半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

關(guān)于半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識§1.1半導(dǎo)體的基本知識自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109

cm。一、半導(dǎo)體及其特性1、什么是半導(dǎo)體第2頁,共76頁，2024年2月25日，星期天現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。GeSi電子器件所用的半導(dǎo)體具有晶體結(jié)構(gòu)，因此把半導(dǎo)體也稱為晶體。第3頁,共76頁，2024年2月25日，星期天2、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1）熱敏性與溫度有關(guān)。溫度升高，導(dǎo)電能力增強。2）光敏性與光照強弱有關(guān)。光照強，導(dǎo)電能力增強3）摻雜性加入適當雜質(zhì)，導(dǎo)電能力顯著增強。3、常用半導(dǎo)體材料1）元素半導(dǎo)體如：硅、鍺2）化合物半導(dǎo)體如：砷化鎵3）摻雜或制成其他化合物半導(dǎo)體的材料如；硼、磷、銦、銻第4頁,共76頁，2024年2月25日，星期天1、本征半導(dǎo)體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征半導(dǎo)體。如硅晶體中，原子之間靠的很近，分屬于每個原子的價電子受到相鄰原子的影響，而使價電子為兩個原子所共有，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。在高度純凈的硅晶體中，所有外層電子均用于構(gòu)成共價鍵，沒有多余的自由電子，只有通過很強的力才能使電子脫離晶體束縛。1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)一、半導(dǎo)體物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機理第5頁,共76頁，2024年2月25日，星期天硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子第6頁,共76頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共76頁，2024年2月25日，星期天2）本征半導(dǎo)體的導(dǎo)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(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子，它的導(dǎo)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。電子—空穴對的產(chǎn)生第8頁,共76頁，2024年2月25日，星期天+4+4+4+4電子—空穴對的產(chǎn)生自由電子空穴束縛電子第9頁,共76頁，2024年2月25日，星期天兩種導(dǎo)電方式+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引臨近的價電子來填補。這樣的結(jié)果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，即：空穴電流在外電場作用下，有兩部分電流：1、自由電子定向移動。2、空穴電流第10頁,共76頁，2024年2月25日，星期天說明復(fù)合：激發(fā)：

激發(fā)和復(fù)合成對產(chǎn)生成對消失載流子：電子和空穴漂移運動：載流子在電場力的作用下的定向運動自由電子向電源正極移動，空穴向負極移動。雖然電子、空穴的運動方向相反，但在外電路中形成電流卻一致。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。溫度越高，載流子的濃度越高。溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。第11頁,共76頁，2024年2月25日，星期天2雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。使自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體（電子半導(dǎo)體），使空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體（空穴半導(dǎo)體）。第12頁,共76頁，2024年2月25日，星期天1）N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。第13頁,共76頁，2024年2月25日，星期天+4+4+5+4N型半導(dǎo)體多余電子磷原子++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體第14頁,共76頁，2024年2月25日，星期天N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。3、摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)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(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。第15頁,共76頁，2024年2月25日，星期天2）P型半導(dǎo)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(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)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。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。第16頁,共76頁，2024年2月25日，星期天+4+4+3+4空穴P型半導(dǎo)體硼原子－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體第17頁,共76頁，2024年2月25日，星期天總結(jié)1、N型半導(dǎo)體中電子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，本征半導(dǎo)體中受激產(chǎn)生的電子只占少數(shù)。N型半導(dǎo)體中空穴是少子，少子的遷移也能形成電流，由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。2、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。3、多子由摻雜濃度決定，少子由溫度決定。第18頁,共76頁，2024年2月25日，星期天三、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?、PN結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。第19頁,共76頁，2024年2月25日，星期天P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)1）多數(shù)載流子的擴散運動及空間電荷區(qū)的產(chǎn)生(即:PN結(jié)的產(chǎn)生)(濃度差產(chǎn)生)第20頁,共76頁，2024年2月25日，星期天2、擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E2）內(nèi)電場的形成及其作用{1、內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。阻擋多子擴散促進少子漂移3）矛盾運動3、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。第21頁,共76頁，2024年2月25日，星期天－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位UU04）內(nèi)建電勢差第22頁,共76頁，2024年2月25日，星期天1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。3、P中的電子和N中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。請注意第23頁,共76頁，2024年2月25日，星期天2PN結(jié)的特性--單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負電壓。

PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是：P區(qū)加負、N區(qū)加正電壓。第24頁,共76頁，2024年2月25日，星期天1)PN結(jié)正向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。第25頁,共76頁，2024年2月25日，星期天2)PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。第26頁,共76頁，2024年2月25日，星期天在PN結(jié)的兩端加上電壓后，通過管子的電流I隨管子兩端電壓V變化的曲線-伏安特性。PN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。PN結(jié)伏安特性第27頁,共76頁，2024年2月25日，星期天1.2二極管二極管的結(jié)構(gòu)和分類二極管的符號和型號二極管的伏安特性二極管的參數(shù)二極管的溫度特性二極管的應(yīng)用第28頁,共76頁，2024年2月25日，星期天一、

二極管的結(jié)構(gòu)和分類

在PN結(jié)上加上引線和外殼，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)一般分有點接觸型、面接觸型(1)點接觸型二極管—(a)點接觸型圖二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。1、結(jié)構(gòu)第29頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

圖二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(c)平面型(3)平面型二極管—往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管—

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型第30頁,共76頁，2024年2月25日，星期天2、分類1）按材料分：硅管和鍺管2）按結(jié)構(gòu)分：點接觸和面接觸3）按用途分：檢波、整流……4）按頻率分：高頻和低頻二、、符號和型號AK陽極、P型材料陰極、N型材料第31頁,共76頁，2024年2月25日，星期天半導(dǎo)體二極管的型號國家標準對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：第32頁,共76頁，2024年2月25日，星期天三、二極管的伏安特性式中IS

為反向飽和電流，u為二極管兩端的電壓降，UT=kT/q

稱為溫度的電壓當量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q

為電子電荷量，T為熱力學(xué)溫度。對于室溫（相當T=300K），則有UT=26mV。二極管的伏安特性曲線可用下式表示第33頁,共76頁，2024年2月25日，星期天圖二極管的伏安特性曲線圖示第34頁,共76頁，2024年2月25日，星期天1、正向特性硅二極管的死區(qū)電壓Uth=0.6V-0.7V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Uth=0.2V-0.3V左右。

當0＜U＜Uth時，正向電流為零，Uth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。

當U＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：

當U＞Uth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。第35頁,共76頁，2024年2月25日，星期天2、反向特性當

U＜0時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：

當UBR＜U＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS

。

當U≥UBR時，反向電流急劇增加，UBR稱為反向擊穿電壓。第36頁,共76頁，2024年2月25日，星期天PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_第37頁,共76頁，2024年2月25日，星期天四、二極管的參數(shù)

(1)最大整流電流IF——二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓UBR———

二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓URM一般只按反向擊穿電壓UBR的一半計算。最大反向工作電壓URM------第38頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

(3)反向電流IR

(4)正向壓降UF(5)動態(tài)電阻rd硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(

A)級。在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然，rd與工作電流的大小有關(guān)，即

rd=

UF/

IF第39頁,共76頁，2024年2月25日，星期天iDUDIDUDQ

iD

UDrD是二極管特性曲線工作點Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對Q附近的微小變化量的電阻。第40頁,共76頁，2024年2月25日，星期天五、二極管的溫度特性

溫度對二極管的性能有較大的影響，溫度升高時，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如硅二極管溫度每增加8℃，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加12℃，反向電流大約增加一倍。另外，溫度升高時，二極管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降UF(UD)大約減小2mV，即具有負的溫度系數(shù)。第41頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

圖溫度對二極管伏安特性曲線的影響圖示第42頁,共76頁，2024年2月25日，星期天例1一限幅電路如圖（a），R=1kΩ,UREF=3V。（1）當ui=0V、6V時，分別求輸出uO的值；（2）當ui=6sinωtV時，畫出輸出電壓uo的波形（正向壓降為零）。六、二極管的應(yīng)用第43頁,共76頁，2024年2月25日，星期天例2、

二極管構(gòu)成“門”電路，設(shè)V1、V2均為理想二極管，當輸入電壓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第44頁,共76頁，2024年2月25日，星期天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第45頁,共76頁，2024年2月25日，星期天例3、

畫出硅二極管構(gòu)成的橋式整流電路在ui

=15sin

t(V)作用下輸出uO的波形。(按理想模型)Otui

/V15RLV1V2V3V4uiBAuO第46頁,共76頁，2024年2月25日，星期天OtuO/V15第47頁,共76頁，2024年2月25日，星期天1.3穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是應(yīng)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(b)一、特性(a)二、符號第48頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

