半导体的基础知识.

1、引入：物体分类引入：物体分类根据物体的导电性，可将物体分为：根据物体的导电性，可将物体分为：导体：低价元素，导电导体：低价元素，导电绝缘体：高价元素或高分子元素，不导电绝缘体：高价元素或高分子元素，不导电半导体：半导体：四价元素四价元素，导电能力介于以上二者之间，导电能力介于以上二者之间1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 热敏性热敏性 光敏性光敏性 掺杂性掺杂性1.1.1 本征半导体本征半导体现代电子学中，现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi价电子价电子一、本征半导体一、本征半导

2、体1、定义：化学成分、定义：化学成分完全纯净完全纯净的半导体制成的半导体制成单晶体单晶体结构。结构。2、共价键结构、共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子硅和锗的共硅和锗的共价键结构价键结构1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性3、理解理解本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理温度为温度为0K时，无自由电子，不导电时，无自由电子，不导电常温常温300K时，少数自由电子时，少数自由电子本征激发本征激发+4+4+4+4本征半导体中有两种载流载流子子：自由电子和空穴自由电子和空穴，二者总是成对出现温度温度越高，载流子的浓度越

3、越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力高，本征半导体的导电能力越强越强载流子的产生与复合动载流子的产生与复合动态平衡温度一定，浓度态平衡温度一定，浓度一定一定1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性二、杂质半导体二、杂质半导体本征半导体本征半导体特点特点？1、电子浓度、电子浓度=空穴浓度；空穴浓度；2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！、载流子少，导电性差，温度稳定性差！(1) N型半导体(2) P型半导体在本征半导体中掺入微量元素杂质半导体在本征半导体中掺入微量元素杂质半导体1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 (1)N型半导体掺掺 杂杂：掺入：掺入少量少量五价杂质元素（如：磷）五

4、价杂质元素（如：磷）+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子特特 点点：多多数载流数载流子子：自由自由电子电子（主要由主要由杂质原子提供）杂质原子提供）少少数载流数载流子子：空穴：空穴（由本征激发形成）（由本征激发形成） (2(2）P型半导体型半导体（空穴型半导体）空穴型半导体）掺掺 杂杂：掺入：掺入少量少量三价杂质元素（如：硼）三价杂质元素（如：硼）特特 点点：多子多子：空穴空穴（主要由主要由杂质原子提供）杂质原子提供）少子少子：自由电子：自由电子（ 由热激发形成）由热激发形成）+4+4+3+4杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体 (3)

5、杂质对半导体导电性的影响1. 杂质半导体中杂质半导体中的移动能形成电流。的移动能形成电流。2. 掺入杂质越多，多子浓度越掺入杂质越多，多子浓度越 ，少子浓，少子浓度越度越。3. 当温度升高时，多子的数量当温度升高时，多子的数量 ，少子的，少子的数量数量。影响很大影响很大起导电作用的主要是起导电作用的主要是多子多子。多子的数量主要与。多子的数量主要与杂质浓度杂质浓度有关，近似认为多子与杂质浓度相等，有关，近似认为多子与杂质浓度相等，受温度影响受温度影响小小。少子浓度对少子浓度对温度温度敏感，影响半导体性能。敏感，影响半导体性能。 (3)杂质对半导体导电性的影响小结小结 1、半导体的导电能力与、半

6、导体的导电能力与、 和和 有关。有关。 2、在一定温度下，本征半导体因、在一定温度下，本征半导体因而而产生产生，故其有一定的导电能力。，故其有一定的导电能力。 3、本征半导体的导电能力主要由、本征半导体的导电能力主要由决定；杂决定；杂质半导体的导电能力主要由质半导体的导电能力主要由决定。决定。 4、P型半导体中型半导体中是多子，是多子，是是少子。少子。N型半导体中型半导体中是多子，是多子，是少是少子。子。本征激发本征激发自由电子和空穴对自由电子和空穴对温度温度掺杂浓度掺杂浓度空穴空穴自由电子自由电子自由电子自由电子空穴空穴温度温度 光强光强杂质浓度杂质浓度P型半导体型半导体N型半导体型半导体+

7、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加宽，使内电场越荷区加宽，使内电场越强。强。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也叫耗尽层。也叫耗尽层。漂移运动漂移运动P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当扩散和漂移达到动态平衡时，空间电荷区的宽度基当扩散和漂移达到动态平衡时，空间电荷区的宽度基本不变。扩散电流与漂移电流大小相等方向相反。本不变。扩散电流与漂移电流大小相等方向相反。三、三、PN结结1 1、了解、了解PN结的形成

