模電半導體基礎知識課件

模擬電子技術基礎任課教師：張偉電話：E-mail：辦公室：3號樓N5051作業(yè)：按時交，可補交（不批改）。實驗：6次，遵守實驗室紀律，認真寫實驗報告。期末考試成績：期末考試60％＋期中20％＋平時成績10％+實驗10％2緒論電子技術基礎數字電子技術基礎模擬電子技術基礎33、電子技術發(fā)展簡介1）電子器件的發(fā)展簡介1904年發(fā)明了真空二極管1906年發(fā)明了真空三極管1912年發(fā)明了再生式放大器1917年發(fā)明了振蕩器和超外差式電路1947年發(fā)明了晶體管1960年發(fā)明了場效應管52）集成電路發(fā)展簡介1960年發(fā)明了小規(guī)模的集成電路（SSI）1964年小規(guī)模的MOS集成電路1966年中規(guī)模的集成電路（MSI）1969年大規(guī)模的集成電路（LSI）1975年超大規(guī)模的集成電路（VLSI）6二、本課程的任務、研究內容

1、掌握各種功能電路的組成原理及其性能特點，具有集成器件應用的設計能力。2、掌握電子技術的基本理論、基本知識、基本技能，為后續(xù)課程打好基礎。3、研究內容是電子器件（包括組件）、基本電子電路及其構成的應用系統(tǒng)。4、器件電路應用系統(tǒng)

7第一章常用半導體器件1.1半導體基礎知識1.2半導體二極管1.3三極管1.4場效應管1.5晶閘管1.6集成電路中的元件91概念2半導體分類1.1半導體基礎知識

10導體：自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料。半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。11一、本征半導體二、雜質半導體半導體分類13一、本征半導體

1、本征半導體的晶體結構2、本征半導體中的兩種載流子3、本征半導體中的載流子的濃度141、本征半導體的晶體結構GeSi現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。15硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子17共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4返回182、本征半導體的導電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴192.本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。21溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動產生的電流。2.空穴移動產生的電流。（在本征半導體中自由電子和空穴成對出現，同時又不斷的復合）返回22二、雜質半導體1、N型半導體2、P型半導體3、PN結（重點）在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。23+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導體中的載流子是什么？1.由磷原子提供的電子，濃度與磷原子相同。2.本征半導體中成對產生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數載流子（多子），空穴稱為少數載流子（少子）。25二、P型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半導體中空穴是多子，電子是少子。26三、雜質半導體的符號－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體返回27總結2.N型半導體中電子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，N型半導體中空穴是少子，少子的遷移也能形成電流，由于數量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。3.P型半導體中空穴是多子，電子是少子。1.本征半導體中受激產生的電子很少。返回29PN結的形成在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結。30P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動(濃度差產生)內電場E漂移運動（電場力作用）擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。31漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。32－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0331.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內電場阻礙P區(qū)中的空穴.N區(qū)

中的電子（都是多子）向對方運動（擴散運動）。3.P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少），數量有限，因此由它們形成的電流很小。小結返回34(1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)

外電場的方向與內電場方向相反。

外電場削弱內電場→耗盡層變窄→擴散運動＞漂移運動→多子擴散形成正向電流IF正向電流

PN結的單向導電性35(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū)

外電場的方向與內電場方向相同。

外電場加強內電場→耗盡層變寬→漂移運動＞擴散運動→少子漂移形成反向電流IRPN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關，所以稱為反向飽和電流。但IR與溫度有關。

36PN結加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現低電阻，PN結導通；

PN結加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現高電阻，PN結截止。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。返回37

3、PN結的伏安特性381.2半導體二極管1、基本結構PN結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。引線外殼線觸絲線基片點接觸型PN結面接觸型PN二極管的電路符號：陽極+陰極-392、伏安特性UI死區(qū)電壓(開啟電壓)硅管0.5V,鍺管0.1V。導通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR反向擊穿電流Is403.主要參數1.最大整流電流IF二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。3.反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓UR一般是UBR的一半。2.反向工作峰值電壓UR保證二極管不被擊穿時的反向峰值電壓。414.反向電流IR指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。二極管工作的上限頻率，超過此值，由于結電容的作用，不能很好的體現單向導電性。5.最高工作頻率fM42UIUon4二極管的等效電路43二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降0.7V(硅二極管)理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0RLuiuouiuott二極管的應用舉例1：二極管半波整流二極管的應用是主要利用它的單向導電性，主要應用于整流、限幅、保護等等。445.穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是應用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣。UI45

圖穩(wěn)壓二極管的伏安特性

(a)符號(b)伏安特性(b)(a)46

從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓二極管的參數。

(1)穩(wěn)定電壓UZ—(2)動態(tài)電阻rZ——

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。

其概念與一般二極管的動態(tài)電阻相同，只不過穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

rZ=UZ/IZ47

(4)最大耗散功率

PZM

——

穩(wěn)壓管的最大功率損耗取決于PN結的面積和散熱等條件。反向工作時PN結的功率損耗為

PZ=VZIZ，由

PZM和VZ可以決定IZmax。

(3)最大穩(wěn)定工作電流IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin—————48(5)穩(wěn)定電壓溫度系數——VZ

