半导体基础知识

1、第一章半导体根底知识K本章主要内容R本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义,工作状态或工作区的分析.首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点.其后介绍二极管、稳压管的伏安特性、电路模型和主要参数以及应用举例.然后介绍两种三极管BJT和FET的结构原理、伏安特性、主要参数以及工作区的判断分析方法.K本章学时分配R本章分为4讲,每讲2学时.第一讲常用半导体器件一、主要内容1、半导体及其导电性能根据物体的导电水平的不同,电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体.半导体可以定义为-3-9导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料,半导体的电阻率为1010Cemo典型的半

2、导体有硅Si和错Ge以及神化钱GaAs等.半导体的导电水平在不同的条件下有很大的差异：当受外界热和光的作用时,它的导电水平明显变化；往纯洁的半导体中掺入某些特定的杂质元素时,会使它的导电能力具有可控性；这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件.2、本征半导体的结构及其导电性能本征半导体是纯洁的、没有结构缺陷的半导体单晶.制造半导体器件的半导体材料的纯度要到达99.9999999%,常称为“九个9,它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态.在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电.3、半导体的本征激发与复合现象当导体处于热力学温度0K时,导体中没有自由电子.当温度升高或受到光的照射时,价

3、电子能量增高,有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电,成为自由电子.这一现象称为本征激发也称热激发.因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的,称为电子空穴对.游离的局部自由电子也可能回到空穴中去,称为复合.在一定温度下本征激发和复合会到达动态平衡,此时,载流子浓度一定,且自由电子数和空穴数相等.4、半导体的导电机理自由电子的定向运动形成了电子电流,空穴的定向运动也可形成空穴电流,因此,在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子即载流子,这是半导体的特殊性质.空穴导电的实质是：相邻原子中的价电子共价键中的束缚电子依次填补空穴而形成电流.由于电子带负电,而电子的运动与空穴的运动方向相反,

4、因此认为空穴带正电.5、杂质半导体掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体.杂质半导体是半导体器件的根本材料.在本征半导体中掺入五价元素如磷,就形成N型电子型半导体；掺入三价元素如硼、钱、锢等就形成P型空穴型半导体.杂质半导体的导电性能与其掺杂浓度和温度有关,掺杂浓度越大、温度越高,其导电水平越强.在N型半导体中,电子是多数载流子,空穴是少数载流子.多子自由电子的数量=正离子数+少子空穴的数量在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子.多子空穴的数量=负离子数+少子自由电子的数量6、PN结的形成及其单向导电性半导体中的载流子有两种有序运动：载流子在浓度差作用下的扩散运动和电场作用下的漂移运动

5、.同一块半导体单晶上形成P型和N型半导体区域,在这两个区域的交界处,当多子扩散与少子漂移到达动态平衡时,空间电荷区亦称为耗尽层或势垒区的宽度根本上稳定下来,PN结就形成了.当P区的电位高于N区的电位时,称为加正向电压或称为正向偏置,此时,PN结导通,呈现低电阻,流过mA级电流,相当于开关闭合；当N区的电位高于P区的电位时,称为加反向电压或称为反向偏置,此时,PN结截止,呈现高电阻,流过科A级电流,相当于开关断开.PN结是半导体的根本结构单元,其根本特性是单向导电性：即当外加电压极性不同时,PN结表现出截然不同的导电性能.PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时

6、,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流.这正是PN结具有单向导电性的具体表现.7、PN结伏安特性Uu、i=Ise4T-1|PN结伏安特性方程：<J式中：Is为反向饱和电流；jJ为温度电压当量,当丁=300K时,=26mVUt当u>0且u>>时,ilse,伏安特性呈非线性指数规律；当UV0且IuI>>时,i*TS*0,电流根本与u无关；由此亦可说明PN结具有单向导电性能.PN结的反向击穿特性：当PN结的反向电压增大到一定值时,反向电流随电压数值的增加而急剧增大.PN结的反向击穿有两类：齐纳击穿和雪崩击穿.无论发生哪种击穿,假设对其电流不加以限制,都可能造成PN结