8、结的形成浓度差浓度差 多子扩散多子扩散空间电荷区空间电荷区( (杂质离子杂质离子) ) 内电场内电场 促使少子漂移促使少子漂移 阻 止 多 子 扩 散阻 止 多 子 扩 散 PN结的实质：PN结=空间电荷区=耗尽层3.1 半导体的导电特性半导体的导电特性三、三、PN结结2 2、掌握、掌握PN结的单向导电性结的单向导电性PN 结变窄结变窄 外电场外电场I内电场内电场PN+RI+2 2、掌握、掌握PN结的单向导电性结的单向导电性 内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IS+正向导通，反向截止正向导通，

9、反向截止2 2、掌握、掌握PN结的单向导电性结的单向导电性IS结构示意图结构示意图一、了解结构类型和符号一、了解结构类型和符号PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路用于检波和变频等高频电路二极管二极管 = PN结结 + 引线引线 + 管壳。管壳。 类型：类型：点接触型、面接触型点接触型、面接触型和和平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳( a ) 点接触型点接触型PN结面积大，用结面积大，用于低频大电流整流电路于低频大电流整流电路PN 结面积大的用于大功率整结面积大的用于大功率整流，结面积小的用作开关管。流，结面积小的用

10、作开关管。结构示意图结构示意图铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号D符号符号反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+室温附近，温度每升高室温附近，温度每升高1C，正向压降减小，正向压降减小 2 - 2.5 mV，温度每升高，温度每升高10 C ，反向电流增大约一倍，反向电流增大约一倍。综上所述，综上所述， 二极管的伏安特性具有以下二极管的伏安特性

11、具有以下特点特点： (1) (1) 二极管具有单向导电性；二极管具有单向导电性； (2) (2) 二极管的伏安特性具有非线性；二极管的伏安特性具有非线性； (3) 二极管的伏安特性与温度有关。二极管的伏安特性与温度有关。 指二极管未击穿时的反向电流。指二极管未击穿时的反向电流。 愈小愈好。愈小愈好。 一般一般几纳安到几微安。几纳安到几微安。4. 最高工作频率最高工作频率fM :其值主要决定于其值主要决定于PN结结电容的结结电容的大小。结电容愈大，则大小。结电容愈大，则fM愈低。愈低。死区电压死区电压 = 0 导通电压导通电压 = 0vDOiD1、理想二极管、理想二极管vDOiD2、恒压降模型、

12、恒压降模型死区电压死区电压 = 0 .7V导通电压导通电压 0.7V（硅管）（硅管）四、熟练应用二极管的等效电路四、熟练应用二极管的等效电路练习题：练习题：判断图中的二极管是导通还是截止，并求出AO两端电压UAO。 分析方法：分析方法：1.1.选零电位参考点；选零电位参考点；2.2.将二极管断开，将二极管断开， 判断其两极电位。判断其两极电位。3.3.根据电位判二极管状态，求根据电位判二极管状态，求AOAO两端电压。两端电压。UIIZIZmax UZ IZ稳压稳压误差误差曲线越陡，曲线越陡，电压越稳电压越稳定。定。+-UZ动态电阻：动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳压越小，稳压性能越好。性能越

13、好。稳压管是利用稳压管是利用反向击穿区反向击穿区的稳压特性进行工作的，的稳压特性进行工作的，因此，因此， 稳压管在电路中要稳压管在电路中要反向连接反向连接。稳压管的反向。稳压管的反向击穿电压称为稳定电压，击穿电压称为稳定电压， 不同类型稳压管的稳定电不同类型稳压管的稳定电压不一样，某一型号的稳压管的稳压值固定在一定范压不一样，某一型号的稳压管的稳压值固定在一定范围。围。 例如：例如： 2CW112CW11的稳压值是的稳压值是3.2 V3.2 V到到4 4. .5 V5 V， 其中其中某一只管子的稳压值可能是某一只管子的稳压值可能是3. .2 V， 另一只管子则可另一只管子则可能是能是4.5 V

14、。 （2）稳定电流稳定电流IZ：稳压管工作在稳压状态时的参考电流，稳压管工作在稳压状态时的参考电流，电流低于此值时稳压效果变坏。电流低于此值时稳压效果变坏。 IZmin（4）额定功耗额定功耗maxZZZMIUP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：规定电流下稳压管的反向击穿电压：规定电流下稳压管的反向击穿电压（5）温度系数温度系数 （%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻动态电阻ZZIUZr3. 稳压二极管稳压二极管稳压电路稳压电路 图中图中Ui为有波动的输入电压，并满足为有波动的输入电压，并满足Ui UZ。 R为限流电阻，

