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1、Foreword现在学习的是第1页，共66页1.半导体半导体 半导体的物理特性半导体的物理特性物质根据其导电性能分为物质根据其导电性能分为 导体：导电能力良好的物质。导体：导电能力良好的物质。绝缘体：导电能力很差的物质。绝缘体：导电能力很差的物质。半导体：是一种导电能力介于导体和绝缘体之半导体：是一种导电能力介于导体和绝缘体之 间的物质，如间的物质，如硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。第一节 半导体基础知识现在学习的是第2页，共66页半导体的导电能力具有独特的性质。半导体的导电能力具有独特的性质。温度升高时，纯净的半导体的导电能力显著增加；温度升高
2、时，纯净的半导体的导电能力显著增加；在在纯纯净净半半导导体体材材料料中中加加入入微微量量的的“杂杂质质”元元素素，它的电导率就会成千上万倍地增长；它的电导率就会成千上万倍地增长；纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高。纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高。现在学习的是第3页，共66页半导体的晶体结构半导体的晶体结构原子的组成：原子的组成：带正电的原子核带正电的原子核 若干个围绕原子核运动的带负电的电子若干个围绕原子核运动的带负电的电子 且整个原子呈电中性。且整个原子呈电中性。半导体器件的材料：半导体器件的材料：硅硅（Silicon-SiSilicon-Si）：四四价价元元素素，硅硅的的原
3、原子子序序数数是是1414，外层有，外层有4 4个电子。个电子。锗锗（Germanium-GeGermanium-Ge）：也也是是四四价价元元素素，锗锗的的原原子子序数是序数是3232，外层也是，外层也是4 4个电子。个电子。现在学习的是第4页，共66页简化原子结构模型如图的简化形式。简化原子结构模型如图的简化形式。+4惯性核惯性核价电子价电子 硅和锗的简化原子模型硅和锗的简化原子模型现在学习的是第5页，共66页单晶半导体结构特点单晶半导体结构特点：共共价价键键:由由相相邻邻两两个个原原子子各各拿拿出出一一个个价价电电子子组组成成价价电电子子对对所所构构成成的的联联系。系。下下图是晶体共价键结
4、构的平面示意图。图是晶体共价键结构的平面示意图。晶体共价键结构平面示意图晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键共价键现在学习的是第6页，共66页2.半导体的导电原理半导体的导电原理 本征半导体本征半导体（Intrinsic SemiconductorIntrinsic Semiconductor）纯净的、结构完整的单晶半导体，称为本征半导体。纯净的、结构完整的单晶半导体，称为本征半导体。物物质质导导电电能能力力的的大大小小取取决决于于其其中中能能参参与与导导电电的的粒粒子子载载流子的多少。流子的多少。本本征征半半导导体体在在绝绝对对零零度度（T=0KT=0K相相当当
5、于于T=T=273273）时时，相当于绝缘体。相当于绝缘体。在室温条件下，本征半导体便具有一定的导电能力。在室温条件下，本征半导体便具有一定的导电能力。现在学习的是第7页，共66页半导体中的载流子半导体中的载流子自由电子自由电子空穴空穴空穴和自由电子同时参加导电，是半导体的重要特点空穴和自由电子同时参加导电，是半导体的重要特点 价价电电子子挣挣脱脱共共价价键键的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子的的同同时时，在在原原来来的的共共价价键键位位置置上上留留下下了了一一个个空空位位，这这个个空空位位叫叫做做空空穴。穴。空穴带正电荷。空穴带正电荷。现在学习的是第8页，共66页在在本本征征半半导导体体中
6、中，激激发发出出一一个个自自由由电电子子，同同时时便便产产生生一一个个空空穴穴。电子和空穴总是成对地产生，称为电子空穴对。电子和空穴总是成对地产生，称为电子空穴对。半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过程叫做本征激发。半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过程叫做本征激发。产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。现在学习的是第9页，共66页BA空穴空穴自由电子自由电子图图 晶体共价键结构平面示意图晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共价键共价键空穴的运动实质上是价电子填补空穴而形成的。空穴的运动实质上是价电子填补空穴而形成的。现在
