征半导体中存在一定浓度的自由电子（带负电荷）和空穴（带正电荷）对，故其具有导电能力，但其导电能力有限。1.1.3 杂质半导体

在本征半导体中掺入适量且适当的其他元素（叫杂质元素），就形成杂质半导体，其导电能力将大大增强。

一、Ｎ型半导体

在硅或锗本征半导体中掺入适量的五价元素（如磷），则磷原子与其周围相邻的四个硅或锗原子之间形成共价键后，还多出一个电子，这个多出的电子极易成为自由电子参与导电。同时,因本征激发还产生自由电子和空穴对。结果,自由电子成为多数载流子(称多子),空穴成为少数载流子(称少子)。这种主要依靠多数载流子自由电子导电的杂质半导体，叫N型半导体，如图1.1.4所示。

二、P型半导体

在硅或锗本征半导体中，摻入适量的三价元素（如硼），则硼原子与周围的四个硅或锗原子形成共价键后，还留有一个空穴。同时，因本征激发 还产生自由电子和空穴对。结果，空穴成为多子，自由电子成为少子。这种主要依靠多子空穴导电的杂质半导体，叫P型半导体。如图1.1.5所示。

无外电场作用时，本征半导体和杂质半导体对外均呈现电中性，其内部无电流。

本征半导体、P型和N型半导体都不能单独构成半导体器件，PN结才是构成半导体器件的基本单元。1.2 半导体二极管

半导体二极管是利用杂质半导体做成的。1.2.1 PN结的形成一、多数载流子的扩散

在P型和N型半导体交界面两侧,电子和空穴的浓度差很大。在浓度差的作用下，P区中的多子空穴向N区扩散,在P区一侧留下杂质负离子,在N区一侧集中正电荷;同时，N区中的多子自由电子向P区扩散，在N区一侧留下杂质正离子，在P区一侧集中负电荷。结果，在P型和N型半导体交界面处形成空间电荷区，自建内电场ε内（从N区指向P区），如图1-6所示。

二、少数载流子的漂移

在内电场的作用下，P区中的少子自由电子向N区漂移，而N区中的少子空穴向P区飘移，使内电场削弱。

三、扩散与漂移的动态平衡 当内电场达到一定值时，多子的扩散运动与少子的漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区不再变化，这个空间电荷区，就称为PN结。

空间电荷区无载流子停留，故曰耗尽层，又叫阻挡层或势垒层。无外电场作用时，PN结内部虽有载流子运动，但无定向电流形成。1.2.2 PN结的单向导电特性

一、PN结加正向电压

PN结加正向电压（正偏）时，外电场与内电场反方向，使空间电荷区变窄，多子的扩散运动远大于少子的漂移运动，由浓度大的多子扩散形成较大的正向电流，PN结处于导通状态。此时，其正向通态电阻很小，正向通态管压降也很小。

二、PN结加反向电压

PN结加反向电压（反偏）时，外电场与内电场同方向，使空间电荷区变宽，多子扩散运动大大减弱，而少子的漂移运动相对加强，由浓度很小的少子漂移形成很小的反向饱和电流IS,PN结处于截止状态。此时，反向电阻很大。

PN结正偏时导通，反偏时截止，故具有单向导电特性。其特性曲线如 图1-8所示，电压U与电流I的关系式为

ID=IS（e1）

三、反向击穿

当PN结所加反向电压达到UB时，其反向电流急剧增加，叫反向击穿，UB叫击穿电压。

PN结有雪崩击穿和齐纳击穿两种击穿状态。无论处于何种击穿时，反向电流只要不超过允许值，去掉反向电源后，仍能恢复单向导电性。

四、PN结的电容效应 1.势垒电容CT 当PN结的反偏电压变化时，空间电荷区随之变宽（相当于充入电荷）或变窄（相当于放出电荷），故具有电容效应，叫势垒电容，用CT表示。2.扩散电容CD 当PN结的正偏电压变化时，P区和N 区中多子的浓度和浓度梯度均随之变化，也具有一定的电容效应，叫扩散电容，用CD表示 3.PN结的结电容CJ CJ=CT+CD

正偏时，CD起主要作用；反偏时，CT起主要作用。1.2.3 半导体二极管一、二极管的结构

给PN结加上两个引线（管脚）和管壳即成二极管，接P区的管脚称阳极，接N区的管脚称阴极。

二、二极管的类型 1.按结构区分

点接触型：PN结面积小，工作电流小，PN结电容小，工作频率高。面接触型：PN结面积大，工作电流大，PN结电容大，工作频率低。2.按工作频率区分 有高频管和低频管。3.按功率区分

