半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

2.1

半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識2.2

半導(dǎo)體二極管2.3

二極管電路的分析方法2.4

特殊二極管小結(jié)2.5

雙極型半導(dǎo)體三極管第2章半導(dǎo)體器件2.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識2.1.1本征半導(dǎo)體2.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體2.1.3

PN結(jié)2.1.1

本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體—本征半導(dǎo)體—純凈的半導(dǎo)體。如硅、鍺單晶體。載流子

—自由運(yùn)動的帶電粒子。共價(jià)鍵—相鄰原子共有價(jià)電子所形成的束縛。導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。元素半導(dǎo)體：硅、鍺化合物半導(dǎo)體：砷化鎵摻雜：硼、磷等半導(dǎo)體的重要物理特性是它的電導(dǎo)率，電導(dǎo)率與材料內(nèi)單位體積中含的電荷載流子的數(shù)量有關(guān)。硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型慣性核硅(鍺)的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)價(jià)電子自由電子(束縛電子)空穴空穴空穴可在共價(jià)鍵內(nèi)移動本征激發(fā)：復(fù)合：自由電子和空穴在運(yùn)動中相遇重新結(jié)合成對消失的過程。漂移：自由電子和空穴在電場作用下的定向運(yùn)動。在室溫或光照下價(jià)電子獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，并在共價(jià)鍵中留下一個空位(空穴)的過程。兩種載流子電子(自由電子)空穴兩種載流子的運(yùn)動自由電子(在共價(jià)鍵以外)的運(yùn)動空穴(在共價(jià)鍵以內(nèi))的運(yùn)動

結(jié)論：1.本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少；

2.半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；

3.本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)。2.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù)

電子數(shù)2.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子電子—少子載流子數(shù)

空穴數(shù)二、雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用IIPINI=IP+INN型半導(dǎo)體I

INP型半導(dǎo)體

I

IP三、P型、N型半導(dǎo)體的簡化圖示負(fù)離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子正離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子PN2.1.3PN結(jié)一、PN結(jié)(PNJunction)的形成1.載流子的濃度差引起多子的擴(kuò)散2.復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡層)空間電荷區(qū)特點(diǎn):無載流子，阻止擴(kuò)散進(jìn)行，利于少子的漂移。內(nèi)建電場3.擴(kuò)散和漂移達(dá)到動態(tài)平衡擴(kuò)散電流等于漂移電流，總電流I=0。二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.外加正向電壓(正向偏置)—forwardbiasP區(qū)N區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使多子向PN結(jié)移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。IF限流電阻擴(kuò)散運(yùn)動加強(qiáng)形成正向電流IF。IF=I多子I少子

I多子2.外加反向電壓(反向偏置)

—reversebias

P

區(qū)N

區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使少子背離PN結(jié)移動，空間電荷區(qū)變寬。IRPN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大;

反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運(yùn)動加強(qiáng)形成反向電流IRIR=I少子

0三、PN結(jié)的伏安特性反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當(dāng)T=300(27C)：UT

=26mVOu

/VI

/mA正向特性反向擊穿加正向電壓時加反向電壓時i≈–IS2.2

半導(dǎo)體二極管1.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型1.2.2二極管的伏安特性1.2.3二極管的主要參數(shù)2.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型構(gòu)成：PN結(jié)+引線+管殼=二極管(Diode)符號：A(anode)C(cathode)分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型平面型點(diǎn)接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線

面接觸型N型鍺PN結(jié)

正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極

引線負(fù)極

引線集成電路中平面型PNP型支持襯底2.2.2二極管的伏安特性一、PN結(jié)的伏安方程反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當(dāng)T=300(27C)：UT

=26mV二、二極管的伏安特性O(shè)uD/ViD/mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD

=0Uth

=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)UUthiD急劇上升0U

Uth

UD(on)

=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V鍺管0.2V反向特性ISU(BR)反向擊穿U(BR)

U0iD=IS<0.1A(硅)