7、学习的是第10页，共66页由由于于空空穴穴带带正正电电荷荷，且且可可以以在在原原子子间间移移动动，因因此此，空穴是一种载流子。空穴是一种载流子。半半导导体体中中有有两两种种载载流流子子：自自由由电电子子载载流流子子（简简称称电电子子）和和空空穴穴载载流流子子（简简称称空空穴穴），它它们们均均可可在在电电场场作用下形成电流。作用下形成电流。现在学习的是第11页，共66页半半导导体体由由于于热热激激发发而而不不断断产产生生电电子子空空穴穴对对，那那么么，电电子子空空穴穴对对是是否否会会越越来来越越多多，电电子子和和空空穴穴浓浓度度是是否否会会越越来来越越大呢？大呢？实实验验表表明明，在在一一定定的
8、的温温度度下下，电电子子浓浓度度和和空空穴穴浓浓度度都都保持一个定值。保持一个定值。半导体中存在半导体中存在载流子的产生过程载流子的产生过程载流子的复合过程载流子的复合过程现在学习的是第12页，共66页综上所述：综上所述：(1)(1)半半导导体体中中有有两两种种载载流流子子：自自由由电电子子和和空空穴穴，电电子子带带负电，空穴带正电。负电，空穴带正电。(2)(2)本本征征半半导导体体中中，电电子子和和空空穴穴总总是是成成对对地地产产生生，ni ni=pipi。(3)(3)半导体中，同时存在载流子的产生和复合过程。半导体中，同时存在载流子的产生和复合过程。现在学习的是第13页，共66页a:空穴带
9、正电量空穴带正电量b：空穴是半导体中所特有的带单位正电荷的：空穴是半导体中所特有的带单位正电荷的粒子，与电子电量相等，符号相反粒子，与电子电量相等，符号相反空穴：空穴：自由电子载流子：带单位负电自由电子载流子：带单位负电空穴载流子空穴载流子 ：带单位正电：带单位正电1、在本征激发（或热激发）中，电子，空穴成对产生。、在本征激发（或热激发）中，电子，空穴成对产生。2、在常温下本征半导体内有两种载流子。、在常温下本征半导体内有两种载流子。载流子：物体内运载电荷的粒子，决定物体的导电能力。载流子：物体内运载电荷的粒子，决定物体的导电能力。在外电场的作用下，电子、空穴运动方向相反，对电流在外电场的作用
10、下，电子、空穴运动方向相反，对电流的贡献是叠加的。的贡献是叠加的。注意：注意：现在学习的是第14页，共66页本征激发本征激发电子电子空穴空穴E g1电子电子 空穴空穴随机碰撞随机碰撞复合复合 （自由电子释放能量）电子空穴对消失（自由电子释放能量）电子空穴对消失23本征激发本征激发动态平衡动态平衡复合复合 是电子空穴对的两种矛盾运动形式。是电子空穴对的两种矛盾运动形式。则则 ni=pi本征载流子浓度：本征载流子浓度：现在学习的是第15页，共66页 杂质半导体杂质半导体本征半导体的电导率很小，而且受温度和光照等条件影响甚大，不本征半导体的电导率很小，而且受温度和光照等条件影响甚大，不能直接用来制造
11、半导体器件。能直接用来制造半导体器件。本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺入微量元素，导电能力显著提本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺入微量元素，导电能力显著提高。高。掺入的微量元素掺入的微量元素“杂质杂质”。掺入了掺入了“杂质杂质”的半导体称为的半导体称为“杂质杂质”半导体。半导体。现在学习的是第16页，共66页常用的杂质元素常用的杂质元素三价的硼、铝、铟、镓三价的硼、铝、铟、镓五价的砷、磷、锑五价的砷、磷、锑通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制成各种各样通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制成各种各样的半导体器件。的半导体器件。杂质半导体分为：杂质半导体分为：N型半导体型半导体和和
12、P型半导体型半导体。现在学习的是第17页，共66页N型半导体室温T=300k+5现在学习的是第18页，共66页 P型半导体型半导体-现在学习的是第19页，共66页综上所述：综上所述：(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。型半导体。N型半导型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参加导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。电的正离子。(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。其中空穴是型半导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，此外还有不参加
