1、第2章:半导体器件 p 半导体基本知识（semiconductors）p PN结及二极管（PN junction and diode）p 双极型晶体管（bipolar junction transistor）p 线性：resistors,capacitors,inductorsp 非线性:semiconductorsp 导体：绝缘体：p 介于导体和绝缘体之间的称为半导体p 硅（Si，原子序号14）、锗（Ge，原子序号32）p 二者共同点：最外层轨道上有4个电子（价电子）p 价电子决定着物质的物理和化学性质p 将原子核和内层电子看作一个带有+4电荷的正离子p 一个4价元素的原子由惯性核与4个价电
2、子来表示cm410cm910+42.1 半导体基本知识2.1-1 本征半导体（pure semiconductor）p 硅（或锗）的晶体，相邻原子共有一对价电子：共价键p 半导体的导电能力与温度有很大关系p 温度升高时，价电子摆脱共价键束缚成为自由电子p 电子 空穴对p 载流子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键价电子空穴空穴自由电子自由电子2.1 半导体基本知识2.1-2 杂质半导体（mixed semiconductor）一、N型半导体p 4价晶体中掺入5价元素（如：磷）-施主杂质p 组成共价键后多余出一个电子p 该电子不受共价键束缚，自由电子p
3、电子型半导体（N型）p 多数载流子 电子+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子施主原子施主原子2.1 半导体基本知识2.1-2 杂质半导体（mixed semiconductor）二、P型半导体p 4价晶体中掺入3价元素（如：硼）-受主杂质p 组成共价键后缺少一个电子而形成空穴p 空穴型半导体（P型）p 多数载流子 空穴p 多子浓度不受温度影响+4+4+4+4+3+4+4+4+4空穴空穴受主原子受主原子2.1 半导体基本知识2.2-1 PN结及其单向导电特性p PN结：各种半导体器件的基础p 将P型和N型制作在同一半导体上，交界处：PN结p 浓
4、度高区向浓度低区运动：扩散运动p P区负离子区，N区正离子区：空间电荷区 耗尽层p 产生电位差Uho-电位壁垒（硅：0.7V，锗：0.2V）p 电场产生漂移运动p 扩散运动与漂移运动达到动态平衡P P区区 N N区区空间电荷区空间电荷区 耗尽层耗尽层P P区区 N N区区空穴空穴 负离子负离子 正离子正离子 自由电子自由电子Uho2.2 PN结及二极管2.2-1 PN结及其单向导电特性p PN结加正向电压：P接正极，N接负极p 外电场将多数载流子推向空间电荷区，变窄p 扩散运动加剧，漂移运动减弱p PN结导通，结压降为零点几伏p 限流电阻P P区区 N N区区 空间空间电荷区电荷区Uho 外电
5、场外电场 RV2.2 PN结及二极管2.2-1 PN结及其单向导电特性p PN结加反向电压：N接正极，P接负极p 外电场增强了内电场，使空间电荷区变宽p 阻止扩散运动，加强漂移运动p 形成非常小的漂移电流p PN结截止P P区区 N N区区 空间电荷区空间电荷区Uho 外电场外电场 RV2.2 PN结及二极管2.2-2 PN结的伏安特性 PN结电流方程p 正向特性U较小时，正向电流几乎为0 死区U大于死区电压时，正向电流随电压指数增加p 反向特性反向电压U小于UBR时，反向饱和电流Is很小反向电压U大于UBR时，反向电流急剧增大 击穿UBR 反向击穿电压 雪崩击穿：碰撞电离 齐纳击穿：直接将价
6、电子摆脱共价键束缚)1(/TUUSeIIIsU UBRBRIU U正向特性正向特性反向特性反向特性死区死区2.2 PN结及二极管2.2-3 PN结的电容效应p PN结中的电荷量随外加电压变化而变化 电容的充放电p 势垒电容Cb：空间电荷区的结电容p 扩散电容Cd：多数载流子扩散过程积累p PN结电容Cj=Cb+Cd，正向约为Cd，反向约为Cbp PN结电容量级：pF几百pF，低频可忽略P区区 N区区 L+Dl L Q dQ RVCbV2.2 PN结及二极管2.2-4 二极管的结构p 点接触型：电流小，结电容小，高频p 面结合型：电流大，结电容大，低频p 平面型：扩散法制造，结面积有大有小2.2
7、 PN结及二极管2.2-5 二极管的特性p 实际二极管存在电阻：正向电流小于PN结电流p 存在漏电流：反向电流大于PN结电流p 开启电压UON：Si：0.5V，Ge：0.1Vp 导通电压UD：Si：0.7V，Ge：0.2Vp 反向饱和电流：Si：0.1uA，Ge：0.1mAp 反向击穿电压UBR：几十V几千Vp 温度影响p 二极管主要参数最大整流电流IF：长期工作时容许的最大正向平均电流最高反向工作电压 UR：最大反向工作电压（1/2 UBR）反向电流IR：越小越好，受温度影响大最高工作频率FM：工作的上限频率IsUBRI IU U正向特性正向特性反向特性反向特性UON2.2 PN结及二极管2
8、.2-6 二极管的等效电路-直流通路：2.2 PN结及二极管p 理想模型最简单，但误差最大，当Ui远大于UD时采用；p 折线模型误差最小，但最复杂，精确计算时采用；p 恒压降模型最常用。理想模型UI0恒压降模型UI0UD UI0UDUI折线模型U UD DU UD D R RD D2.2-6 二极管的等效电路 交流通路：2.2 PN结及二极管p 近似可认为：rd微变等效电路只考虑二极管两端的电压在某一固定值附近作微小变化时引起的电流变化，可用曲线在该固定值处的切线来近似表示这一小段曲线，而将二极管等效成一个微变等效电阻rdUI0UI0drTUUTSUUSdUIeUIdUeIddUdIUIrTT)1(1 例：UD=0.7V，估算开关断开和闭合时的Uo开关断开时，二极管导通：Uo=V1-UD=5.3V开关闭合时，二极管截止：Uo=V2=12VUoRDV16VV212V2.2 PN结及二极管
