第01章 常用半导体器件
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常用半导体器件
1.特点：非线性
I
反向击穿 电压U(BR)
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
P– + N 反向特性
外加电压大于反向击 穿电压二极管被击穿， 失去单向导电性。
正向特性
P+ – N
导通压降
硅0.6~0.8V 锗0.1~0.3V
U
硅管0.5V, 开启电压
锗管0.1V。
外加电压大于开启 电压二极管才能通。
+ + ++ + + + + ++ + + + + ++ + +
P IF
内电场 N
外电场
+–
P接正、N接负
动画
内电场被 削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。
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PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
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一、本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。
价电子
Si
Si
共价健
Si
Si
晶体中原子的排列方式
硅单晶中的共价健结构
共价键中的两个电子，称为价电子。
是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压， 一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。 二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。
常用半导体器件
流的限流电阻！
稳压二极管的应用
稳压二极管技术数据为：稳压值UZ=10V，Izmax=12mA， Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻 R=200 ，求iZ。
若负载电阻变化范围为1.5 k -- 4 k ，是否还能稳 压？
i
iL
R ui DZ
iz UZ RL uO
i
工作原理： 无光照时，与普通二极管一样。
有光照时，分布在第三、四象限。
三、变容二极管 四、隧道二极管 五、肖特基二极管
• 作业 • 1.3 1.4 1.6 1.7
§1.3 晶体三极管
一、晶体管的结构和符号 二、晶体管的放大原理 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 四、温度对晶体管特性的影响 五、主要参数
PN结的伏安特性
i = f (u )之间的关系曲线。
i/ mA
60
40
正向特性
20
–50 –25
反 向
0 0.5 1.0 u / V 击穿电–压0.002
特
U(BR–) 0.004
性
图 1.1.8 PN结的伏安特性
反向击穿 齐纳击穿 雪崩击穿
四、PN结的电容效应
当PN上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量 将随之发生变化，使PN结具有电容效应。
ui和uo的波形如图所示
u o /V
10
t
O
讨论：解决两个问题
• 如何判断二极管的工作状态？ • 什么情况下应选用二极管的什么等效电路？
对V和Ui二极管的模 型有什么不同与uD可比，则需图解： ID 实测特性
Q
uD=V－iR
UD
五、稳压二极管
限流电阻
章常用半导体器件
β 值较大，ICBO＝1μA，ICEO＝101 μA ；
β 值较小，ICEO＝41μA， ICBO＝1μA。
、 ICBO相等，但 旳β 较大，故 很好。
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第五节 场效应晶体管
N沟道增强型MOS管 N沟道耗尽型MOS管 MOS管旳主要参数及使用注意事项
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场效应晶体管是用输入回路旳电场效应来控 制半导体中旳多数载流子，使流过半导体内旳电 流大小随电场强弱而变化，形成电压控制其导电 旳一种半导体器件。与晶体管相比场效应晶体管 更易于集成。
U CE 0
IB/
发 射 结 、 集 电 μA
UCE=0
UCE≥1
结正偏，两个二极管正向
并联。
U CE 1
UCE > 1 重叠。
集电结反偏，IB 减小O
UBE /V
IB 变化很小，与 UCE = 1 曲线
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2．输出特征曲线
IC f (UCE ) I B 衡量
截止区
IC/
IB≈0 ，IC≈0 ，
PN结正偏，导通；PN结反偏，截止
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第二节 半导体二极管
半导体二极管旳伏安特征 半导体二极管旳主要参数
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一、半导体二极管旳伏安特征
阳极 + VD 阴极 1. 正2.向反特向征特征
P区－阳极
N区－阴极
I/mA
死小区反，电向硅 锗可压饱管管视和为00..电开51VV路流；很 正反向向导电通电压压过高，电
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二、晶体管旳电流分配和放大原理