13、导电的负离子。多数载流子，电子是少数载流子，此外还有不参加导电的负离子。(3)杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本征激发产生，其杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本征激发产生，其浓度与温度有关。浓度与温度有关。现在学习的是第20页，共66页(3)漂移电流与扩散电流漂移电流与扩散电流引起载流子定向运动的原因有两种：引起载流子定向运动的原因有两种：由于电场而引起的定向运动由于电场而引起的定向运动漂移运动（漂移电流）漂移运动（漂移电流）由于载流子的浓度梯度而引起由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动的定向运动扩散运动（扩散扩散运动（扩散电流）电流）漂移电流漂移电流 在电子浓度为在电
14、子浓度为n,空穴浓度为空穴浓度为p的半导体两端的半导体两端外加电压外加电压V，在电场，在电场E的作用下，空穴将沿的作用下，空穴将沿电场方向运动，电子将沿与电场相反方向电场方向运动，电子将沿与电场相反方向运动：运动：EV现在学习的是第21页，共66页 扩散扩散 电电 流流光光照照 N型半导体x现在学习的是第22页，共66页NP+-ENP+-一、半导体的接触现象一、半导体的接触现象第二节 PN结及半导体二极管现在学习的是第23页，共66页一一PN结的动态平衡过程和接触电位结的动态平衡过程和接触电位消弱消弱内建电场内建电场ENP+-ENP+-热平衡（动态平衡）热平衡（动态平衡）现在学习的是第24页，
15、共66页NP+-E二、二、PN结的单向导电特性结的单向导电特性现在学习的是第25页，共66页1.正向偏置，正向电流正向偏置，正向电流RUNP+-UiD扩扩散散iDiDiDiD+_现在学习的是第26页，共66页NP+-2.反向偏置，反向电流反向偏置，反向电流RUUiRNP+-iRiRiRiR+_现在学习的是第27页，共66页 PN结外加正向电压结外加正向电压PN结外加正向电压时（结外加正向电压时（P正、正、N负），空间电荷区变窄。负），空间电荷区变窄。不大的正向电压，产生相当大的正向电流。不大的正向电压，产生相当大的正向电流。外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。外加电压的微小变化，扩散电流变化
16、较大。现在学习的是第28页，共66页PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，自建电场增强，多子的扩散结加反向电压时，空间电荷区变宽，自建电场增强，多子的扩散电流近似为零。电流近似为零。反向电流很小，它由少数载流子形成，与少子浓度成正比。反向电流很小，它由少数载流子形成，与少子浓度成正比。少子的值与外加电压无关，因此反向电流的大小与反向电压大小基少子的值与外加电压无关，因此反向电流的大小与反向电压大小基本无关，故称为反向饱和电流。本无关，故称为反向饱和电流。温度升高时，少子值迅速增大，所以温度升高时，少子值迅速增大，所以PN结的反向电流受温度影响很结的反向电流受温度影响很大。大。PN结外加反向电压结
17、外加反向电压 现在学习的是第29页，共66页结论结论：PN结的单向导电性：结的单向导电性：PN结加正向电压产生大的正向电流，结加正向电压产生大的正向电流，PN结导电。结导电。PN结加反向电压产生很小的反向饱和电流，近似为零，结加反向电压产生很小的反向饱和电流，近似为零，PN结不导电。结不导电。现在学习的是第30页，共66页定定量量描描绘绘PN结结两两端端电电压压和和流流过过结结的的电电流流的的关关系系的的曲曲线线PN结结的伏安特性。的伏安特性。根据理论分析，根据理论分析，PN结的伏安特性方程为结的伏安特性方程为外加电压外加电压流过流过PN结结的电流的电流电子电荷量电子电荷量q=1.610-19
18、C反向饱和电流反向饱和电流绝对温度绝对温度(K)玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数k=1.3810-23J/K自然对数的底自然对数的底3、PN结的伏安特性结的伏安特性现在学习的是第31页，共66页令令 在常温下，在常温下，T=300K，则则当当U大于大于UT数倍数倍即正向电流随正向电压的增加以指数规律迅速增大。即正向电流随正向电压的增加以指数规律迅速增大。现在学习的是第32页，共66页外加反向电压时，外加反向电压时，U为负值，当为负值，当|U|比比UT大几倍时，大几倍时，I-IS即加反向电压时，即加反向电压时，PN结只流过很小的反向饱和电流结只流过很小的反向饱和电流。现在学习的是第33页，共66页曲曲线