幾十A

(鍺)U<

U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：(Zener)反向電場太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。

(擊穿電壓<6V，負(fù)溫度系數(shù))雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增?！狿N結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)?！狿N結(jié)燒毀。(擊穿電壓>6V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在6V左右時，溫度系數(shù)趨近零。硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020二極管的電阻根據(jù)電阻的定義R=U/I，可見二極管電阻是隨電壓變化的，所以是非線性電阻。0iD

/mAuD/V但若把電流控制在某小區(qū)域變化，這時的微變電阻則可看作線性的。溫度對二極管特性的影響iD

/mAT

升高時，UD(on)以(22.5)mV/C下降604020–0.0200.4–25–50uD/V20C90C2.2.3二極管的主要參數(shù)1.

IF—

最大整流電流(最大正向平均電流)2.

URM—

最高反向工作電壓，為U(BR)/2

3.

IR

—

反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?4.

fM

—

最高工作頻率(超過時單向?qū)щ娦宰儾?iDuDU(BR)IFURMO影響工作頻率的原因—PN結(jié)的電容效應(yīng)

結(jié)論：1.低頻時，因結(jié)電容很小，對PN結(jié)影響很小。高頻時，因容抗減小，使結(jié)電容分流，導(dǎo)致單向?qū)щ娦宰儾睢?.結(jié)面積小時結(jié)電容小，工作頻率高。2.3

二極管電路的分析方法1.3.1理想二極管及二極管特性的折線近似1.3.2圖解法和微變等效電路法2.3.1理想二極管及二極管特性的折線近似一、理想二極管特性uDiD符號及等效模型SS正偏導(dǎo)通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=二、二極管的恒壓降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)三、二極管的折線近似模型uDiDUD(on)UI斜率1/rDrD1UD(on)UD(on)例2.3.1

硅二極管，R=2k，分別用二極管理想模型和恒壓降模型求出VDD=2V和VDD=10V時IO和UO的值。[解]VDD=2V

理想IO=VDD/R=2/2

=1(mA)UO=VDD=2V恒壓降UO=VDD–UD(on)=20.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2

=0.65(mA)VDD=10V

理想IO=VDD/R=10/2

=5(mA)恒壓降UO=100.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)VDD大，

采用理想模型VDD小，

采用恒壓降模型例2.3.2

試求電路中電流I1、I2、IO和輸出電壓

UO的值。解：假設(shè)二極管斷開UP=15VUP>UN二極管導(dǎo)通等效為0.7V的恒壓源PNUO=VDD1

UD(on)=150.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UOVDD2)/R=(14.312)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)例2.3.3二極管構(gòu)成“門”電路，設(shè)V1、V2均為理想二極管，當(dāng)輸入電壓UA、UB為低電壓0V和高電壓5V的不同組合時，求輸出電壓UO的值。0V正偏導(dǎo)通5V正偏導(dǎo)通0V輸入電壓理想二極管輸出電壓UAUBV1V20V0V正偏導(dǎo)通正偏導(dǎo)通0V0V5V正偏導(dǎo)通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏導(dǎo)通0V5V5V正偏導(dǎo)通正偏導(dǎo)通5V例2.3.5

ui=2sin

t(V)，分析二極管的限幅作用。ui較小，宜采用恒壓降模型ui<0.7VV1、V2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7VV2導(dǎo)通V１截止ui<

0.7VV1導(dǎo)通V2截止uO=0.7V思考題:

V1、V2支路各串聯(lián)恒壓源，輸出波形如何？(可切至EWB)OtuO/V0.7Otui

/V20.7uiudRidrd三、小信號電路分析法對于交流信號電路可等效為例1.3.6

ui

=5sint(mV)，VDD=4V，R=1k，求iD和uD。[解]

1.靜態(tài)分析令ui

=0，取UQ0.7VIQ=(VDDUQ)/R=3.3mA2.動態(tài)分析rd=26/IQ=26/3.38()Idm=Udm/rd=5/80.625(mA)id

=0.625sint3.總電壓、電流=(0.7+0.005sint)V=(3.3+0.625sint)mA2.4

特殊二極管2.4.1穩(wěn)壓二極管2.4.2光電二極管2.4.1穩(wěn)壓二極管一、伏安特性符號工作條件：反向擊穿iZ

/mAuZ/VOUZ

IZmin

IZmaxUZIZIZ特性二、主要參數(shù)1.