7、的永久性损坏.8、PN结温度特性当温度升高时,PN结的反向电流增大,正向导通电压减小.这也是半导体器件热稳定性差的主要原因.9、PN结电容效应PN结具有一定的电容效应,它由两方面的因素决定：一是势垒电容Cb,二是扩散电容Cd,它们均为非线性电容.势垒电容是耗尽层变化所等效的电容.势垒电容与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压等因素有关.扩散电容是扩散区内电荷的积累和释放所等效的电容.扩散电容与PN结正向电流和温度等因素有关.PN结电容由势垒电容和扩散电容组成.PN结正向偏置时,以扩散电容为主；反向偏置时以势垒电容为主.只有在信号频率较高时,才考虑结电容的作用.二、本讲重点1、PN结的单向导

8、电性；2、PN结的伏安特性；三、本讲难点1、半导体的导电机理：两种载流子参与导电；2、掺杂半导体中的多子和少子3、PN结的形成；四、教学组织过程本讲宜教师讲授.用多媒体演示半导体的结构、导电机理、PN结的形成过程及其伏安特性等,便于学生理解和掌握.五、课后习题见相应章节的“习题指导.第二讲半导体二极管一、主要内容1、半导体二极管的几种常见结构及其应用场合在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管.二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类.点接触型二极管PN结面积小,结电容小,常用于检波和变频等高频电路.面接触型二极管PN结面积大,结电容大,用于工频大电流整流电路.平面型二极管PN结面积

9、可大可小,PN结面积大的,主要用于功率整流；结面积小的可作为数字脉冲电路中的开关管.2、二极管的伏安特性以及与PN结伏安特性的区别半导体二极管的伏安特性曲线如P7图1.9所示,处于第一象限的是正向伏安特性曲线,处于第三象限的是反向伏安特性曲线.1)正向特性：当V>0,即处于正向特性区域.正向区又分为两段：(1)当0VVUon时,正向电流为零,Uon称为死区电压或开启电压.(2)当V>Uon时,开始出现正向电流,并按指数规律增长.2)反向特性：当Vv0时,即处于反向特性区域.反向区也分两个区域：(1)当VbrVv0时,反向电流很小,且根本不随反向电压的变化而变化,此时的反向电流也称反

10、向饱和电流Is.(2)当VWVbr时,反向电流急剧增加,Vbr称为反向击穿电压.从击穿的机理上看,硅二极管假设|Vbr|A7V时,主要是雪崩击穿；假设VbrW4V那么主要是齐纳击穿,当在4V7V之间两种击穿都有,有可能获得零温度系数点.3二极管的伏安特性与PN结伏安特性的区别：二极管的根本特性就是PN结的特性.与理想PN结不同的是,正向特性上二极管存在一个开启电压Ubno一般,硅二极管的Ubn=0.5V左右,错二极管的Ubn=0.1V左右；二极管的反向饱和电流比PN结大.3、温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管的性能有较大的影响,温度升高时,反向电流将呈指数规律增加,硅二极管温度每增加8C,

11、反向电流将约增加一倍；错二极管温度每增加12C,反向电流大约增加一倍.另外,温度升高时,二极管的正向压降将减小,每增加1C,正向压降Lt大约减小2mV即具有负的温度系数.4、二极管的等效电路或称为等效模型1理想模型：即正向偏置时管压降为0,导通电阻为0;反向偏置时,电流为0,电阻为8.适用于信号电压远大于二极管压降时的近似分析.2简化电路模型：是根据二极管伏安特性曲线近似建立的模型,它用两段直线逼近伏安特性,即正向导通时压降为一个常量Uon；截止时反向电流为0.3小信号电路模型：即在微小变化范围内,将二极管近似看成线性器件而将它等效为一个动态电阻rd.这种模型仅限于用来计算叠加在直流工作点Q上

