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1、半导体基础知识第1页，共37页，编辑于2022年，星期五第一章 半导体二极管和三极管1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 1.3 晶体三极管晶体三极管第2页，共37页，编辑于2022年，星期五1 半导体基础知识一、本征半导体一、本征半导体二、杂质半导体二、杂质半导体三、三、PNPN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性四、四、PNPN结的电容效应结的电容效应第3页，共37页，编辑于2022年，星期五一、本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体
2、。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1 1、什么是半导体？什么是本征半导体？、什么是半导体？什么是本征半导体？导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子），均为四价元素，它们原子的最
3、外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。第4页，共37页，编辑于2022年，星期五2、本征半导体的结构 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。浓度加大。第5页，共37页，编辑于2022年，星期五 外加电场时，带负电的自由电子和外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方带正
4、电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。温度升高，热运动加剧，载流子温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。浓度增大，导电性增强。热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。第6页，共37页，编辑于2022年，星期五二、杂质半导体 1.N N型半导体 杂质半导体主要靠多数载流杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现浓度越高，导电性
5、越强，实现导电性可控。导电性可控。空穴比未加杂质时的数目多了？空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？少了？为什么？第7页，共37页，编辑于2022年，星期五2.2.P型半导体 P型半导体主要靠空穴导电，掺入型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，强，在杂质半导体中，温度变化时，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？度的变化相同吗？第8页，共37页，编辑于2022年，星期五三、PN结的形成及其单向导电性 物质因浓
6、度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。体、固体均有之。P区空穴浓区空穴浓度远高于度远高于N区。区。扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的区的自由电子浓度降低，产生内电场。自由电子浓度降低，产生内电场。第9页，共37页，编辑于2022年，星期五PN 结的形成 因电场作用所产生因电场作用所产生的运动称为漂移运动。的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了就形成了PN结。结。由于扩
7、散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由区、自由电子从电子从P区向区向N 区运动。区运动。第10页，共37页，编辑于2022年，星期五PN结加正向电压导通：结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散由于外电源的作用，形成扩散电流，电流，PNPN结处于导通状态。结处于导通状态。PN结加反向电压截止：结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运
8、动，形成漂移电流。有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其由于电流很小，故可近似认为其截止。截止。PN 结的单向导电性第11页，共37页，编辑于2022年，星期五清华大学 华成英 四、PN 结的电容效应1.势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，
9、也有电荷的积累和释放的过程，浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容其等效电容称为扩散电容Cd。结电容：结电容：结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！单向导电性！第12页，共37页，编辑于2022年，星期五问题为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少
10、子是影响温度稳定性的主要因素？子是影响温度稳定性的主要因素？为什么半导体器件有最高工作频率？为什么半导体器件有最高工作频率？第13页，共37页，编辑于2022年，星期五2 半导体二极管一、二极管的组成一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数五、稳压二极管五、稳压二极管第14页，共37页，编辑于2022年，星期五 一、二极管的组成将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。第15页，共37页，编辑于2022年，星期五 一、二极管的组成点接触型
11、：结面积小，点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率电流小，最高工作频率高。高。面接触型：结面积大，结面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。大，最高工作频率低。平面型：结面积可小、可平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。的结允许的电流大。第16页，共37页，编辑于2022年，星期五 二、二极管的伏安特性及电流方程材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A二极管的电流与
12、其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。第17页，共37页，编辑于2022年，星期五第18页，共37页，编辑于2022年，星期五利用Multisim测试二极管伏安特性第19页，共37页，编辑于2022年，星期五从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安特性可以反映出：1.单向导电性单向导电性2.伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移增大增大1倍倍/10第20页，共37页，编辑于2022年，星期五三、二极管的等效电路
13、理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！1.将伏安特性折线化第21页，共37页，编辑于2022年，星期五2.微变等效电路Q越高，越高，rd越小。越小。当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。第22页，共37页，编辑于2022年，星期五四、二极管的主要参数最大整流电流最大整流电流IF：最大平均值：最大平均值最大反向
14、工作电压最大反向工作电压UR：最大瞬时值：最大瞬时值反向电流反向电流 IR：即：即IS最高工作频率最高工作频率fM：因：因PN结有电容效应结有电容效应第四版第四版P20第23页，共37页，编辑于2022年，星期五讨论：解决两个问题解决两个问题如何判断二极管的工作状态？如何判断二极管的工作状态？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？uD=ViRQIDV与与uD可比，则需图解：可比，则需图解：对对V和和Ui二极管二极管的模型有的模型有什么不同？什么不同？第24页，共37页，编辑于2022年，星期五五、稳压二极管1.伏安特性 由一个由一个PN结组成，结组成，反向
15、击穿后在一定反向击穿后在一定的电流范围内端电的电流范围内端电压基本不变，为稳压基本不变，为稳定电压。定电压。2.主要参数稳定电压稳定电压UZ、稳定电流、稳定电流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ/IZ 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！第25页，共37页，编辑于2022年，星期五1.3 1.3 晶体三极管一、晶体管的结构和符号一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放大原理二
16、、晶体管的放大原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、温度对晶体管特性的影响四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数五、主要参数第26页，共37页，编辑于2022年，星期五 一、晶体管的结构和符号晶体管有三个极、三个区、两个晶体管有三个极、三个区、两个PN结。结。小功率管小功率管第27页，共37页，编辑于2022年，星期五二、晶体管的放大原理 扩散运动形成发射极电流扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流漂移运动形成集电极电流IC。第28页，共37页，编辑于2022年，星期五电流分配：电流分配：I IE
17、 EI IB BI IC C I IE E扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流 I IB B复合运动形成的电流复合运动形成的电流 I IC C漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流为什么基极开路集电极回路会为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？有穿透电流？第29页，共37页，编辑于2022年，星期五三、晶体管的共射输入特性和输出特性 对于小功率晶体管，对于小功率晶体管，UCE大于大于1V的一条输入特性曲线可以取的一条输入特性曲线可以取代代UCE大于大于1V的所有输入特性曲线。的所有输入特性曲线。1.输入特性第30页，共37页，编辑于2022年，星期五2.输出特性是常数吗？什么是理想晶体管？什么情
18、况下是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下?对应于一个对应于一个IB就有一条就有一条iC随随uCE变化的曲线。变化的曲线。第31页，共37页，编辑于2022年，星期五晶体管的三个工作区域 晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入几乎仅仅决定于输入回路的电流回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源控制的电流源iC。状态状态uBEiCuCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE饱和饱和 UoniB uBE第32页，共37页，编辑于2022年，星期五四、温度对晶体管特性的影响
19、第33页，共37页，编辑于2022年，星期五五、主要参数 直流参数直流参数：、ICBO、ICEO安全工作区安全工作区 交流参数：交流参数：、fT（使1的信号频率）极限参数极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO第34页，共37页，编辑于2022年，星期五清华大学 华成英 讨论一由图示特性求出由图示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO、。2.7第35页，共37页，编辑于2022年，星期五讨论二：利用利用Multisim测试晶体管的输出特性测试晶体管的输出特性第36页，共37页，编辑于2022年，星期五利用利用Multisim分析图示电分析图示电路在路在V2小于何值时晶体管截小于何值时晶体管截止、大于何值时晶体管饱和。止、大于何值时晶体管饱和。讨论三 以以V2作为输入、以节点作为输入、以节点1作为输出，采用直流扫描作为输出，采用直流扫描的方法可得！的方法可得！描述输出电压与输出电压之描述输出电压与输出电压之间函数关系的曲线，称为电压间函数关系的曲线，称为电压传输特性。传输特性。第37页，共37页，编辑于2022年，星期五