１．放大条件
（１）内部特点决定
发射区产生大量载流子;
基区传送载流子;
集电区搜集载流子。
（２）外部条件
发射结正偏，集电结反偏。
β 值较小，ICEO＝41μA， ICBO＝1μA。
、 ICBO相等，但 旳β 较大，故 很好。
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第五节 场效应晶体管
N沟道增强型MOS管 N沟道耗尽型MOS管 MOS管旳主要参数及使用注意事项
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场效应晶体管是用输入回路旳电场效应来控 制半导体中旳多数载流子，使流过半导体内旳电 流大小随电场强弱而变化，形成电压控制其导电 旳一种半导体器件。与晶体管相比场效应晶体管 更易于集成。
U CE 0
IB/
发 射 结 、 集 电 μA
UCE=0
UCE≥1
结正偏，两个二极管正向
并联。
U CE 1
UCE > 1 重叠。
集电结反偏，IB 减小O
UBE /V
IB 变化很小，与 UCE = 1 曲线
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2．输出特征曲线
IC f (UCE ) I B 衡量
截止区
IC/
IB≈0 ，IC≈0 ，
PN结正偏，导通；PN结反偏，截止
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第二节 半导体二极管
半导体二极管旳伏安特征 半导体二极管旳主要参数
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一、半导体二极管旳伏安特征
阳极 + VD 阴极 1. 正2.向反特向征特征
P区－阳极
N区－阴极
I/mA
死小区反，电向硅 锗可压饱管管视和为00..电开51VV路流；很 正反向向导电通电压压过高，电
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二、晶体管旳电流分配和放大原理
１．放大条件
（１）内部特点决定
发射区产生大量载流子;
基区传送载流子;
集电区搜集载流子。
（２）外部条件
发射结正偏，集电结反偏。
第1章+常用半导体器件
第1章 常用半导体器件
《模拟电子技术基础》
三、本征半导体中的两种载流子
若 T ，将有少数价
T
电子克服共价键的束缚成
为自由电子，在原来的共 +4
+4
价键中留下一个空位——
空穴。
空穴
自由电子和空穴使本 +4
+4
征半导体具有导电能力，
但很微弱。
+4
+4
+4 自由电子
+4
+4
空穴可看成带正电的
载流子。
图 1.1.2 本征半导体中的 自由电子和空穴
《模拟电子技术基础》
三、 PN 结的电流方程
PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为
qu
i IS(ekT 1)
u
i IS(eUT 1)Fra bibliotekIS ：反向饱和电流
UT =
kT q
：温度的电压当量
在常温(300 K)下，
UT 26 mV
第1章 常用半导体器件
《模拟电子技术基础》
四、PN结的伏安特性
u
i = f (u )之间的关系曲线。 i IS (eUT 1)
电容效应包括两部分 势垒电容 扩散电容
第1章 常用半导体器件
《模拟电子技术基础》
1. 势垒电容Cb 是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。
空间
P
电荷区
N
I
V UR
+
（a) PN 结加反向电压
势垒电容与外加电压的关系
第1章 常用半导体器件
2. 扩散电容 Cd
《模拟电子技术基础》
扩散电容是由多子扩散后，在 PN结的另一侧面积累而形成的。 因PN结正偏时，由N区扩散到P区 的电子，与外电源提供的空穴相 复合，形成正向电流。刚扩散过 来的电子就堆积在P区内紧靠PN 结的附近，形成一定的多子浓度 梯度分布曲线。反之，由P区扩散 到N区的空穴，在N区内也形成类 似的浓度分布曲线，如右图所示。
1章 常用半导体器件图(模电)
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图1.2.9 图1.2.8 所示电路的波形分析
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图1.2.10 稳压管的伏安特性和等效电路
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图1.2.11 稳压管稳压电路
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图1.2.12 发光二极管
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图1.2.13 光电二极管的外形和符号
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图1.2.14 光电二极管的伏安特性
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图1.2.15 例图1.2.3 电路图
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图1.6.8 CMOS电路
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图1.5.8 例 1.5.2 电路及波形图
