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第4章 常用半导体器件

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杂质浓度，且基区很薄。
（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反
向偏置。
4.4.2 BJT的V-I 特性曲线
（以共射极放大电路为例） 1. 输入特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const
(1) 当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。 (2) 当vCE≥1V时， vCB= vCE - vBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收 集电子，基区复合减少，同样的vBE下 IB减小，特性曲线右移。
（1）理想模型
（a）V-I特性
（b）代表符号
（c）正向偏置时的电路模型
（d）反向偏置时的电路模型
3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
1.二极管V-I 特性的建模
（2）恒压降模型
二极管正向导通时，两端压 降近似为常数，硅管约为 0.7V； 二极管反向截止时，电流近 似为零，二极管相当于断开。
（a）V-I特性 （b）电路模型
2．模型分析法应用举例 （3）限幅电路
电路如图，R = 1kΩ，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模 型和恒压降模型求解，当vI = 6sint V时，绘出相应的输出电压vO的波形。
课后练习及作业：P116 4-5
4.3 特殊二极管
4.3.1 稳压二极管
利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向 电击穿状态。
少数载 流子的 运动 因集电区面积大，在外电场作用下大 部分扩散到基区的电子漂移到集电区 因基区薄且多子浓度低，使极少 数扩散到基区的电子与空穴复合 因发射区多子浓度高使大量 电子从发射区扩散到基区 基区空穴 的扩散
扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运形 成集电极电流IC。
• 电流分配：
IE＝IB＋IC
IB
IE－扩散运动形成的电流
IC
IB－复合运动形成的电流 IC－漂移运动形成的电流
直流电流放大 系数
IE
交流电流放大系数
IC IB
iC iB
I CEO (1 ) I CBO
穿透电流 集电结反向电流
综上所述，三极管的放大作用，主要是 依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后 到达集电极而实现的。 实现这一传输过程的两个条件是： （1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区
因五价杂质原子中只有四 个价电子能与周围四个半导体 原子中的价电子形成共价键， 而多余的一个价电子因无共价 键束缚而很容易形成自由电子。
在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载 流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也 称为施主杂质。
半导体三极管的结构示意 图如图所示。它有两种类 型:NPN型和PNP型。Biblioteka (a) NPN型管结构示意图
(b) PNP型管结构示意图 (c) NPN管的电路符号
(d) PNP管的电路符号
二、三极管的电流放大原理
（发射结正偏） uBE U ON 放大的条件 （集电结反偏） uCB 0，即uCE uBE
4.1 半导体的基本知识
半导体的主要特点是导电性能介于导体和绝 缘体之间。 常用的材料主要有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
4.1.1 本征半导体
本征半导体——纯净的、不含其他杂质的、以晶体结构存在的半导体。 空穴——共价键中的空位。 电子空穴对——由热激发而产生的自 由电子和空穴对。
空穴的移动——空穴的运动是靠相邻 共价键中的价电子依次充填空穴来实 现的。 由于随机热振动致使共价键被打破而产生 空穴－电子对
IC IE

iC iE 1
• 交流参数：β、α、fT（使β＝1的信号频率）
安全工作区
课后练习及作业：P118 4-19
4.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质， 可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质 主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体 称为杂质半导体。 N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的 半导体。
P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半 导体。
4.1.2 杂质半导体
1. N型半导体
4.2.2 二极管的伏安特性
iD I S (evD VT 1)
硅二极管2CP10的V-I 特性
锗二极管2AP15的V-I 特性
三种工作状态： （1）正向导通状态 （2）反向截止状态 （3）反向击穿状态
4. 2 二极管电路的简化模型分析方法
1.二极管V-I 特性的建模 将指数模型
iD I S (evD VT 1) 分段线性化，得到二极管特性的等效模型。
2、输出特性
饱和区
iC f (uCE ) iB
对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。
iC
iB

iC iB
U CE 常量
放大区
截止区
β是常数吗？什么是理想三极管？什么情况下 ?

晶体管的三个工作区域
状态 截止 放大 饱和
UBE
＜Uon ≥ Uon
IC
ICEO βiB
≥ Uon
对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的 空间电荷区称为PN结。
4.1.4 PN结的单向导电性
当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏； 反之称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时
• 低电阻 • 大的正向扩散电流
4.1.4 PN结的单向导电性
在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体 和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物 理过程: 因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区


