第二章 常用半导体器件原理

• 目录

  2.1半导体物理基础

  1.本征半导体

  2.本征激发

  3.复合

  4.N型半导体和P型半导体

  5.半导体电流由漂移电流与扩散电流组成。

  2.2PN结

  PN结的击穿特性

  PN结电容

  2.3晶体二极管

  1.二极管的结构与分类

  二极管的分类

  2.二极管的伏安特性

  3.二极管的电阻

  4.二极管的近似伏安特性和简化电路模型

  5.稳压二极管

  2.4双极型晶体管

  1.晶体管的结构

  2.晶体管的电流放大作用

  3.晶体管的伏安特性

  2.5场效应管

  1.结型场效应管（JFET）

  2.绝缘栅场效应管(MOSFET)

  2.6晶体管和场效应管的低频交流小信号简化模型

  1.晶体管的低频交流小信号模型

  2.场效应管的低频交流小信号模型

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• 2.1半导体物理基础

  • 1.本征半导体

    • 纯净的单晶半导体。

  • 2.本征激发

    • 吸收外界能量，本征半导体中一部分价电子脱离共价键舒服成为自由电子留下空穴。

  • 3.复合

    • 自由电子填入空穴释放能量，消失一对载流子。

  • 4.N型半导体和P型半导体

    • 在本征半导体中掺入五价元素的原子形成N型半导体。
    • 在本征半导体中掺杂三价元素的原子形成P型半导体。

  • 5.半导体电流由漂移电流与扩散电流组成。

    • 漂移电流：在电场的作用下，自由电子逆着电场方向漂移，空穴顺着电场方向飘移。
    • 扩散电流：载流子由于浓度差从高浓度区向低浓度区扩散。

  • 2.2PN结

    • 正向偏置：使P区的电位高于N区的电位。耗尽区变窄
    • 正向偏置导通，反向偏置阻断。

  • PN结的击穿特性

    • 轻掺杂：雪崩击穿。
    • 重掺杂：齐纳击穿

  • PN结电容

    • 势垒电容、扩散电容

• 2.3晶体二极管

  • 1.二极管的结构与分类

    • 半导体二极管是由一个PN结加上管壳封装与相应的电极引线组成，P区引出的电极为阳极，N侧为阴极

    • 二极管的分类

      • 按材料不同，二极管可分为硅管和锗管；
      • 按用途不同，可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管等；
      • 按结构不同，可分为点接触型、面接触型和平面型。
        • 点接触：适用于高频电路和小功率整流或开关元件
        • 面接触：适用于低频整流
        • 平面行：适用于脉冲数字电路做开关管

  • 2.二极管的伏安特性

    • 伏安特性方程

      

      

    • Is为反向饱和电流，UT≈26mV
    • U(on)：硅管≈0.6~0.7V,锗管=0.2~0.3V
    • 对温度敏感：温度升高，正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。

  • 3.二极管的电阻

    • 直流电阻：直流电压➗直流电流
    • 交流电阻：

      

      

  • 4.二极管的近似伏安特性和简化电路模型

    • （a）理想二极管（b）交流电阻为0（c）一般二极管

      

  • 5.稳压二极管

    • 稳压二极管在击穿状态下工作。
    • 工作电流Iz可以在较大范围内调节而稳压电压Uz几乎不变

      

    • 最大功率Pm:超过此功率稳压管烧坏

      

• 2.4双极型晶体管

  • 1.晶体管的结构

    • 是由两个PN结组成的元器件，分为PNP和NPN两种类型，它的三端分别称为发射极e、基极b和集电极c。

  • 2.晶体管的电流放大作用

    • α为共基极交流电流放大倍数，β为共发射极交流放大倍数

      

  • 3.晶体管的伏安特性

    • 输出特性：（NPN）

      

      
      ​
    • 截止区：发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置

      

    • 放大区：发射结正向偏置且集电结反向偏置

      

    • 饱和区：发射结与集电结均为正向偏置

      

• 2.5场效应管

  • 1.结型场效应管（JFET）

    • 漏极D、栅极G、源极S
    • 输出特性曲线（N沟道）:栅-源极电压为常量时，漏极电流与漏-源电压之间的函数关系。

      

      • 恒流区：|u(GS)|＜|UGS(off)|，|u(DG)|>|UGS(off)|
      • 可变电阻区：|u(GS)|＜|UGS(off)|，|u(DG)|<|UGS(off)|
      • 截止区：|u(GS)|>|UGS(off)|
    • 转移特性曲线：漏-源电压为常量时，漏极电流与栅-源电压之间的函数关系。

      

      

      
      IDSS为UGS=0时产生预夹断时的ID，称为饱和漏极电流

• 2.绝缘栅场效应管(MOSFET)

  • 输出特性曲线（增强型）

    

    • 恒流区：|u(GS)|>|UGS(th)(开启电压)|，|u(DG)|<|UGS(th)|
    • 可变电阻区：|u(GS)|>|UGS(th)|，|u(DG)|>|UGS(th)|
    • 截止区：|u(GS)|<|UGS(th)|
  • 转移特性曲线

    

    

  • 低频跨导：

    

• 2.6晶体管和场效应管的低频交流小信号简化模型

  • 1.晶体管的低频交流小信号模型

    

    

    
    UA为厄尔利电压，还需考虑rbb‘

  • 2.场效应管的低频交流小信号模型