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1.6 集成电路中的元件
• • • • • • • • 图1.6.1 基片与管芯图 图1.6.2 集成电路的剖面图及外形 图1.6.3 PN结隔离的制造工艺 图1.6.4 在隔离岛上制作NPN型管的工艺流程及剖面图 图1.6.5 集成电路中的NPN型管 图1.6.6 多发射极管的结构与符号 图1.6.7 多集电极管的结构与符号 图1.6.8 CMOS电路
第一章 常用半导体器件
• • • • • • 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 半导体基础知识 半导体二极管 双极型晶体管 场效应管 单结晶体管和可控硅 集成电路中的元件
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1.1 半导体基础知识
• • • • • • • • • • • • 图1.1.1 本征半导体结构示意图 图1.1.2 本征半导体中的自由电子和空穴 图1.1.3 N型半导体 图1.1.4 P 型半导体 图1.1.5 PN结的形成 图1.1.6 PN结加正向电压时导通 图1.1.7 PN结加反向电压时截止 图1.1.8 PN结平衡时载流子的分布 图1.1.9 外加正向电压时PN结载流子的分布 图1.1.10 PN结的伏安特性 图1.1.11 PN结的势势垒电容 图1.1.12 P区少子浓度分布曲线
1章 常用半导体器件图
ΔI 0
0
ui
U
ΔU
例4.Dio －
E
5.稳压管的参数及应用
• ⑴.稳压管的(应用电路)工作原理：
IR ＋
R
Ui
Z
IZ
IL RL
•
┗┓ D
－
IR=IZ + IL IR =(Ui –UZ)/R
稳压管的伏安特性和等效电路
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⑴.稳压管稳压电路
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⑵.稳压管的参数
• • • • • ①.稳定电压UZ ②.稳定电流IZ ③.额定功耗PZ ④.稳压管的温度系数 ⑤.动态电阻rZ
(1).PN结内部载流子 的运动：
①.多子的扩散运动： ②.自建电㘯和 耗尽层的形成： 载流子复合
③.少数载流子的 漂移运动：
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2. PN结的单向导电性：
(1). PN结加正向电压时导通
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(2).PN结加反向电压时截止
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3.PN结的伏安特性
• ⑴. PN结的电流方程：
i Is(
qu kT
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图1.5.1 单结晶体管的结构示意图和等效电路
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图1.5.2 单结晶体管特性曲线的测试
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图1.5.3 单结晶体管组成的振荡电路
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图1.5.4 晶闸管的外形
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图1.5.5 晶闸管的结构、等效电路和符号
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图1.5.6 晶闸管的工作原理
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图1.5.7 晶闸管的伏安特性曲线
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图1.6.1 基片与管芯图
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图1.6.2 集成电路的剖面图及外形
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图1.6.3 PN结隔离的制造工艺
Pi=Ni
P = Pa ＋ Pi N = Ni （多子）P＞n（少子）
01 第一章与第二章 绪论与常用半导体器件原理PPT课件
17
西安电子科技大学微电子学院 张∙进17成∙
第一章 绪论
1.3 本书的教学路线图（MAP---地图） 1. 为什么需要放大器？
2. 寻找受控源----放大器件
3. 构建合理有效的放大电路，设置合适的“工作点”
4. 利用“小信号模型”来简化放大器的分析和计算5. Biblioteka 进“负反馈”来稳定和改善放大器性能
电路定义：把晶体管、二极管、电阻、电容、电感等元器件及布线连接在一 起，实现一定功能的电子系统。
电路分类: 按功能分：模拟电路、数字电路、数/模混合电路 按形式分：印制板电路、薄厚膜混合集成电路、半导体集成电路
电路发展趋势： SoC（系统集成、片上系统）
电路的作用： 将人类带入智器时代（石器时代、金属时代、机械时代、半导体时代）
授课思路：（由简单到复杂，由基础到应用） 绪论，常用半导体器件，单元电路（放大电路、电流源电路），集成运算放 大器，反馈放大器与震荡器，运算电路(应用)，滤波器，功率放大器，电源 电路