溫度的變化將使VZ改變，在穩(wěn)壓管中當VZ

＞7

V時，VZ具有正溫度系數，反向擊穿是雪崩擊穿。當VZ＜4

V時，VZ具有負溫度系數，反向擊穿是齊納擊穿。當4

V＜VZ

＜7

V時，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標準穩(wěn)壓管使用。49

穩(wěn)壓二極管在工作時應反接，并串入一只電阻。電阻的作用一是起限流作用，以保護穩(wěn)壓管；其次是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。(c)穩(wěn)壓二極管工作50穩(wěn)壓二極管的應用舉例例2在圖1.1.13中，已知穩(wěn)壓二極管的UVDZ=6.3V,當UI=±20V，R=1kΩ時，求UO。已知穩(wěn)壓二極管的正向導通壓降UF=0.7V。解當UI=+20V,VDZ1反向擊穿穩(wěn)壓，UVDZ1=6.3V，VDZ2正向導通，UF2=0.7V，則UO=+7V；同理，UI=-20V,UO=-7V。例1書p661.751uoiZDZRiLiuiRL例2穩(wěn)壓管的技術參數:解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax——方程1要求當輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動時，負載電壓基本不變。求：電阻R和輸入電壓ui的正常值。52令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin?！匠?uoiZDZRiLiuiRL聯立方程1、2，可解得：53光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加54發(fā)光二極管有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。返回55一、三極管的結構及類型二、晶體管的電流放大作用三、晶體管的共射特性放大曲線四、晶體管的主要參數五、溫度對晶體管特性及參數的影響1.3半導體三極管56一基本結構三極管是由兩個PN結、3個雜質半導體區(qū)域組成的，因雜質半導體有P、N型兩種，所以三極管的組成形式有NPN型和PNP型兩種。57BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型58BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高59BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結集電結60BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管符號61注意，PNP型和NPN型三極管表示符號的區(qū)別是發(fā)射極的箭頭方向不同，這個箭頭方向表示發(fā)射結加正向偏置時的電流方向。使用中要注意電源的極性，確保發(fā)射結永遠加正向偏置電壓，三極管才能正常工作。

三極管根據基片的材料不同，分為鍺管和硅管兩大類，目前國內生產的硅管多為NPN型（3D系列），鍺管多為PNP型（3A系列）；從頻率特性分，可分為高頻管和低頻管；從功率大小分，可分為大功率管、中功率管和小功率管，等等。實際應用中采用NPN型三極管較多，所以下面以NPN型三極管為例加以討論，所得結論對于PNP三極管同樣適用。返回62ICmAAVVUCEUBERBIBECEB1、一個實驗二

晶體管的電流放大作用BECmA63結論:1.IE=IC+IB3.要使晶體管放大,發(fā)射結必須正偏,集電結必須反偏。642、電流放大原理BECNNPEBRBECIE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。IBE進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IBE

，多數擴散到集電結。發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。65BECNNPEBRBECIE集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE從基區(qū)擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。66IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBEIE=IC+IB67ICE與IBE之比稱為電流放大倍數

返回68

iB是輸入電流，vBE是輸入電壓，加在B、E兩電極之間。

iC是輸出電流，vCE是輸出電壓，從C、E兩電極取出。

輸入特性曲線——

iB=f(vBE)

vCE=const輸出特性曲線——

iC=f(vCE)

iB=const本節(jié)介紹三極管的特性曲線，即三雙極型半導體三極管的特性曲線IEIBRBUBICUCCRC＋--＋UBEUCE691.輸入特性曲線IB

=f(UBE)UCE=常數IEIBRBUBICUCCRC＋--＋UBEUCE70UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.1V。輸入特性曲線IB

=f(UBE)UCE=常數712、輸出特性特性曲線IC

=g

(UCE)|IB=

常數IEIBRBUBICUCCRC＋--＋UBEUCE72輸出特性曲線IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC=IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。當UCE大于一定的數值時，IC只與IB有關，IC=IB。IC

=g

(UCE)|IB=

常數73IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCEUBE,集電結正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。74IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。75輸出特性三個區(qū)域的特點:放大區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結反偏。即：IC=IB,且IC

=

IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區(qū)：

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO

0

返回76四、主要參數前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接法，相應地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數：工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號?；鶚O電流的變化量為IB，相應的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數為：1.電流放大倍數和

77例：UCE=6V時：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：=782.集-基極反向截止電流ICBOAICBOICBO是集電結反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。79BECNNPICBOICEO=

IBE+ICBO

IBEIBEICBO進入N區(qū)，形成IBE。根據放大關系，由于IBE的存在，必有電流IBE。集電結反偏有ICBO3.集-射極反向截止電流ICEOICEO受溫度影響很大，當溫度上升時，ICEO增加很快，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。804.集電極最大允許功耗PCM集電極電流IC

流過三極管，所發(fā)出的功率為：PC=ICUCE必定導致結