12、的微小电压或电流变化时的响应.5、二极管的主要参数1最大整流电流If：二极管长期工作允许通过的最大正向电流.在规定的散热条件下,二极管正向平均电流假设超过此值,那么会因结温过高而烧坏.2最高反向工作电压Ubr：二极管工作时允许外加的最大反向电压.假设超过此值,那么二极管可能因反向击穿而损坏.一般取Ubr值的一半.3电流Ir：二极管未击穿时的反向电流.对温度敏感.Ir越小,那么二极管的单向导电性越好.4最高工作频率fM：二极管正常工作的上限频率.假设超过此值,会因结电容的作用而影响其单向导电性.6、稳压二极管稳压管及其伏安特性稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管,通过反向击穿特性实现稳压作用.

13、稳压管的伏安特性与普通二极管类似,其正向特性为指数曲线；当外加反压的数值增大到一定程度时那么发生击穿,击穿曲线很陡,几乎平行于纵轴,当电流在一定范围内时,稳压管表现出很好的稳压特性.7、稳压管等效电路稳压管等效电路由两条并联支路构成：加正向电压以及加反向电压而未击穿时,与普通硅管的特性相同；加反向电压且击穿后,相当于理想二极管、电压源LZ和动态电阻rz的串联.如P16图1.18所示.8、稳压管的主要参数1稳定电压Uz：规定电流下稳压管的反向击穿电压.2最大稳定工作电流Izmax和最小稳定工作电流IzmIn:稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率,即Pzmax=UzIzmax.而Izmin对

14、应Uzmin.假设lzlzmin,那么不能稳压.3额定功耗Pzm:Pzm=UzIzmax,超过此值,管子会因结温升太局而烧坏.4动态电阻上：rz=Nz/8z,其概念与一般二极管的动态电阻相同,只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的.Rz愈小,反映稳压管的击穿特性愈陡,稳压效果愈好.5温度系数“：温度的变化将使Uz改变,在稳压管中,当Uz|>7V时,Uz具有正温度系数,反向击穿是雪崩击穿；当Uz|<4V时,Uz具有负温度系数,反向击穿是齐纳击穿；当4V<|Vz|<7V时,稳压管可以获得接近零的温度系数.这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用.9、稳压管稳压电路

15、稳压二极管在工作时应反接,并串入一只电阻.电阻有两个作用：一是起限流作用,以保护稳压管；二是当输入电压或负载电流变化时,通过该电阻上电压降的变化,取出误差信号以调节稳压管的工作电流,从而起到稳压作用.如P17图1.19所示.10、特殊二极管与普通二极管一样,特殊二极管也具有单向导电性.利用PN结击穿时的特性可制成稳压二极管,利用发光材料可制成发光二极管,利用PN结的光敏特性可制成光电二极管.二、本讲重点1、二极管的伏安特性、单向导电性及等效电路三个常用模型；2、稳压管稳压原理及简单稳压电路；3、二极管的箝位、限幅和小信号应用举例；三、本讲难点1、二极管在电路中导通与否的判断方法,共阴极或共阳极

16、二极管的优先导通问题；2、稳压管稳压原理；四、教学组织过程本讲以教师讲授为主.用多媒体演示二极管的结构、伏安特性以及温度对二极管特性的影响等,便于学生理解和掌握.二极管的箝位、限幅和小信号应用举例可以启发讨论.五、课后习题见相应章节的“习题指导.第三讲双极型晶体管一、主要内容1、晶体管的主要类型和应用场合双极型晶体管BJT是通过一定的工艺,将两个PN结接合在一起而构成的器件,是放大电路的核心元件,它能限制能量的转换,将输入的任何微小变化不失真地放大输出,放大的对象是变化量.BJT常见外形有四种,分别应用于小功率、中功率或大功率,高频或低频等不同场合.2、BJT具有放大作用的内部条件和外部条件1