穩(wěn)定電壓UZ

流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。2.穩(wěn)定電流IZ

越大穩(wěn)壓效果越好，小于Imin

時不穩(wěn)壓。3.

最大工作電流IZM

最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4.動態(tài)電阻rZrZ

=UZ/IZ越小穩(wěn)壓效果越好。幾幾十5.穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)CTV一般，UZ<4V，CTV<0(為齊納擊穿)具有負(fù)溫度系數(shù)；UZ>7V，CTV>0(為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；4V<UZ<7V，CTV很小。例2.4.1

分析簡單穩(wěn)壓電路的工作原理，

R為限流電阻。IR=IZ+ILUO=UI

–IRRUIUORRLILIRIZ2.4.2發(fā)光二極管與光敏二極管一、發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)1.符號和特性工作條件：正向偏置一般工作電流幾十mA，導(dǎo)通電壓(12)V符號u/Vi

/mAO2特性2.主要參數(shù)電學(xué)參數(shù)：IFM

，U(BR)

，IR光學(xué)參數(shù)：峰值波長P，亮度

L，光通量發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠顯示類型：普通LED，不可見光：紅外光點(diǎn)陣LED七段LED,二、光敏二極管1．符號和特性符號特性uiO暗電流E=200lxE=400lx工作條件：反向偏置2.主要參數(shù)電學(xué)參數(shù)：暗電流，光電流，最高工作范圍光學(xué)參數(shù)：光譜范圍，靈敏度，峰值波長實(shí)物照片2.5雙極型半導(dǎo)體三極管2.5.1晶體三極管2.5.2晶體三極管的特性曲線2.5.3晶體三極管的主要參數(shù)(SemiconductorTransistor)2.5.1晶體三極管一、結(jié)構(gòu)、符號和分類NNP發(fā)射極E基極B集電極C發(fā)射結(jié)集電結(jié)—基區(qū)—發(fā)射區(qū)—集電區(qū)emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型ECBECB分類：按材料分：硅管、鍺管按功率分：

小功率管<500mW按結(jié)構(gòu)分：NPN、PNP按使用頻率分：低頻管、高頻管大功率管>1W中功率管0.51W1.三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程1)

發(fā)射結(jié)BE正偏，發(fā)射區(qū)多子電子向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流

IE。ICNIEIBN基區(qū)空穴來源基極電源提供(IB)集電區(qū)少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO2)電子到達(dá)基區(qū)后多數(shù)向BC結(jié)方向擴(kuò)散被集電結(jié)內(nèi)強(qiáng)電場吸引，使其快速漂移過集電結(jié)，形成

ICN。少數(shù)與空穴復(fù)合，形成

IBN

。二、電流放大原理ICNIEIBNI

CBOIB

3)

集電區(qū)收集漂移過來的載流子形成集電極電流ICICIC=ICN+ICBO2.三極管的電流分配關(guān)系當(dāng)管子制成后，發(fā)射區(qū)載流子濃度、基區(qū)寬度、集電結(jié)面積等確定，故電流的比例關(guān)系確定，即：IB=I

BN

ICBOIC=ICN+ICBO穿透電流IE=IC+IB通常穿透電流都很小3.三極管放大的條件內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結(jié)面積大外部條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏4.滿足放大條件的三種電路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共發(fā)射極共集電極共基極實(shí)現(xiàn)電路:2.5.2晶體三極管的特性曲線一、輸入特性輸入回路輸出回路與二極管特性相似O特性基本重合(電流分配關(guān)系確定)特性右移(因集電結(jié)開始吸引電子)導(dǎo)通電壓UBE(on)硅管：(0.60.8)V鍺管：