有大功率管和小功率管。4.按用途区分

有普通管、整流管、稳压管、开关管等等。

三、二极管的特性

1.正向特性，与PN结相同 UPUT2.反向特性，与PN结相同 3.击穿特性，与PN结相同

4.温度特性，温度升高时，二极管的正反向特性曲线均向纵轴靠近。

四、主要参数

1.最大整流电流IF，又叫额定电流。2.最大反向工作电压UR，又叫额定电压。3.反向饱和电流IS。

4.反向电流IR，二极管未击穿时的电流值。5.最高工作频率fM。

6.直流电阻RD：RD=UD/IF，如图1-14所示。

7.交流电阻rd：RD=ΔUD/ΔID=dud/did,如图1-15所示。

rd系指某一工作点的动态电阻。常温下，rd=UT/ID=26(mv)/IDQ IDQ为直流工作点的电流，单位为mA 1.2.4 稳压二极管

一、结构

结构与普通二极管相似，只是掺杂浓度比普通二极管大得多，通常为硅材料稳压二极管。

二、特性

正向特性曲线与普通二极管的正向特性曲线相似；反响未击穿的特性曲线与普通二极管的反向击穿时的特性曲线相似。但稳压二极管的反向击穿特性曲线很陡。如图1-16所示。

三、参数

1.稳定电压UZ 2.稳定电流IZ 3.额定功率PZ

4.动态电阻rZ，rZ=ΔUZ/ΔIZ，rZ很小。

5.电压温度系数α。α=ΔUZ/Ut × 100%。UZ>7V时，α为正温度系数；UZ

一、发光二极管

将电能转换为光能的半导体器件。正偏时，有正向电流通过而发光，其正向通态管压降为1.8—2.2V.二、光电二极管

将光能转换为电能的半导体器件。反向偏置下，当光线强弱改变时，光电二极管的反向电流随之改变。

三、光电耦合器

光电耦合器由光电二极管和发光二极管组合封装而成。发光二极管为输入端，光电二极管输出端。

四、变容二极管

变容二极管的势垒电容随外加反向电压变化而变化。1.3 双极型三极管

半导体三极管又称为晶体管或双极性三极管，是组成各种电子电路的核心器件。

1.3.1 三级管的结构和类型

一、结构

三极管有两个结，三个电极，三个区组成。

两个结：发射结和集电结

三个极：发射极E，基极B，和集电极C 三个区：发射区；参杂浓度大。

基区；很薄，参杂浓度很小。

集电区:参杂浓度小，但面积大。

这种特殊结构是三极管具有电流放大作用的内部依据。

二、类型

1.按结构区分：有NPN型和PNP型。2.按材料区分：有硅三极管和锗三极管。

3.按工作频率区分：有高频三极管和低频三极管。4.按功率大小区分：有大功率三极管和小功率三极管。

三、工作条件 三极管有电流放大作用大外部条件。

1.NPN型三极管：VC>VB>VE

2.PNP型三极管：VC

1.共发射极接法：发射极为交流输入和输出信号的公共端。2.共集电极接法：集电极为交流输入和输出信号的公共端。3.共基极接法： 基极为交流输入和输出信号的公共端。1.3.3 三极管的电流放大原理

一、载流子传输过程

以NPN型三极管为例进行分析。

1.发射。发射结正偏，发射区中的多子电子大量地向基区扩散，形成发射极电流。

2.复合。从发射区扩散到基区的电子，很少一部分与基区中的空穴相复合，形成基极电流的主要部分ICN。

3.收集。从发射区扩散到基区的电子，除很少部分被复合掉外，绝大部分电子向集电结扩散，且在集电结反偏电压的作用下，迅速漂移过集电结被集电区所收集，形成集电极电流的主要部分。同时，集电区少子空穴在集电结反偏电压的作用下向基区漂移，形成集电结反向饱和电流ICBO，它是集电极电流的极小部分，也是基极电流的一部分。如图1-32所示。

二、各极电流的关系

IC=ICN+ICBO ICN=IC-ICBO IB=IBN-ICBO IBN=IB+ICBO IE≈ICN+IBN=IC-ICBO+IB+ICBO IE=IC+IB

三、电流放大系数 1.直流电流放大系数β

β=ICN/IBN=(IC-ICBO)/(IB+ICBO)≈IC/IB(IC>>IB>>ICBO)2.交流电流放大系数β β≈ΔIC/ΔIB

3.穿透电流ICEO ICEO=(1+β)ICBO

1.3.4 三极管的特性曲线

一、输入特性

iB=f(ube)∣UCE=常数

1.UCE =0V时

三极管的输入特性曲线，相当于二级管的正向特性曲线，如图1-34所示。2.UCE =1V时

三极管的输入特性曲线将向右移。3.UCE >1V时

三极管的特性曲线几乎与UCE =1V时的输入特性曲线重合。

二、输出特性

iC=f(uCE)∣IB=常数

输出特性曲线有三个主要区域。如图1-35所示。1.截止区

UBE≤0V,IB≤0,IC=ICEO,三极管几乎不导通，叫截止状态。2.放大区

UBE>0.5—0.7（硅管）,UBE>0.1—0.3V(锗管)，UCE>>UBE,当UCE不变时，IC=βIB 3.饱和区

UBE>0.5—0.7（硅管）,UBE>0.1—0.3V(锗管)，UCE0 , UCES=0.3v(硅管), UCES =0.1v(锗管).1.3.5 三极管的主要参数