17、） BJT的内部条件为：BJT有三个区发射区、集电区和基区、两个PN结发射结和集电结、三个电极发射极、集电极和基极组成；并且发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度,基区厚度很小.2） BJT放大的外部条件为：发射结正偏,集电结反偏.3、BJT的电流放大作用及电流分配关系晶体管具有电流放大作用.当发射结正向偏置而集电结反向偏置时,从发射区注入到基区的非平衡少子中仅有很少局部与基区的多子复合,形成基极电流,而大局部在集电结外电场作用下形成漂移电流Ic,表达出Ib对白IIc限制作用.此时,可将Ic看成电流Ib限制的电流源.三个重要的电流分配关系式：Ie=Ib+IcIc=IIb+Iceo=BIbIc=aIe

18、+Icbo=aIe4、晶体管的输入特性和输出特性晶体管的输入特性和输出特性说明各电极之间电流与电压的关系.现以共射电路为例说明.1)共射输入特性：iB=f(Ube)IVce=常数如P24图1.26所示.输入特性曲线分为三个区：死区、非线性区和线T区.其中Vce=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线.当vce>1V时,特性曲线将会向右稍微移动一些.但Vce再增加时,曲线右移很不明显.曲线的右移是三极管内部反应所致,右移不明显说明内部反应很小.2)共射输出特性：ic=f(Uce)IiB=常数如P25图1.27所示,它是以iB为参变量的一族特性曲线.对于其中某一条曲线,当Vce=0V时,ic

19、=0;当vce微微增大时,ic主要由Vce决定；当Vce增加到使集电结反偏电压较大时,特性曲线进入与Vce轴根本平行的区域(这与输入特性曲线随Vce增大而右移的原因是一致的).因此,输出特性曲线可以分为三个区域：饱和区、截止区和放大区.3)晶体管工作在三种不同工作区外部的条件和特点工作状态NPN0PNP型特点截止状态E结、C结均反偏VbVVe、VbVVCE结、C结均反偏Vb>Ve、VB>VC1C=0放大状态E结正偏、C结均反偏Vc>Vb>VeE结正偏、C结均反偏VCVVbVVe1c=bIb饱和状态E结、C结均正偏Vb>Ve、Yb>VcE结、C结均正偏VbVV

20、e、VB<VCVCE=VCES5、晶体管的主要参数1)直流参数(1)共射直流电流放大系数：=(IcIceo)/IbIc/IbVce=const,在放大区根本不变.(2)共基直流放大系数：=(Ic-Icbo)/Ie=Ic/|e显然与之间有如下关系：=Ic/Ie=Ib/(1+Jb=/(1+(3)穿透电流Iceo：Iceo=(1+)Icbo；式中Icbo相当于集电结的反向饱和电流.2)交流参数(1)共射交流电流放大系数3:P=iIc/AIbVce=const,在放大区Pf直根本不变.(2)共基交流放大系数a:=AIc/&eIUcb=COnst当ICBO和ICEO很小时,2口,可以不加区

21、分.(3)特征频率fT:三极管的固直不仅与工作电流有关,而且与工作频率有关.由于结电容的影响,当信号频率增加时,三极管的口将会下降.当P下降到1时所对应的频率称为特征频率.3)极限参数和三极管的平安工作区(1)最大集电极电流Icm：当集电极电流增加时,P就要下降,当W直下降到线性放大区口值白7030%时,所对应的集电极电流称为最大集电极电流Icm.至于的直下降多少,不同型号的三极管,不同的厂家的规定有所差异.可见,当Ic>IcM时,并不表示三极管会损坏.(2)最大集电极耗散功率Pcm：Pcm=icUcE.对于确定型号的晶体管,Pcm是一个定值.当硅管的结温大于150C、错管的结温大于70

22、c时,管子的特性明显变坏,甚至烧坏.(3)极间反向击穿电压：晶体管某一级开路时,另外两个电极之间所允许加的最高反向电压,即为极间反向击穿电压,超过此值管子会发生击穿现象.极间反向电压有三种：UCB6UCeO和UB6由于各击穿电压中UCeO值最小,选用时应使其大于放大电路的工作电源(4)三极管的平安工作区：由Pcm、Icm和击穿电压V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定四个区：过损耗区、过电流区、击穿区和平安工作区.使用时应保证三极管工作在平安区.如P28图1.29所示.6、温度对晶体管特性及参数的影响1)温度对反向饱和电流的影响：温度对IcbcOIceo由本征激发产生的平衡少子形成的电流影响