(0.20.3)V取0.7V取0.2V二、輸出特性iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321截止區(qū)：

IB0

IC=ICEO0條件：兩個結(jié)反偏截止區(qū)ICEOiC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O246843212.放大區(qū)：放大區(qū)截止區(qū)條件：

發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏特點(diǎn)：

水平、等間隔ICEOiC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O246843213.飽和區(qū)：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0條件：兩個結(jié)正偏特點(diǎn)：IC

IB臨界飽和時：

uCE

=uBE深度飽和時：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(鍺管)放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)ICEO三、溫度對特性曲線的影響1.溫度升高，輸入特性曲線向左移。溫度每升高1C，UBE

(22.5)mV。溫度每升高10C，ICBO

約增大1倍。OT2>T12.溫度升高，輸出特性曲線向上移。iCuCET1iB

=0T2>iB

=0iB

=0溫度每升高1C，

(0.51)%。輸出特性曲線間距增大。O2.5.3晶體三極管的主要參數(shù)一、電流放大系數(shù)1.共發(fā)射極電流放大系數(shù)iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321—直流電流放大系數(shù)

—交流電流放大系數(shù)一般為幾十

幾百Q(mào)iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O246843212.共基極電流放大系數(shù)

1一般在0.98以上。

Q二、極間反向飽和電流CB極間反向飽和電流

ICBO，CE極間反向飽和電流ICEO。三、極限參數(shù)1.ICM

—集電極最大允許電流，超過時

值明顯降低。2.PCM—集電極最大允許功率損耗PC=iC

uCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作區(qū)U(BR)CBO

—發(fā)射極開路時C、B極間反向擊穿電壓。3.U(BR)CEO

—基極開路時C、E極間反向擊穿電壓。U(BR)EBO

—集電極極開路時E、B極間反向擊穿電壓。U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO小結(jié)第2

章一、兩種半導(dǎo)體和兩種載流子兩種載流子的運(yùn)動電子—自由電子空穴—價(jià)電子兩種半導(dǎo)體N型(多電子)P型(多空穴)二、二極管1.特性—單向?qū)щ娬螂娮栊?理想為0)，反向電阻大()。iDO

uDU(BR)IFURM2.主要參數(shù)正向—最大平均電流IF反向—最大反向工作電壓U(BR)(超過則擊穿)反向飽和電流IR(IS)(受溫度影響)IS3.二極管的等效模型理想模型(大信號狀態(tài)采用)uDiD正偏導(dǎo)通電壓降為零相當(dāng)于理想開關(guān)閉合反偏截止電流為零相當(dāng)于理想開關(guān)斷開恒壓降模型UD(on)正偏電壓UD(on)

時導(dǎo)通等效為恒壓源UD(on)否則截止，相當(dāng)于二極管支路斷開UD(on)=(0.60.8)V估算時取0.7V硅管：鍺管：(0.10.3)V0.2V折線近似模型相當(dāng)于有內(nèi)阻的恒壓源UD(on)4.二極管的分析方法模型法微變等效電路法5.特殊二極管工作條件主要用途穩(wěn)壓二極管反偏穩(wěn)壓發(fā)光二極管正偏發(fā)光光敏二極管反偏光電轉(zhuǎn)換三、半導(dǎo)體放大器件晶體三極管1.形式與結(jié)構(gòu)NPNPNP三區(qū)、三極、兩結(jié)2.特點(diǎn)基極電流控制集電極電流并實(shí)現(xiàn)放大放大條件內(nèi)因：發(fā)射區(qū)載流子濃度高、

基區(qū)薄、集電區(qū)面積大外因：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏3.電流關(guān)系IE=IC+IBIC=

IB+ICEO

IE=(1+)

IB+ICEOIE=IC+IBIC=

IB

IE