空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
4.1.3 PN结的形成
4.1.2 杂质半导体
2. P型半导体
因三价杂质原子在与硅 原子形成共价键时，缺少一 个价电子而在共价键中留下 一个空穴。
在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。
4.1.3 PN结的形成
共射极连接
4.4.2 BJT的V-I 特性曲线
2. 输出特性曲线 iC=f(vCE) iB=const
输出特性曲线的三个区域:
饱和区：iC明显受vCE控制的区域， 该区域内，一般vCE＜0.7V (硅管)。 此时，发射结正偏，集电结正偏或 反偏电压很小。 截止区：iC接近零的区域，相当iB=0 的曲线的下方。此时， vBE小于死区 电压。 放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲 线基本平行等距。此时，发射结正 偏，集电结反偏。
＜βiB
UCE VCC ≥ uBE ≤ uBE
晶体管工作在放大状态时，输出回路电流 iC几乎仅仅决定于输入回路电流 iB；即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。
4.4.3、主要参数
、ICBO、 ICEO • 直流参数： 、
• 极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO
最大集电极 电流 c-e间击穿电压 最大集电极耗散功率，PCM ＝iCuCE
伏安特性曲线
稳压管符号
稳定电压VZ： 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。
课后练习及作业：P117 4-8
4.3.2 发光二极管
符号 光电传输系统
4.4 双极型三极管
小功率管
中功率管
大功率管
多子浓度高 多子浓度很 低，且很薄 面积大
晶体管有三个极、三个区、两个PN结。
4.4.1 三极管的结构与分类
(2) PN结加反向电压时
• 高电阻
• 很小的反向漂移电流
PN结加正向电压时，正向电阻小，正向电流大，处于导通状态； PN结加反向电压时，反向电阻很大，反向电流很小，处于截止状态； 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性，是PN结最重要的特性。
4.2 半导体二极管
在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极 管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大 类。二极管的符号：

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第四章单极型器件

第四章单极型器件


08.03.2019
半导体器件物理
3
§4.1 金属—半导体接触
• 第一个实用的半导体器件是由金属－半导体点接触形成的 整流器，是一根金属触须压在半导体表面上构成的，这种 半导体器件从1904年开始已经得到很多应用。 • 金属—半导体接触可形成整流器。1938年，肖特基提出， 半导体内稳定的空间电荷形成的势垒可能有整流作用。由 此产生的势垒模型就是所谓肖特基势垒。金属—半导体形 成的结称为肖特基结。 • 金属—半导体接触也可能是非整流性的, 即不管所加电压 极性如何，接触电阻均可忽略，这种金属—半导体接触称 为欧姆接触。为实现电子系统中的相互连接，所有半导体 器件和集成电路都必须有欧姆接触。
08.03.2019
半导体器件物理
10
• 当界面态的密度 DS→0时，
与理想情况一致。 • 当DS→∞时，
q q ( ) Bn m
q E q Bn g 0
φBn与金属的功函数无关。
08.03.2019
半导体器件物理
11
3、肖特基效应
• 镜像力使肖特基势垒高度降低。 • 半导体中距离金属表面x处的电子会在金属上感应 一个正电荷，这个正电荷称为镜像电荷，电子与这 个正电荷之间的引力等于电子与位于－x处等量正 电荷之间的静电引力，称为镜像力。 • 由库仑定律，镜像力为：
或者 12 2(Vbi V)
C qN DS
测量出C－V曲线，即可得 到杂质分布 2 1 N [ ] D 2 q ( 1 /C)/dV S d
08.03.2019 半导体器件物理 9
2、界面态对势垒高度的影响
• n型Si和n型GaAs的势垒高度测量值显示，qΦBn随qΦm的增 大而增大，但不是直线，这是因为在实际的金属半导体接 触中，由于晶格不连续，在接触界面处产生大量的能量状 态，这些能量状态叫做界面态或表面态，它们连续分布在 禁带内，可能起施主或受主作用，影响势垒高度的实际值， 对Si和GaAs，n型势垒高度被低估，p型势垒高度被高估。 • 为了描述半导体表面态，引入中性能级qΦ0：当qΦ0以下的 表面态全部被电子占据，而以上的全部空出时，半导体表 面是中性的。低于qΦ0的界面态没有电子占据时带正电，作 用相当于施主，高于qΦ0的界面态被电子占据时带负电，作 用相当于受主。如果qΦ0与半导体的EF重合，则界面态和半 导体内部没有电子交换，界面的净电荷为0。如果qΦ0>EF， 则电子从表面向体内转移，界面净电荷为正，qΦ0<EF，电 子从体内向表面转移，界面净电荷为负。
模电(第四版)习题解答

模电(第四版)习题解答

模拟电子技术基础第四版清华大学电子学教研组编童诗白华成英主编自测题与习题解答目录第1章常用半导体器件‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥3第2章基本放大电路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥14 第3章多级放大电路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥31 第4章集成运算放大电路‥‥‥‥‥‥‥‥‥41 第5章放大电路的频率响应‥‥‥‥‥‥‥‥50 第6章放大电路中的反馈‥‥‥‥‥‥‥‥‥60 第7章信号的运算和处理‥‥‥‥‥‥‥‥‥74 第8章波形的发生和信号的转换‥‥‥‥‥‥90 第9章功率放大电路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥114 第10章直流电源‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥126第1章常用半导体器件自测题一、判断下列说法是否正确，用“×”和“√”表示判断结果填入空内。