23、非常严重.2)温度对输入特性的影响：当温度上升时,正向特性左移.当温度变化1C时,LBe大约下BI22.5mV,LBe具有负温度系数.3)温度对输出特性的影响温度升高时,由于Ice矫口3增大,且输入特性左移,导致集电极电流Ic增大,输出特性上移.总之,当温度升高时,Iceom3增大,输入特性左移,最终导致集电极电流增大.二、本讲重点1、BJT电流放大原理及其电流分配关系式；2、BJT的输入、输出特性；3、BJT三种工作状态的判断方法；三、本讲难点1、BJT放大原理及电流分配关系式；2、BJT三种工作状态的判断方法；四、教学组织过程本讲以教师讲授为主.用多媒体演示三极管的结构、输入与输出特性以及

24、温度对三极管特性的影响等,便于学生理解和掌握.三极管工作状态、电位和管型的判断方法可以启发讨论.五、课后习题见相应章节的“习题指导.第四讲场效应管一、主要内容1、效应管及其类型效应管FET是一种利用电场效应来限制其电流大小的半导体器件.根据结构不同可分为两大类：结型场效应管(JFET)和金属氧化物半导体场效应管(MOSFE商称MOSf).每一类又有N沟道和P沟道两种类型.其中MOSf又可分为增强型和耗尽型两种.2、N沟道增强型MOSf结构N沟道增强型MOSFET根本上是一种左右对称的拓扑结构,它是在P型半导体上生成一层Si02薄膜绝缘层,然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区,从N型区引出两个电

25、极,漏极D,和源极S.在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极GoP型半导体称为衬底,用符号B表示.由于这种MOS管在Vgs=0V时Id=0;只有当UGS>UGS(th)后才会出现漏极电流,所以称为增强型MOSH.如P42图1.44所示.3、N沟道增强型MOSf的工作原理1)夹断区工作条件Ugs=0时,D与S之间是两个PN结反向串联,没有导电沟道,无论D与S之间加什么极性的电压,漏极电流均接近于零；当0<Ugs<UGS(th时,由栅极指向衬底方向的电场使空穴向下移动,电子向上移动,在P型硅衬底的上外表形成耗尽层,仍然没有漏极电流.工作条件Ugs>UGS(th)时,

26、栅极下P型半导体外表形成N型导电沟道(反型层),假设DS间加上正向电压后可广生漏极电流Id.假设Uds<Ugs-UGs(th),那么沟道没夹断,对应不同的Ugs,ds同等效成不同阻值的电阻,此时,FET相当于压控电阻.3)恒流区(或饱和区)工作条件当uDS=uGS-UGS(th)时,沟道预夹断；假设Uds>Ugs-UGS(th),那么沟道已夹断,ip仅仅决定于ugs,而与UDS无关.此时,iD近似看成UGS限制的电流源,FET相当于压控流源.可见,对于N沟道增强型MOST,栅源电压Vgs对导电沟道有限制作用,即Ugs>UGS(th)时,才能形成导电沟道将漏极和源极沟通.如果此

27、时加有漏源电压,就可以形成漏极电流Id.当场效应管工作在恒流区时,利用栅一源之间外加电压Ugs所产生的电场来改变导电沟道的宽窄,从而限制多子漂移运动所产生的漏极电流Id.此时,可将Id看成电压Ugs限制的电流源.4、N沟道耗尽型MOSFETN沟道耗尽型MOSFET1在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子,所以当Ugs=0时,这些正离子已经感应出反型层,形成了沟道.如P45图1.48所示.于是,只要有漏源电压,就有漏极电流存在.当Ugs>0时,将使Id进一步增加.Ugs0时,随着Ugs的减小漏极电流逐渐减小,直至Id=0.对应Id=0的Ugs称为夹断电压,用符号5硕表示,5、P

