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1、第一讲半导体器件基第一讲半导体器件基础础第1页，此课件共52页哦2022/10/82参考书目参考书目v模拟电子技术基础，董诗白等，高等教育出版社，面向21世纪课程教材v电子技术基础,康华光,高教出版社v电子线路基础,高文焕,高教出版社第2页，此课件共52页哦2022/10/83主要内容主要内容v1.1 半导体及其特性v1.2 PN结及其特性v1.3 半导体二极管v1.4 半导体三极管及其工作原理v1.5 三极管的共射特性曲线及主要参数第3页，此课件共52页哦2022/10/84本征半导体本征半导体及其特性及其特性v导 体(Conductor)电导率 105 铝、金、钨、铜等金属，镍铬等合金。v
2、半导体(Semiconductor)电导率 10-9 102硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化镓、重掺杂多晶硅v绝缘体(Insulator)电导率10-22 10-14二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等第4页，此课件共52页哦2022/10/852 2、半导体性能、半导体性能v半导体三大特性搀杂特性热敏特性光敏特性v本征半导体晶格完整（金刚石结构）纯净（无杂质）的半导体第5页，此课件共52页哦2022/10/861 1、硅、锗原子的简化模型、硅、锗原子的简化模型半导体元素：均为四价元素GeSi+4第6页，此课件共52页哦2022/10/87半导体结构的描述半导体结构的描述v两种理论体系共价键 结构能级能带
3、 结构第7页，此课件共52页哦2022/10/88共价键结构（平面图）共价键结构（平面图）+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴价电子形成共价键后，每个原形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，子的最外层电子是八个，构成稳定结构构成稳定结构共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成使原子规则排列，形成晶体晶体第8页，此课件共52页哦2022/10/89半导体中的载流子半导体中的载流子v载流子(Carrier)指半导体结构中获得运动能量的带电粒子。v有温度环境就有载流子。v绝对零度（-2730C）时晶体中无自由电子。第9页，此课件共52页哦2022/10/810
4、热激发（本征激发）热激发（本征激发）v本征激发 和温度有关v会成对产生电子空穴对电子空穴对-自由电子(Free Electron)-空 穴(Hole)v两种载流子（带电粒子）是半导体的重要概念。第10页，此课件共52页哦2022/10/811本征激发与复合本征激发与复合合二为一一分为二 本征激发 复 合第11页，此课件共52页哦2022/10/812杂质半导体杂质半导体 (Impurity Semiconductor)v杂质半导体：在纯净半导体中掺入杂质 所形成。v杂质半导体分两大类：N型(N type)半导体P型(P type)半导体第12页，此课件共52页哦2022/10/8131、N型半
5、导体型半导体v施主杂质(Donor impurities)：掺入五价元素，如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)。v正离子状态：失去多余电子后束缚在晶格内不能移动。第13页，此课件共52页哦2022/10/814图示：图示：N型半导体结构示意图型半导体结构示意图五价原子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5第14页，此课件共52页哦2022/10/8151、N型半导体型半导体自由电子数自由电子数=空空 穴穴 数数+施主杂质数施主杂质数少子(Minority)：空 穴(Hole)多子(Majority)：自由电子(Free Electron)vN型半导体：电子型半导体第15页，此课件共52
6、页哦2022/10/8162、P型半导体型半导体v受主杂质(Acceptor impurities)：掺入三价元素，如硼(B)、铝(Al)、铟(In)。v负离子状态：易接受其它自由电子第16页，此课件共52页哦2022/10/817图示：图示：P型半导体结构示意图型半导体结构示意图三价原子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3空穴空位第17页，此课件共52页哦2022/10/818P型半导体型半导体空空 穴穴 数数=自由电子数自由电子数+受主杂质数受主杂质数少子(Minority：自由电子(Free Electron)多子(Majority)：空 穴(Hole)P型半导体：空穴型半导体第18
7、页，此课件共52页哦2022/10/819杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度v杂质半导体少子浓度杂质半导体少子浓度主要由本征激发决定的v杂质半导体多子浓度杂质半导体多子浓度由搀杂浓度决定（是固定的）几乎与温度无关对温度变化敏感v杂质半导体就整体来说还是呈电中性的杂质半导体就整体来说还是呈电中性的第19页，此课件共52页哦2022/10/820半导体中的电流半导体中的电流是由电场力引起的载流子定向运动漂移电流漂移电流(Drift Current)扩散电流扩散电流(Diffusion Current)由载流子浓度、迁移速度、外加电场强度等决定是由载流子浓度不均匀（浓度梯度）造成的扩散电流