15、为限流电阻，RL为负载。为负载。该电路的稳压原理是：当电网电压升高时，必该电路的稳压原理是：当电网电压升高时，必然引起整流滤波电路输出电压然引起整流滤波电路输出电压Ui升高，而升高，而Ui 的升高的升高又会引起输出电压又会引起输出电压Uo（即（即UZ ）的增大。）的增大。 由稳压管的由稳压管的稳压特性可知，稳压特性可知，UZ的增大，的增大， 势必引起势必引起IZ的较大增大，的较大增大， 于是限流电阻于是限流电阻R上的电流上的电流IR增大，增大，R上的电压降也增上的电压降也增大，这在很大程度上让大，这在很大程度上让R承担了承担了Ui的变化，从而使的变化，从而使Uo基本上趋于稳定（基本上趋于稳定（

16、UiUo IZIURUo）。）。 反之，当反之，当Ui下降而引起下降而引起Uo变小时，变小时， 也会引起也会引起IZ减小，减小，R上的压降上的压降UR减小，同样保持了减小，同样保持了Uo的基本稳定。的基本稳定。 由上分析可见，在这种稳压电路中，稳压管起着由上分析可见，在这种稳压电路中，稳压管起着电流控制作用。即不论是由于电流控制作用。即不论是由于Ui还是由于还是由于IL 的变化使的变化使输出电压输出电压UL发生小的波动时，发生小的波动时，IZ都会产生较大变化，都会产生较大变化，从而改变了总电流的大小而调整了从而改变了总电流的大小而调整了R上的压降，或是上的压降，或是补偿了补偿了IL的变化，结果

17、都使的变化，结果都使UL维持基本不变。维持基本不变。R在电在电路中起着限流和调压作用。如路中起着限流和调压作用。如R =0，则会使，则会使Ui（远大（远大于于UZ）直接加于）直接加于VDZ两端，引起过大的两端，引起过大的IZ，使，使VDZ损损坏。坏。 另外，另外，R = 0 时，始终是时，始终是UL = Ui，电路不会有稳，电路不会有稳压性能。因此，这种电路的稳压作用是压性能。因此，这种电路的稳压作用是稳压管稳压管VDZ和和限流电阻限流电阻R共同完成的。共同完成的。 2022-5-23e：发射区b：基区c：集电区集电结集电结发射结发射结基区基区集电区集电区发射区发射区三极三极: 三区三区:两结

18、两结:发射极发射极e e(Emitter), ,基极基极b b(Base), ,集电极集电极c c(Collector)发射结发射结集电结集电结NNPBEC两种类型两种类型:NPN和和PNPPNP电路符号电路符号NPN电路符号电路符号BECIBIEICBECIBIEICIE = IC +IB IC = IB IE = (1 + ) IBIC = IB共射极共射极电流放大倍数电流放大倍数2022-5-232. 放大条件放大条件内部内部条件？条件？三区掺杂不同！三区掺杂不同！发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。对对NPN型：型：VC VB VE对对PNP型：型：VC VB VE 外部外

19、部条件：条件：NPNebc电子空穴IENICNIEPICBOIEICIBIBN空穴流与电流方向相同；空穴流与电流方向相同；电子流与电流方向相反。电子流与电流方向相反。IE=IEN + IEP且IEN IEPIC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN IB= IEP + IBN - ICBO推导ebc两个二极管能否代两个二极管能否代替一个三极管？替一个三极管？不能！不能！晶体管各电极电压与电流的关系曲线。晶体管各电极电压与电流的关系曲线。 重点讨论应用最广泛的重点讨论应用最广泛的共发射极共发射极接法的特性曲线接法的特性曲线1. 输入特性输入特性UCE 1ViB( A)uBE(V)2

20、04060800.40.8UCE=0VUCE =0.5VUCE不变时，呈指数关系曲线不变时，呈指数关系曲线UCE增大时，曲线右移增大时，曲线右移qiB=f(uBE) UCE=const2. 输出特性输出特性iC(mA )1234uCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域满此区域满足足IC= IB称为线性称为线性区（放大区（放大区）。区）。当当UCE大于一大于一定的数值时，定的数值时，IC只与只与IB有关，有关，IC= IB。qiC=f(uCE) IB=constIC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中 : IB=0, IC0,UBEIC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。qiC=f(uCE) IB=const输出特性三个区域的特点输出特性三个区域的特点:(1)放大区：放大区：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。 即：即： IC= IB , 且且 IC = IB(2) 饱和区：饱和区：发射结正偏，集电结正偏。发射结正偏，集电结正偏。 即：即：U