一、电流放大系数

β=ΔIC/ΔIB∣UCE=常数

二、极间反向电流

ICBO

ICEO=(1+β)ICBO

三、极限参数

1.集电极最大允许电流ICM 2.集电极最大允许功率损耗PCM

PCM=UCEIC 3.反向击穿电压

BUCBO>BUCEO>BUEBO

为了安全起见，应使三极管的UCE

四、温度对三极管参数的影响

1.对VBE有影响

2.对ICBO和ICEO有影响 3.对β有影响

如温度升高时，VBE↓,ICBO↑,ICEO↑,β↑；反之，亦反之。1.4 场效应三极管

场效应管(简称FET)是一种电压控制(电场效应控制)器件(uGS~ iD)，工作时，只有一种(多数)载流子参与导电，因此它是单极型器件。

场效应管分为两大类：绝缘栅场效应管和结型场效应管。1.4.1 结型场效应管

一、结构

在一块N型半导体的两边利用杂质扩散出高浓度的P型区域,用P+表示,形成两个P+N结。

N型半导体的两端引出两个电极，分别称为漏极D和源极S。把两边的P区引出电极并连在一起称为栅极G。

二、工作原理

首先，假如在G—S间加上反向电压VGS，则PN结反向偏置。显然,改变VGS将改变耗尽层的宽度。

其次，由于PN结两边，P区掺杂浓度很高，N区掺杂浓度相对较低；PN结中N区一侧的正离子数与P区一侧的负离子数相等，因而交界面两侧的宽度并不相等。掺杂程度低的N沟道层宽比P区层宽大很多。

故此,可以认为,当耗尽层展宽时主要向着导电沟道的一侧。

UGS、UDS影响ID电流的大小。VGS越负，沟道越窄，VGD越负，沟道越窄。

三、特性曲线

JFET的特性曲线有两条：转移特性曲线和输出特性曲线。

转移特性描述栅源电压UGS对漏极电流ID的控制作用。转移特性有两个重要参数：夹断电压UP和饱和漏极电流IDSS。

输出特性描述当栅源电压UGS不变时，漏极电流ID与漏源电压UDS的关系。

1.4.2 绝缘栅型场效应管(IGFET)分为：

增强型  N沟道、P沟道 耗尽型  N沟道、P沟道

一、N沟道增强型MOS管

1.结构

四个电极：漏极D，源极S, 栅极G和 衬底B。

2.工作原理

①栅源电压UGS的控制作用

②漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用 3.特性曲线

①输出特性曲线： ID=f(UDS)UGS=const ②转移特性曲线： ID=f(UGS)UDS=const 4．重要参数--跨导gm gm=iD/uGSuDS=const(单位mS)gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用.在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。

二、N沟道耗尽型MOSFET 在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当UGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。特点：当UGS=0时,就有沟道，加入UDS，就有ID。

三、P沟道MOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。

四、例题

例1.4.1 绝缘栅场效应管工作状态分析 1.4.3 场效应管的主要参数

一、直流参数

二、交流参数

三、极限参数

课堂讨论：

1.何谓本征半导体？其导电能力由什么因素决定。2.P型和N型半导体的特点？

3.半导体的导电能力与哪些因素有关？ 4.三极管如何实现放大功能？ 5.场效应管与三极管如何区分？

小

结：

1．半导体材料中有两种载流子：电子和空穴。电子带负电，空穴带正电。在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到N型半导体和P型半导体。

2．采用一定的工艺措施，使P型和N型半导体结合在一起，就形成了PN结。PN结的基本特点是单向导电性。

3．二极管是由一个PN结构成的。其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述。在研究二极管电路时，可根据不同情况，使用不同的二极管模型。

4．BJT是由两个PN结构成的。工作时,有两种载流子参与导电，称为双极性晶体管。BJT是一种电流控制电流型的器件,改变基极电流就可以控制集电极电流。BJT的特性可用输入特性曲线和输出特性曲线来描述。其性能可以用一系列参数来表征。BJT有三个工作区：饱和区、放大器和截止区。

5．FET分为JFET和MOSFET两种。工作时只有一种载流子参与导电，因此称为单极性晶体管。FET是一种电压控制电流型器件。改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。FET的特性可用转移特性曲线和输出特性曲线来描述。其性能可以用一系列参数来表征。

布置作业:P45-1.3 P46-1.4；1.5；1.8 P47-1.12；1.13 P48-1.15 P49-1.19