8、与浓度本身无关第20页，此课件共52页哦2022/10/8211.2 PN1.2 PN结及其特性结及其特性 vPN结是构成半导体器件的 核心结构核心结构。vPN结是指使用半导体工艺使N型和P型半导体结合处所形成的 特殊结构特殊结构。vPN结是半导体器件的 心脏。第21页，此课件共52页哦2022/10/822P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。内电场越强，就使漂移运内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电动越强，而漂移使空间电荷区变薄。荷区变薄
9、。势垒区，势垒区，也称耗尽层。也称耗尽层。PN结的形成结的形成第22页，此课件共52页哦2022/10/823说明：（1）空间电荷区（耗尽层、势垒区、高阻区）内几乎没有载流子，其厚度约为0.5（2）内电场的大小硅半导体：锗半导体：（3）当两边的掺杂浓度相等时，PN结是对称的当两边的掺杂浓度不等时，PN结不对称（4）从宏观上看，自由状态下，PN结中无电流第23页，此课件共52页哦2022/10/824+PN+E+_R1 1、PN 结正向偏置结正向偏置P 区加正、区加正、N 区加负电压区加负电压内电场内电场外电场外电场变薄变薄内电场被削弱，多子的扩内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的散加强
10、，能够形成较大的扩散电流。扩散电流。正向电流正向电流正正向向导导通通第24页，此课件共52页哦2022/10/825内电场内电场外电场外电场+_RE2 2、PN 结反向偏置结反向偏置P 区加负、区加负、N 区加正电压区加正电压+PN+变厚变厚内电场被加强，多子的扩内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子的漂移加散受抑制。少子的漂移加强，但少子数量有限，只强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。能形成较小的反向电流。反反向向截截止止第25页，此课件共52页哦2022/10/826三三、半导体二极管半导体二极管 PNv伏安曲线v两种击穿：（1）齐纳击穿（场致激发）（2）雪崩击穿（碰撞激发）UI死区
11、电压死区电压 硅管硅管0.4V锗管锗管0.1V反向击穿反向击穿电压电压UBR导通电压导通电压:硅管硅管0.7V锗管锗管0.3V开启电压开启电压:硅管硅管0.6V锗管锗管0.2V第26页，此课件共52页哦2022/10/827二极管特性的解析式二极管特性的解析式 v伏安表达式：v常温下则当 时，反向电流基本不变第27页，此课件共52页哦2022/10/828二极管的二极管的等效电阻等效电阻v直流等效电阻也称静态电阻：v交流等效电阻：v常温下第28页，此课件共52页哦2022/10/829二极管的主要参数二极管的主要参数 v最大整流电流IM：IM是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流v反向击
12、穿电压UBR：UBR是二极管反向电流明显增大，超过某个规定值时的反向电压v反向电流IS：IS是二极管未击穿时的反向饱和电流。IS愈小，二极管的单向导电性v最高工作频率fM：fM是二极管工作的上限频率愈好，IS对温度非常敏感第29页，此课件共52页哦2022/10/830例例1:二极管电路分析二极管电路分析v理想二极管的特性（1）反向击穿电压远大于外加信号电压（2）反向电流为零（3）导通压降为零uiuott第30页，此课件共52页哦2022/10/831例例2:二极管二极管“与与”门门 (UD=0.3V)第31页，此课件共52页哦2022/10/832UI-IZ-IZM UZ IZ稳压稳压误差误
13、差曲线越陡，曲线越陡，电压越稳电压越稳定。定。UZ动态电阻：动态电阻：rz越小，稳压越小，稳压性能越好。性能越好。五、五、稳压二极管稳压二极管+-第32页，此课件共52页哦2022/10/833（3）最大稳定电流最大稳定电流IZM（5）最大允许功耗）最大允许功耗2、稳压二极管的参数、稳压二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压 UZ（2）稳定电流稳定电流 IZ（4）动态电阻）动态电阻1、特点：反向击穿区非常陡峭。正常工作时处于反向击穿、特点：反向击穿区非常陡峭。正常工作时处于反向击穿稳压二极管稳压二极管状态，工作点设在陡峭曲线的中间部分。状态，工作点设在陡峭曲线的中间部分。第33页，此课件共52页
14、哦2022/10/834#不加不加不加不加R R可以吗？可以吗？稳压二极管应用稳压二极管应用当 不变时：当 不变时：第34页，此课件共52页哦2022/10/835一、一、基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型1.4 半导体三极管BECIBIEICBECIBIEIC第35页，此课件共52页哦2022/10/836BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：面集电区：面积较大积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高一、一、基本结构基本结构发射结发射结集电
15、结集电结工作条件：工作条件：发射结加正向电压发射结加正向电压 集电结加反向电压集电结加反向电压 第36页，此课件共52页哦2022/10/837二、二、电流放大原理电流放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴基区空穴向发射区向发射区的扩散可的扩散可忽略。忽略。进入进入P区的电子少部分与区的电子少部分与基区的空穴基区的空穴复合复合，形成，形成电流电流IBE ，多数扩散到集，多数扩散到集电结。电结。发射结正偏，发射结正偏，发射区电子发射区电子不断向基区不断向基区扩散扩散，形成，形成发射极电流发射极电流IE。1、晶体管内部载流子的运动、晶体管内部载流子的运动（以（以NPN型管为例）型管为例）第3