(1)在N 型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P 型半导体。

( √ )(2)因为N 型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。

( ×)(3)PN 结在无光照、无外加电压时，结电流为零。

( √ )(4)处于放大状态的晶体管，集电极电流是多子漂移运动形成的。

( ×)(5)结型场效应管外加的栅一源电压应使栅一源间的耗尽层承受反向电压，才能保证R大的特点。

( √)其GSU大于零，则其输入电阻会明显变小。

( ×) (6)若耗尽型N 沟道MOS 管的GS二、选择正确答案填入空内。

(l) PN 结加正向电压时，空间电荷区将 A 。

A.变窄B.基本不变C.变宽(2)稳压管的稳压区是其工作在 C 。

A.正向导通B.反向截止C.反向击穿(3)当晶体管工作在放大区时，发射结电压和集电结电压应为 B 。

A.前者反偏、后者也反偏B.前者正偏、后者反偏C.前者正偏、后者也正偏(4) U GS=0V时，能够工作在恒流区的场效应管有A 、C 。

A.结型管B.增强型MOS 管C.耗尽型MOS 管三、写出图Tl.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压U D=0.7V。

半导体器件物理(第四章 双极型晶体管及其特性)

半导体器件物理(第四章 双极型晶体管及其特性)


4.1 晶体管结构与工作原理 三极电流关系
I E I B IC
对于NPN晶体管，电子电流是主要成分。电子从发射极出发，通 过发射区到达发射结，由发射结注入到基区，再由基区输运到集电结 边界，然后又集电结收集到集电区并到达集电极，最终称为集电极电 流。这就是晶体管内部载流子的传输过程。 电子电流在传输过程中有两次损失：一是在发射区，与从基区注 入过来的空穴复合损失；而是在基区体内和空穴的复合损失。因此
* 0
可见，提高电流放大系数的途径是减小基区平均掺杂浓度、减 薄基区宽度Wb以提高RsB，提高发射区平均掺杂浓度以减小RsE。另外， 提高基区杂质浓度梯度，加快载流子传输，减少复合；提高基区载 流子的寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长度，都可以提高电流 放大系数。
4.2 晶体管的直流特性 4.2.1 晶体管的伏安特性曲线 1.共基极晶体管特性曲线
' ine 1 jCTe 1 ine re 1 jCTe 1 jreCTe
re in e
iCTe
' in e
交流发射效率
1 0 1 jre CTe
CTe
re CTe e
发射极延迟时间
4.3 晶体管的频率特性
2．发射结扩散电容充放电效应对电流放大系数的影响
虽然共基极接法的晶体管不能放大电流，但是由于集电极可以 接入阻抗较大的负载，所以仍然能够进行电压放大和功率放大。
4.1 晶体管结构与工作原理
（2）共发射极直流电流放大系数
IC 0 IB
（3）α0和β0的关系
C
IC
N
IB
B
I IC I I 0 C C E 0 I B I E IC 1 IC I E 1 0
半导体物理_第四章

半导体物理_第四章


右图所示为 N型和P型锗、 砷化镓以及 磷化镓单晶 材料在室温 (300K)条件 下电阻率随 掺杂浓度的 变化关系曲 线。
如果我们考虑一块掺杂浓度为NA的P型半 导体材料（ ND＝0），且NA>>ni，假设电子和空 穴的迁移率基本上是在一个数量级上，则半导 体材料的电导率为：
再假设杂质完全离化，则有：
负微分迁移率效应的出现可以从砷化镓单晶材 料的E－k关系曲线来解释：低电场下，砷化镓 单晶材料导带中的电子能量比较低，主要集中 在E－k关系图中态密度有效质量比较小的下能 谷，mn*=0.067m0，因此具有比较大的迁移率。
当电场比较强时，导带 中的电子将被电场加速并获 得能量，使得部分下能谷中 的电子被散射到E~k关系图 中态密度有效质量比较大的 上能谷，mn*=0.55m0，因此 这部分电子的迁移率将会出 现下降的情形，这样就会导 致导带中电子的总迁移率随 着电场的增强而下降，从而 引起负微分迁移率和负微分 电阻特性。
§5.2 载流子的扩散运动 除了漂移运动之外，另外一种引起载流子定向 流动的机理就是所谓的载流子扩散运动，微观 粒子的扩散运动是由于其浓度梯度的存在而引 起的，带电粒子由于浓度梯度的存在而发生扩 散运动就会引起扩散电流。
1. 扩散电流密度 考虑一个简化的一维半导体情形，其中电 子的浓度梯度如图所示，半导体中各处温度均 匀，因此电子的平均热运动速度也与位置无关。
而当温度比较低时，则由于杂质原子的冻结 效应，载流子浓度趋近于零。但随着温度升高， 杂质开始电离，载流子浓度增加，电导率都随 着温度的升高而不断升高。 在中等温度区间内（即大约200K至450K之 间），此时杂质完全离化，即电子的浓度基本 保持不变，但是由于在此温度区间内载流子的 迁移率随着温度的升高而下降，因此电导率也 随着温度的升高而出现了一段下降的情形。