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1、会计学1模电清华大学华成英半导体基础知识模电清华大学华成英半导体基础知识第一章第一章 半导体二极管和三极管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1页/共37页1 1 半导体基础知识半导体基础知识一、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2页/共37页一、一、一、一、本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体 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
2、物质称为半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。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。子在外电场作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。电。半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均
3、为四价元素，它们原），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构第3页/共37页2 2 2 2、本征半导体的结构、本征半导体的结构、本征半导体的结构、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子而成为自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴留有一个空位置，称为空穴 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。共价键共价键 一定温度
4、下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升一定温度下，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浓度加大。空穴对的浓度加大。动态平动态平衡衡第4页/共37页两种载流子两种载流子 外加电场时，带负电的自由电外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。目很少，故导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？3 3 3 3、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子、本征半导体
5、中的两种载流子、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，载温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。流子浓度增大，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5页/共37页二、杂质半导体二、杂质半导体二、杂质半导体二、杂质半导体 1.1.1.1.N N N N型半导体型半导体型半导体型半导体磷（磷（P）杂质半导体主要靠多数载杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。实现导电性可控。多数载流子多数载流子 空穴比未加杂质时的
6、数目多空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？了？少了？为什么？第6页/共37页2.2.2.2.P P型半导体型半导体型半导体型半导体硼硼（B）多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，导电性越强，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？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？子浓度的变化相同吗？第7页/共37页三、三、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结的形成及
7、其单向导电性结的形成及其单向导电性 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气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、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远子浓度远高于高于P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区的自由电子浓度降低，产生内电场。区的自由电子浓度降低，产生内电场。第8页/共37页PN PN 结的形成结的形成结的形成结的形成 因电场作用所产因电场作用所产生的运动称为漂移生的运动称为漂移运动。运动。参与扩散运动和漂移运动的载
8、流子数目相同，达到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，就形成了态平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩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。内电场使空穴从内电场，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、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。第9页/共37页PN结加正向电压导通：结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，成扩散电流，PNPN结处于结处于导通导通状态。状态
9、。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，有利于漂移运动，形成漂移电有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似流。由于电流很小，故可近似认为其认为其截止截止。PN PN 结的单向导电结的单向导电结的单向导电结的单向导电性性性性必要吗？必要吗？第10页/共37页四、四、四、四、PN PN 结的电容效应结的电容效应结的电容效应结的电容效应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，与电容的充放电相化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等
10、效电容称为势垒电容同，其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，也有电荷的积累和释放子的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的过程，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结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！度，则失去单向导电性！第11页/共37页问题问题问题问题n n为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制为什么将自然界导电性能中等
11、的半导体材料制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，成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？改善导电性能？改善导电性能？改善导电性能？n n为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？是少子是影响温度稳定性的主要因素？是少子是影响温度稳定性的主要因素？是少子是影响温度稳定性的主要因素？n n为什么半导体器件有最高
12、工作频率？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？为什么半导体器件有最高工作频率？第12页/共37页2 2 半导体二极管半导体二极管一、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13页/共37页 一、二极管的组成一、二极管的组成一、二极管的组成一、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。小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光
13、二极管二极管第14页/共37页 一、二极管的组成一、二极管的组成一、二极管的组成一、二极管的组成点接触型：结面积小，点接触型：结面积小，结电容小，故结允许结电容小，故结允许的电流小，最高工作的电流小，最高工作频率高。频率高。面接触型：结面积大，面接触型：结面积大，结电容大，故结允许结电容大，故结允许的电流大，最高工作的电流大，最高工作频率低。频率低。平面型：结面积可小、平面型：结面积可小、可大，小的工作频率可大，小的工作频率高，大的结允许的电高，大的结允许的电流大。流大。第15页/共37页第16页/共37页 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二、二极管的伏安特性及电流