16、7页，此课件共52页哦2022/10/838BECNNPEBRBECIEIC=ICEICE从基区扩散来从基区扩散来的电子作为集的电子作为集电结的少子，电结的少子，漂移漂移进入集电进入集电结而被结而被收集收集，形成形成ICE。1、晶体管内部载流子的运动、晶体管内部载流子的运动（以（以NPN型管为例）型管为例）IB二、二、电流放大原理电流放大原理第38页，此课件共52页哦2022/10/839二、二、电流放大原理电流放大原理IBBECNNPEBRBECIEICEIC+-+iB+iC+iEv直流放大倍数直流放大倍数v交流放大倍数交流放大倍数第39页，此课件共52页哦2022/10/840二、二、电流
17、放大原理电流放大原理v共基直流电流放大倍数以发射极直流电流IE作为输入电流，以集电极直流电流IC作为输出电流v共基交流电流放大倍数第40页，此课件共52页哦2022/10/841三极管的工作状态三极管的工作状态v放大状态放大状态：发射结正偏，集电结反偏。VBB 大于发射结开启电压v饱和状态：两个PN结均正偏。集电极电压降低，漂移作用减弱，失去放大能力v截止状态：VBB 小于发射结开启电压，发射结反偏或零偏；集电结反偏。IB、IC和IE 都非常小v倒置状态：相当于集、发对调使用,不能正常工作第41页，此课件共52页哦2022/10/842五、五、特性曲线特性曲线1 1、实验线路、实验线路ICmA
18、 AVVUCEUBERBIBECEB输入特性曲线IB=f(UBE)|UCE=常数 输出特性曲线IC=f(UCE)|IB=常数第42页，此课件共52页哦2022/10/843UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降工作压降：硅管硅管UBE 0.60.7V锗管锗管UBE 0.20.3VUCE=0VUCE=0.5V 死区电压死区电压硅管硅管0.5V锗管锗管0.2V2 2、输入特性、输入特性第43页，此课件共52页哦2022/10/844IB(A)UBE(V)204060800.40.8输入特性曲线的特点输入特性曲线的特点（1）UCE=0，相当于两个二极管并联运用。（2）
19、UCE0时，整个曲线往右移当UCE0.5V后，曲线几乎重合（3）有一门限电压晶体管开始导通时的基极电压（硅管0.5V，锗管0.1V）（4）晶体管正常工作时，发射结的压降变化不大（硅管0.7V，锗管0.3V）（5）输入特性是非线性的第44页，此课件共52页哦2022/10/845IC(mA )1234UCE(V)3691260 AIB=020 A40 A80 A100 A2 2、输出特性、输出特性第45页，此课件共52页哦2022/10/846IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A放大区放大区：发射结正偏，集电结反偏。曲线平行等距，曲线的疏
20、密反映了：发射结正偏，集电结反偏。曲线平行等距，曲线的疏密反映了截止区截止区：发射结反偏，集电结反偏。：发射结反偏，集电结反偏。ICIB，IC=ICEO，此时，此时VBE1V以后，随着以后，随着UCE的增加，的增加，IC几乎几乎不变。曲线几乎平行等距。并且不变。曲线几乎平行等距。并且IB越大，越大，曲线越往上移。曲线越往上移。的大小。的大小。=IC/IB，IC受受IB控制。控制。第46页，此课件共52页哦2022/10/847例：例：UCE=6V时时：IB=40 A,IC=1.7 mA；IB=60 A,IC=2.5 mA。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60
21、 A80 A100 A第47页，此课件共52页哦2022/10/848频率参数频率参数 f截止频率 fT特征频率1fmaxfTf70.7%max第48页，此课件共52页哦2022/10/849集电极最大电流集电极最大电流ICM集电极电流集电极电流IC上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的下降，当值的下降，当 值下降到正常值的三值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为分之二时的集电极电流即为ICM。集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压当集当集-射极之间的电压射极之间的电压UCE超过一定超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是上给出的数值是25
22、 C、基极开路时基极开路时的击穿电压的击穿电压U(BR)CEO。ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM集电极电流集电极电流IC 流过三极管，流过三极管，所发出的焦耳热为：所发出的焦耳热为：PC=ICUCE 必定导致结温必定导致结温 上升，所以上升，所以PC 有限制。有限制。PC PCM第49页，此课件共52页哦2022/10/8501、必须使晶体管工作在安全区。2、若工作频率高，必须选用高频管。3、若要求导通电压低时选用锗管，若要求导通电压高时选用硅管。4、ICBO、ICEO越小越好。5、NPN管和PNP管对电源的极性要求不一样。七、七、晶体管的选择和使用注意事项晶体管的选择和使用注意事项第50页，此课件共52页哦2022/10/851小结小结v各种新名词及特性参数的定义v本征半导体与杂质半导体（N型与P型）vPN结及其单向导电性v二极管伏安特性曲线v二极管及稳压二极管的应用v三极管电流放大原理v三极管输入特性曲线与输出特性曲线第51页，此课件共52页哦2022/10/852作业作业v1.11，1.13，1.14，1.16，1.18第52页，此课件共52页哦