教师联系方式： 电子邮件：jchzhang@
3
西安电子科技大学微电子学院 张进∙ 3成∙
第一章 绪论
6. 集成运算放大器应用是重点
4
西安电子科技大学微电子学院 张进∙ 4成∙
第一章 绪论
电路 Electrical circuit
电子回路，是由电气设备和元器件（用电器），按一定方式联接起来，为电荷流
通提供了路径的总体，也叫电子线路或称电气回路，简称网络或回路。如电阻、电容、
电感、二极管、三极管和开关等，构成的网络。
根据所处理信号的不同，电子电路可以分为模拟电路和数字电路。
模拟电路
是由自然界产生周期性变化的连续物理自然变量，在将连续性物理自然变量转换
第一章 常用半导体器件
• 1.2 半导体二极管
• 1.2.1 二极管的结构和伏安特性 1、二极管的结构和符号 二极管实际上就是PN结，只是加上外壳和引脚而已 （见教材图4-10)。 通常二极管分为点接触型和面接触型两种（教材图 4-11)。它们的不同是：
二极管符号：
2、二极管伏安特性 (1) 正向导通压降：锗管约 0.3V；硅管约0.7伏。 (2) 正向导通死区电压： 锗管约0.2V；硅管约 0.5伏。 (3) 反向饱和电流 IS： 反向击穿前的电流； 饱和电流随温度上升 而迅速增大。 (4) 反向击穿电压 UBR。
2、输出特性
I C f (U CE ) I B 常数
根据： I C I B (1 ) I CBO
可以画出：
(1) 截止区
IB≤0，I C (1 ) I CBO
此时集电极反偏，相 当于二极管的反向特性。
(2)放大区 UCE>UBE，发射结正偏，集电结反偏
I C I B (1 ) I CBO I B
3、晶体管工作在截止状态
晶体管（三极管）工作在截止状态的条件是：发射结零偏 或反偏，集电结反偏。
发射结反偏时，发射极不再发射电子，三极管内部只有少 子形成的电流ICBO，可以认为 IB≈0 ，IC ≈0称截止。
4、晶体管工作在饱和状态
三极管工作在饱和状态的条件是：发射结正偏，集电结零 偏或正偏。
发射极正偏可以形成发射极电流IE，而集电极零偏或正偏 失去了收集电子的能力，无论IB增大多少，IC都不再增加， 称饱和状态。 我们把集电极零偏时的状态称临界饱和状态，此时UBC＝0， 在饱和状态下，UCES≈0.3V。
集电极电流为IC＝ICN＋ICBO。
(4) 电流分配 关系 IC=ICN+ICBO
最新01—第一章 常用半导体器件
✓ PN结反偏时，外电场与内电场方向相同，使得扩散运动无法进行下 去，但是由P区和N区的少子所形成的漂移电流得以进行，从而形成PN 结的反向电流。
✓ 但是，由于少子浓度有限，所以PN结的反向电流一般并不随外加电 压的改变而改变，所以称为反向饱和电流。
✓ PN结的反向饱和电流有几个特点；第一是反向饱和电流很小，这是 因为少子浓度很低；第二是反向饱和电流与外加电压几乎无关，这是 因为少子浓度在一定温度下是一个常数；第三是反向饱和电流与温度 密切相关（其实还与光照有关），与温度成正变关系；第四是锗管的 反向饱和电流比硅管大三个数量级左右。
1.1.3 PN结的结电容
PN结两端不仅有电荷的累积，而且当PN结两端的电压发生改变时，不 仅PN结的宽度会改变，而且空间电荷区的电荷量也会发生改变，这等效 为一种电容效应。
扩散电容—— 当PN结正偏时，空间电荷区的宽度会变窄。同时的多子的浓度梯度
会改变，即空间电荷区的电荷量会改变，形成电容效应，称为扩散电容。 PN结正偏电压越大，空间电荷区的宽度越窄，且非平衡载流子浓度
✓ PN结的反向饱和电流越小越好，这是因为反向饱和电流破坏了PN结 的单向导电性。
✓ 硅管的反向饱和电流在纳安的数量级，锗管的反向饱和电流在微安 数量级。
1.1.3 PN结的击穿特性
✓ 当PN结的反向电压增加到足够高的时 候，其反向电流会突然急剧增加。这种现 象称为击穿。相应的PN结两端的反向电 压称为击穿电压。
会增大（空间电荷区的离子浓度会降低），则电容量越大。即扩散电容 与正偏电压成正变关系。 势垒电容——
当PN结反偏时，空间电荷区的宽度会变宽。空间电荷区的离子浓度 会增大，即外电压增大，空间电荷区的电荷量会改变，形成电容效应， 称为势垒电容。
✓ 但是，由于少子浓度有限，所以PN结的反向电流一般并不随外加电 压的改变而改变，所以称为反向饱和电流。
✓ PN结的反向饱和电流有几个特点；第一是反向饱和电流很小，这是 因为少子浓度很低；第二是反向饱和电流与外加电压几乎无关，这是 因为少子浓度在一定温度下是一个常数；第三是反向饱和电流与温度 密切相关（其实还与光照有关），与温度成正变关系；第四是锗管的 反向饱和电流比硅管大三个数量级左右。
1.1.3 PN结的结电容
PN结两端不仅有电荷的累积，而且当PN结两端的电压发生改变时，不 仅PN结的宽度会改变，而且空间电荷区的电荷量也会发生改变，这等效 为一种电容效应。
扩散电容—— 当PN结正偏时，空间电荷区的宽度会变窄。同时的多子的浓度梯度
会改变，即空间电荷区的电荷量会改变，形成电容效应，称为扩散电容。 PN结正偏电压越大，空间电荷区的宽度越窄，且非平衡载流子浓度
✓ PN结的反向饱和电流越小越好，这是因为反向饱和电流破坏了PN结 的单向导电性。
✓ 硅管的反向饱和电流在纳安的数量级，锗管的反向饱和电流在微安 数量级。
1.1.3 PN结的击穿特性
✓ 当PN结的反向电压增加到足够高的时 候，其反向电流会突然急剧增加。这种现 象称为击穿。相应的PN结两端的反向电 压称为击穿电压。
会增大（空间电荷区的离子浓度会降低），则电容量越大。即扩散电容 与正偏电压成正变关系。 势垒电容——
当PN结反偏时，空间电荷区的宽度会变宽。空间电荷区的离子浓度 会增大，即外电压增大，空间电荷区的电荷量会改变，形成电容效应， 称为势垒电容。