28、沟道增强型和耗尽型MOSFETP沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同,只不过导电的载流子不同,供电电压极性不同而已.这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样.6、场效应管的伏安特性场效应三极管的特性曲线类型比拟多,根据导电沟道的不同以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线,其电压和电流方向也有所不同.以增强型N沟MOSFE为例,输出特性：iD=f(Uds)I&嘴数反映UGs>UGS(th)且固定为某一值时,Uds对Id的影响；转移特性：iD=f(Ugs)I4嘴数反映Ugs对漏极电流的限制关系；输出特性和转移特性反映了场效应管工作的同一物理过程,

29、因此,转移特性可以从输出特性上用作图法对应地求出.场效应管的输出特性可分为四个区：夹断区、可变阻区、饱和区(或恒流区)和击穿区.在放大电路中,场效应管工作在饱和区.7、场效应管的主要参数：1)直流参数(1)开启电压UGS(th)：开启电压是MOS增强型管的参数,栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通.(2)夹断电压UGS(off):夹断电压是耗尽型FET的参数,当Ugs=UGS(off)时,漏极电流为零.(3)饱和漏极电流Idss：Idss是耗尽型FET的参数,当Ugs=0时所对应的漏极电流.(4)直流输入电阻Rgs(dc)：FET的栅源输入电阻.对于JFET,反偏时Rgs约大于10飞

30、；对于MOSFET,Rgs约是109101%.交流参数(1)低频跨导gm：低频跨导反映了栅压对漏极电流的限制作用,这一点与电子管的限制作用十分相彳togm可以在转移特性曲线上求取,单位是mS(毫西门子).(2)级间电容：FET的三个电极间均存在极间电容.通常Cgs和Cgd约为13pF,而Cds约为0.11pFo在高频电路中,应考虑极间电容的影响.极限参数(1)最大漏极电流Idm:是FET正常工作时漏极电流的上限值.(2)漏-源击穿电压Ubr)ds：FET进入恒流区后,使iD骤然增大的Uds值称为漏一源击穿电压,UDS超过此值会使管子烧坏.(3)最大耗散功率Pdm：可由Pdm=VdsId决定,与

31、双极型三极管的Pcm相当.8、场效应管FET与晶体管BJT的比拟1) FET是另一种半导体器件,在FET中只是多子参与导电,故称为单极型三极管；而普通三极管参与导电的既有多数载流子,也有少数载流子,故称为双极型三极管(BJT).由于少数载流子的浓度易受温度影响,因此,在温度稳定性、低噪声等方面FET优于BJT.2) BJT是电流限制器件,通过限制基极电流到达限制输出电流的目的.因此,基极总有一定的电流,故BJT的输入电阻较低；FET是电压限制器件,其输出电流取决于栅源间的电压,栅极几乎不取用电流,因此,FET的输入电阻很高,可以到达1091014Qo高输入电阻是FET的突出优点.3) FET的

32、漏极和源极可以互换使用,耗尽型MOSf的栅极电压可正可负,因而FET放大电路的构成比BJT放大电路灵活.4) FET和BJT都可以用于放大或作可控开关.但FET还可以作为压控电阻使用,可以在微电流、低电压条件下工作,且便于集成.在大规模和超大规模集成电路中应用极为广泛.二、本讲重点1、MO密结构原理；2、MO密的伏安特性及其在三个工作区的工作条件；三、本讲难点：1、MO密各工作区的工作条件；四、教学组织过程本讲以教师讲授为主.用多媒体演示FET的结构原理、输出与转移特性等,便于学生理解和掌握.FET的工作区、管型的判断方法可以启发讨论.五、课后习题见相应章节的“习题指导.R本章小节R本章首先介绍了半导体的根底知识,然后阐述了半导体二极管、晶体管(BJT)和场效应管(