(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(yīng)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/

IZ三、主要參數(shù)第49頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

(3)最大耗散功率

PZM

——

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

PZ=UZIZ，由

PZM和UZ可以決定IZmax。

(4)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin—————

穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax=UZIZmax。而Izmin對應(yīng)VZmin。若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。第50頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

穩(wěn)壓二極管在工作時應(yīng)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(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。(c)四、穩(wěn)壓管的應(yīng)用第51頁,共76頁，2024年2月25日，星期天1、光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IV照度增加五、其它特殊二極管第52頁,共76頁，2024年2月25日，星期天2、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。常用作顯示器件。第53頁,共76頁，2024年2月25日，星期天第54頁,共76頁，2024年2月25日，星期天1.4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兩個結(jié)、三個區(qū)、三個極E的箭頭方向為發(fā)射結(jié)加正向電壓時電流的方向基本結(jié)構(gòu)與分類1、第55頁,共76頁，2024年2月25日，星期天BECNNP基極發(fā)射極集電極1）基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低3）集電區(qū)：面積較大2）發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高2、結(jié)構(gòu)特點第56頁,共76頁，2024年2月25日，星期天3、分類：1）按材料分：硅管、鍺管4）按功率分：小功率管<500mW2）按結(jié)構(gòu)分：NPN、PNP2）3）按使用頻率分：低頻管、高頻管大功率管>1W中功率管0.5

1W第57頁,共76頁，2024年2月25日，星期天半導(dǎo)體三極管圖片第58頁,共76頁，2024年2月25日，星期天二、電流放大原理1.三極管放大的條件內(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2.滿足放大條件的三種電路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共發(fā)射極共集電極共基極第59頁,共76頁，2024年2月25日，星期天3.三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程1)

發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入多子電子，形成發(fā)射極電流

IE。ICN多數(shù)向BC結(jié)方向擴散形成ICN。IE少數(shù)與空穴復(fù)合，形成IBN。IBN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)電子在基區(qū)擴散與復(fù)合電子到達基區(qū)后(基區(qū)空穴運動因濃度低而忽略)第60頁,共76頁，2024年2月25日，星期天ICNIEIBNI

CBOIB

3)

集電區(qū)收集擴散過來的載流子形成集電極電流ICICIC=ICN+ICBO第61頁,共76頁，2024年2月25日，星期天三、三極管的電流控制作用當管子制成后，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1、電流分配關(guān)系IE=IC+IB2、電流的放大作用直流放大系數(shù)≈第62頁,共76頁，2024年2月25日，星期天IE=IC+IB定義：為交流放大系數(shù)一般的，β＝當EB↑→IB↑→Ic↑↑→RcIc↑↑(IB=EB/RB)第63頁,共76頁，2024年2月25日，星期天四、晶體三極管的特性曲線１、輸入特性輸入回路輸出回路與二極管特性相似時第64頁,共76頁，2024年2月25日，星期天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：(0.6

0.8)V鍺管：

(0.2

0.3)V取0.7V取0.2V第65頁,共76頁，2024年2月25日，星期天２、輸出特性iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321１）截止區(qū)：

IB

0

IC=ICEO

0條件：兩個結(jié)反偏截止區(qū)ICEO特點：分三個區(qū)第66頁,共76頁，2024年2月25日，星期天iC

/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：

水平、等間隔ICEO第67頁,共76頁，2024年2月25日，星期天iC

/mAuCE

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

u

BEuCB=uCE

u

BE

0條件：兩個結(jié)正偏特點：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)ICEOIc的大小取決于Ec和Rc，第68頁,共76頁，2024年2月25日，星期天五、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1

C，UBE

(22.5)mV。溫度每升高10

C，ICBO

約增大1倍。OT2>T1第69頁,共76頁，2024年2月25日，星期天2.溫度升高，輸出特性曲線向上移。iCuCE

T1iB=0T2>iB=0iB=0溫度每升高1

C，

(0.51)%。輸出特性曲線間距增大。O第70頁,共76頁，2024年2月25日，星期天六、晶體三極管的主要參數(shù)１、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)第71頁,共76頁，2024年2月25日，星期天iC

/mAuCE

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

1一般在