19、线OD段段表表示示PN结结正正向向偏偏置置时时的的伏伏安安特特性性，称为称为正向特性正向特性；曲曲线线OB段段表表示示PN结结反反向向偏偏置置时时的的伏伏安安特特性性，称称为为反向特性反向特性。U（mV）I（mA）0图图 PN结的理论伏安特性结的理论伏安特性DT=25B-IS（V）0.2550 75 100(uA)0.511.52l画出画出PN结的理论伏安特性曲结的理论伏安特性曲线。线。现在学习的是第34页，共66页加加大大PN结结的的反反向向电电压压到到某某一一值值时时，反反向向电电流流突突然然剧剧增增，这这种种现现象象称称为为PN结结击击穿穿，发发生生击击穿穿所所需需的的电电压压称称为为击
20、击穿穿电电压压，如图所示。，如图所示。反反向向击击穿穿的的特特点点：反反向向电电压压增增加加很很小小，反反向向电流却急剧增加。电流却急剧增加。UBRU（V）I（mA）0图图4-6 PN结反向击穿结反向击穿现在学习的是第35页，共66页现在学习的是第36页，共66页4、PN结的电容效应结的电容效应 现在学习的是第37页，共66页+-RUU+_iR+-现在学习的是第38页，共66页载 流 子 浓度。QpQn.PNU+U-。.（2）扩散电容）扩散电容现在学习的是第39页，共66页1.半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型在在PN结结上上加加上上引引线线和和封封装装，就就成成为为一一个个二二
21、极极管管。二二极极管管按按结结构构分分有有点点接接触触型型、面面接接触触型型和和平平面面型型三三大类。大类。(1)点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电结面积小，结电容小，用于检波和变频等容小，用于检波和变频等高频电路。高频电路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图三、半导体二极管三、半导体二极管现在学习的是第40页，共66页 PN结面积大，用于工频大电结面积大，用于工频大电流整流电路。流整流电路。(c)(c)平面型平面型 往往用于集成电路制造往往用于集成电路制造中。中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关电路用于高频整流和开关电路中
22、。中。n(3)平面型二极管平面型二极管n(2)面接触型二极管面接触型二极管n(4)二极管的代表符号二极管的代表符号(b)(b)面接触型面接触型阳极阳极阴极阴极现在学习的是第41页，共66页半导体二极管图片半导体二极管图片现在学习的是第42页，共66页半导体二极管图片半导体二极管图片现在学习的是第43页，共66页半导体二极管图片半导体二极管图片现在学习的是第44页，共66页2.二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管的伏安特性的测出。二极管的伏安特性的测出。VmAVDRRW（a）测正向特性）测正向特性VmAVDRRW（b）测反向特性）测反向特性现在学习的是第45页，共66页n二极管的伏安特性曲线
23、可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示(a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性CDoBAUBRuDiD（b b）2CP10-202CP10-20的的伏安特性曲线伏安特性曲线iD（mA）uD（V）012-100-20020406080-20-10-30（uA）7520（c c）2AP152AP15的的伏安特性曲线伏安特性曲线iD（mA）uD（V）00.4-40-80204080-0.2-0.1-0.3600.8现在学习的是第46页，共66页 正向特性正向特性死区电压：死区电压：硅管硅管 0.5V 锗管锗管 0.1V线性区：线性区：硅管硅管 0.6V1V 锗管锗管 0.2V0.5V 对温度
24、变化敏感：对温度变化敏感：温度升高温度升高正向特性曲线左移正向特性曲线左移温度每升高温度每升高1正向压降正向压降减小约减小约2mV。(a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性正向正向特性特性CDoBAUBRuDiD现在学习的是第47页，共66页 反向特性反向特性反向电流：反向电流：很小。很小。硅管硅管 0.1微安微安 锗管锗管 几十个微安几十个微安受温度影响大：受温度影响大：温度每升高温度每升高10 反向电流增加约反向电流增加约1倍。倍。反向击穿特性反向击穿特性反向击穿反向击穿UBR:几十伏以上。几十伏以上。(a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性反向反向击穿击穿特性特性CDoBAUBRuD