14、方程二、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开开启启电电压压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压温度的温度的电压当电压当量量二极管的电流与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页利用利用利用利用MultisimMultisim测试二极管伏安特性测试二极管伏安特性测试二极管伏安特性测试二极管伏安特性第18页/共37页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：从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安
15、特性可以反映出：1.1.单向导电性单向导电性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，反向特性下移正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线增大增大1倍倍/10第19页/共37页三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路理想理想二极管二极管近似分析近似分析中最常用中最常用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
16、导通时导通时i与与u成线性关系成线性关系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？100V？5V？1V？第20页/共37页2.2.2.2.微变等效电路微变等效电路微变等效电路微变等效电路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。管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用小信号作小信号作用用静态电流静态电流第21页/共37页四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数四
17、、二极管的主要参数四、二极管的主要参数n n最大整流电流最大整流电流最大整流电流最大整流电流I IF F：最大平均值：最大平均值：最大平均值：最大平均值n n最大反向工作电压最大反向工作电压最大反向工作电压最大反向工作电压UUR R：最大瞬时值：最大瞬时值：最大瞬时值：最大瞬时值n n反向电流反向电流反向电流反向电流 I IR R：即：即：即：即I IS Sn n最高工作频率最高工作频率最高工作频率最高工作频率f fMM：因：因：因：因PNPN结有电容效应结有电容效应结有电容效应结有电容效应第四版第四版P20第22页/共37页讨论：讨论：讨论：讨论：解决两个问题解决两个问题解决两个问题解决两个
18、问题n n如何判断二极管的工作状态？如何判断二极管的工作状态？如何判断二极管的工作状态？如何判断二极管的工作状态？n n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？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=ViRQIDUDV与与uD可比，则需图解：可比，则需图解：实测特性实测特性 对对V和和Ui二极管二极管的模的模型有什么不同？型有什么不同？第23页/共37页五、稳压二极管五、稳压二极管五、稳压二极管五、稳压二极管1.伏安特性进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流 由一个由一个PN
19、结组结组成，反向击穿后成，反向击穿后在一定的电流范在一定的电流范围内端电压基本围内端电压基本不变，为稳定电不变，为稳定电压。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！流的限流电阻！限流电阻限流电阻斜率？斜率？第24页/共37页1.3 1.3 晶体三极管晶体三极管一、晶体管的结构和符号一、晶体管的
20、结构和符号二、晶体管的放大原理二、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25页/共37页 一、晶体管的结构和符号一、晶体管的结构和符号一、晶体管的结构和符号一、晶体管的结构和符号多子浓度高多子浓度高多子浓度很多子浓度很低，且很薄低，且很薄面积大面积大晶体管有三个极、三个区、两个晶体管有三个极、三个区、两个PN结。结。小功率小功率管管中功率管中功率管大功率管大功率管为什么有孔？为什么有孔？第26页/共37页二、晶体管的放大原理二、晶体管的放大原理二、晶体管的放大原理二、晶体
21、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，复合运动形成基极电流流IB，漂移运动形成集电极电流，漂移运动形成集电极电流IC。少数载少数载流子的流子的运动运动因发射区多子浓度高使大因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基量电子从发射区扩散到基区区因基区薄且多子浓度低，使极少因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴基区空穴的扩散的扩散第27页/共37页n n电流分配：电流分配：
22、I I I IE E E EI I I IB B B BI I I IC C C C I I I IE E E E扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流 I I I IB B B B复合运动形成的电流复合运动形成的电流复合运动形成的电流复合运动形成的电流 I I I IC C C C漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流穿透电流穿透电流集电结反向电流集电结反向电流直流电流直流电流放大系数放大系数交流电流放大系交流电流放大系数数为什么基极开路集电极回为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？路会有穿透电流？第28页/共37页三、晶体
23、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为什么为什么UCE增大曲线右移？增大曲线右移？对于小功率晶体管，对于小功率晶体管，UCE大于大于1V的一条输入特性曲的一条输入特性曲线可以取代线可以取代UCE大于大于1V的所有输入特性曲线。的所有输入特性曲线。为什么像为什么像PN结的伏安特性？结的伏安特性？为什么为什么UCE增大到一定值曲线增大到一定值曲线右移就不明显了？右移就不明显了？1.输入特性第29页/共37页2.2.2.2.输出特性输出特性输出特性输出特性是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下是常数吗？什么是
24、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。为什么为什么uCE较小时较小时iC随随uCE变变化很大？为什么进入放大状态化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？曲线几乎是横轴的平行线？饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区第30页/共37页晶体管的三个工作区域晶体管的三个工作区域晶体管的三个工作区域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几乎仅仅几乎仅仅决定于输入回路的电流决定于输入回路的电流 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
25、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31页/共37页四、温度对晶体管特性的影响四、温度对晶体管特性的影响四、温度对晶体管特性的影响四、温度对晶体管特性的影响第32页/共37页五、主要参数五、主要参数五、主要参数五、主要参数 直流参数直流参数：、ICBO、ICEOc-e间击穿电压间击穿电压最大集电最大集电极电流极电流最大集电极耗散功最大集电极耗散功率，率，PCMiCuCE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33页/共37页
26、讨论一讨论一讨论一讨论一由图示特性求出由图示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO、。2.7uCE=1V时的时的iC就是就是ICMU（BR）CEO第34页/共37页讨论二：讨论二：讨论二：讨论二：利用利用利用利用MultisimMultisim测试晶体管的输出特性测试晶体管的输出特性测试晶体管的输出特性测试晶体管的输出特性第35页/共37页n n利用利用利用利用MultisimMultisim分析图分析图分析图分析图示电路在示电路在示电路在示电路在V2V2小于何值小于何值小于何值小于何值时晶体管截止、大于时晶体管截止、大于时晶体管截止、大于时晶体管截止、大于何值时晶体管饱和。何值时晶体管饱和。何值时晶体管饱和。何值时晶体管饱和。讨论三讨论三讨论三讨论三 以以V2作为输入、以节作为输入、以节点点1作为输出，采用直流作为输出，采用直流扫描的方法可得！扫描的方法可得！约小于约小于0.5V时时截止截止约大于约大于1V时时饱和饱和 描述输出电压与输出描述输出电压与输出电压之间函数关系的曲线，电压之间函数关系的曲线，称为电压传输特性。称为电压传输特性。第36页/共37页