25、iD反向反向特性特性现在学习的是第48页，共66页3.二极管的主要参数二极管的主要参数现在学习的是第49页，共66页4.二极管的等效电路及应用二极管的等效电路及应用 二二极极管管特特性性曲曲线线的的非非线线性性，给给二二极极管管电电路路的的分分析析带带来来一一定定困困难难。为为了了简简化化分分析析，常常常常要要做做一一些些近近似似处处理理，可可用用某某些些线线性性电电路路元元件件来来等等效效二二极极管管，画出二极管的等效电路。画出二极管的等效电路。最常用的近似方法有二种。最常用的近似方法有二种。现在学习的是第50页，共66页 理想二极管等效电路理想二极管等效电路uDiDoDK理想二极管等效电路
26、理想二极管等效电路如果二极管导通时的正向压降远远小于和它串联的电压，二极管如果二极管导通时的正向压降远远小于和它串联的电压，二极管截止时的反向电流远远小于与之并联的电流，则可以忽略二极管截止时的反向电流远远小于与之并联的电流，则可以忽略二极管的正向压降和反向电流，把二极管理想化为一个开关，如图所示。的正向压降和反向电流，把二极管理想化为一个开关，如图所示。现在学习的是第51页，共66页 考虑正向压降的等效电路考虑正向压降的等效电路在在二二极极管管充充分分导导通通且且工工作作电电流流不不是是很很大大时时，二二极极管管的的正正向向压压降降UD变变化化不不大大（例例如如硅硅管管约约为为0.60.8V
27、），因因此此近近似似认认为为二二极极管管正正向向导导通通时时有有一一个个固固定定的的管管压压降降UD（硅硅管管取取0.7V，锗锗管管取取0.2V），于于是是可可用用一一固固定定电电压压源源来来等等效效正正向向导导通通的的二极管。二极管。当当外外加加电电压压U0时时，二二极极管管Dl、D3导导通通，相相当当于于开开关关闭闭合合；D2、D4截止，相当于开关断开，如图截止，相当于开关断开，如图(b)所示。因此输出电压所示。因此输出电压uO=u。uo+_u+_RLD4D2 D1D3ioAB（a）uuo+_RLD4D2 D1D3ioAB（b）+-现在学习的是第55页，共66页当当u 0且且uUR+UD时
28、时，二二极极管管D导通，开关闭合，输出电压导通，开关闭合，输出电压UO=UR十十UD。当当uUR+UD时时，二二极极管管D截截止止，开开关关断断开开，输输出出电电压压uO=u。k kU UR RR Ru uo ou u+（b）U UD D现在学习的是第60页，共66页画画出出uO的的波波形形。电电路路将将输输出出电电压压限限制制在在UR+UD以以下下，可可以以采采用用理理想想二二极极管管等等效效电电路路来来进进行行分分析析，那那么么uO的波形将近似在的波形将近似在UR电压以上削顶。电压以上削顶。k kU UR RR Ru uo ou u+（b）U UD Duo（c）U UR R+U UD D现
29、在学习的是第61页，共66页4.稳压二极管稳压二极管稳稳压压二二极极管管亦亦称称齐齐纳纳二二极极管管，与与一一般般二二极极管管不不同同之之处处是是它它正正常常工工作作在在PN结结的的反反向向击击穿穿区区。因因其其具具有有稳稳定定电电压压作作用用，故故称称为为稳稳压压管。管。稳压管的符号和特性曲线如图所示。稳压管的符号和特性曲线如图所示。现在学习的是第62页，共66页它它的的伏伏安安特特性性与与二二极极管管基基本本相相同同，只只是是稳稳压压管管正正常常工工作作时时是是利利用特性曲线的反向击穿区。用特性曲线的反向击穿区。电电流流改改变变而而电电压压基基本本不不变变的的特特性性称称为为稳稳压压特特性
30、性，稳稳压压管管就是利用这一特性工作的。就是利用这一特性工作的。UIOUZIZ UZ IZIZM（b）阴极阴极阳极阳极（a）现在学习的是第63页，共66页稳压管的主要参数：稳压管的主要参数：稳定电压稳定电压UZUZ是稳压管反向击穿后的稳定工作电压值。是稳压管反向击穿后的稳定工作电压值。例例如如稳稳压压管管2CWl的的稳稳定定电电压压是是78.5V。由由于于工工艺艺上上的的困困难难，同同一一型型号号的的管管子子，稳稳定定电电压压值值有有一一定定的的分分散散性性，就就是是说说，同同样样都都是是2CWl型型的的管管子子，一个稳定电压是一个稳定电压是7V，而另一个却可能是，而另一个却可能是8.5V。现
31、在学习的是第64页，共66页动态电动态电阻阻rZrZ是是稳稳压压管管在在稳稳定定工工作作范范围围内内管管子子两两端端电电压压的的变变化量与相化量与相应电应电流流变变化量之比即化量之比即nrZ越小，表示稳压作用越好。一个稳压管越小，表示稳压作用越好。一个稳压管rZ的大的大小与工作电流有关，工作电流越大，小与工作电流有关，工作电流越大，rZ越小。越小。现在学习的是第65页，共66页稳定电流稳定电流IZ稳稳定定电电流流IZ是是稳稳压压管管工工作作时时的的参参考考电电流流数数值值，手手册册上上给出的稳定电压和动态电阻都是指在这个电流下的值。给出的稳定电压和动态电阻都是指在这个电流下的值。工工作作电电流流若若小小于于稳稳定定电电流流IZ，则则rZ增增大大，稳稳压压性性能能较较差；差；工工作作电电流流若若大大于于稳稳定定电电流流，rZ减减小小，稳稳压压性性能能较较好好，但但是是要注意管子的功率损耗不要超出允许值。要注意管子的功率损耗不要超出允许值。现在学习的是第66页，共66页