电子技术第一章(半导体技术)PPT

1、第一章 半导体二极管和三极管共一百一十二页第一章 半导体二极管和三极管 10 半导体器件的种类(zhngli)及发展Diode and Diode Circuits 12 PN结及其单向(dn xin)导电性 13 半导体二极管 14 稳压管 15 半导体三极管 11 半导体的基本知识共一百一十二页 1-0 半导体器件的种类(zhngli)及发展、种类(zhngli)二极管 （Diode）三极管 （BJT）集成电路（IC） Integrated Circuit场效应管（MOSFET）共一百一十二页1)1906年电子管发明（进入(jnr)电子时代）、发展(fzhn)2)1948年晶体管问世（半导

2、体器件）3)60年代集成电路出现(进入信息时代)共一百一十二页(1) 第一代电子器件(din z q jin)电子管（真空管）1906年，福雷斯特（Lee De Fordst）等发明，可实现整流、稳压(wn y)、检波、放大、振荡等多种功能电路。电子管体积大、重量重、寿命短、耗电大。世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m2，重30t，耗电150kW。共一百一十二页(2) 第二代电子器件(din z q jin)晶体管（半导体三极管）1948年，肖克利（W.Shckly）等发明(fmng)。比真空管的体积更小，重量更轻，功耗更低，在许多领域已经取代了真空管。共一百一十二页(3) 第三

3、代电子器件(din z q jin)集成电路(IC)1958年，基尔白等设想将管子、元件(yunjin)和线路集成封装在一起，三年后，集成电路实现了商品化。共一百一十二页共一百一十二页 1-1 半导体的基本知识导体(dot)绝缘体半导体（Semiconductor）导体(dot)、绝缘体、半导体很容易传导电流的物质，如：铜、铝等几乎不能传导电流的物质，如：塑料、橡胶等其导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。如：硅、锗以及大多数金属氧化物和硫化物特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等）典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等共一百一十二页有些半导体对温度(wnd)的反映特别灵敏，环境温

4、度(wnd)增高时，它的导电能力要增强很多，利用该特性可作成热敏元件、半导体温度(wnd)传感器等；有些半导体（如硫化镉）受到光照时，它的导电能力变得很强，当无光照时，有变得象绝缘体那样不导电，利用(lyng)该特性作成了各种光电元件、光敏元件；如果在纯净的半导体中渗入微量的某种杂质后，它的导电能力增加十万倍乃至几百万倍。利用该特性就作成了各种不同用途的半导体器件。半导体材料受到了人们的特别的重视半导体为何有如此悬殊的导电特性呢？共一百一十二页一、本征半导体(Intrinsic Semiconductor) 纯净无掺杂的半导体。制造(zhzo)半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.99999

5、99%，常称为“九个9”。原子核价电子共一百一十二页硅、锗材料具有晶体结构，所以半导体又称为晶体(jngt)，这就是晶体管名称的由来。本征半导体是指完全纯净(chnjng)的，具有晶体结构的半导体。Si，Ge均为4价元素。共一百一十二页 (1)共价键(covalent bond)结构(jigu)空间排列(pili)有序的晶体(crystal)硅原子(Si) (a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图共一百一十二页SiSiSiSi共一百一十二页（2）本征激发(jf)a）绝对零度，无外界激发时，不存在(cnzi)自由电子，相当于绝缘体；b）T 或受光激发等，共价键中价电子挣脱束缚为自由

6、电子，具有导电功能 本无光照、热激发绝缘本导电光、热激发温度对半导体器件性能影响很大共一百一十二页价电子受到热或光的激励(共价键的价电子被束缚，较稳定)时，有少量价电子能挣脱共价键的束缚而成为自由电子，在原来(yunli)的位置上留下一个空位称为空穴。 (3) 空穴和自由电子(z yu din z)的形成SiSiSiSi自由电子空穴共一百一十二页空穴运动的方向(fngxing)与价电子运动的方向(fngxing)相反，因此空穴运动相当于正电荷的运动。空穴带正电共一百一十二页自由电子(z yu din z)SiSiSiSiSiSiSiSiSi空穴(kn xu)空穴和自由电子总是成对出现的空穴电流

7、电子电流半导体中同时存在着电子导电和空穴导电在一定温度下，载流子（自由电子和空穴）的产生和复合达到动态平衡，维持一定数目。共一百一十二页自由电子和空穴称为载流子（Carrier)(运载(ynzi)电流的粒子)。本征半导体中，自由电子和空穴成对产生，不断复合(fh)，(recombination)整个半导体对外呈电中性，不显示电性。 温度越高，载流子的数目就越多，导电性能也就越好。本征半导体特点：电子浓度=空穴浓度载流子少，导电性差，温度稳定性差！共一百一十二页 杂质(zzh)半导体(Extrinsic Semiconductor)在本征半导体中掺入某些少量(sholing)杂质，使其导电能力

8、大大增加。二、N型半导体和P型半导体共一百一十二页1、N型半导体(N-type semiconductor) 当磷原子给出了多余价电子后，磷原子本身(bnshn)失去电子而成为正离子。但在产生自由电子的同时，并不产生空穴，这不同于本征半导体。PSiSiSi+自由电子(z yu din z)数远大于空穴数共一百一十二页这样(zhyng)的一种半导体将以自由电子导电为主，所以自由电子称为多数载流子（简称多子），而空穴称为少数载流子（简称少子）。这种在本征半导体中掺入微量五价元素，使自由电子浓度大大增加的半导体称为(chn wi)N型半导体（或称电子半导体）。共一百一十二页2、P型半导体（空穴(kn

9、 xu)半导体）(P-type semiconductor)在本征半导体中掺入微量的三价元素，可使半导体中的空穴浓度(nngd)大为增加，形成P型半导体。 当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子，形成了空穴。BSiSiSi共一百一十二页 但在产生空穴的同时(tngsh)并不产生新的自由电子，只是原来的硅晶体本身仍会产生少量的电子空穴对。此时空穴数远大于自由电子数，在这种半导体中以空穴导电为主，称空穴为多数载流子，而自由电子为少数载流子。同时称这种在本征半导体中掺入微量三价元素，使空穴(

10、kn xu)浓度大大增加 的半导体为P型半导体（空穴半导体）。共一百一十二页杂质(zzh)对半导体导电性的影响载流子数目(shm)剧增！ T=300 K室温下,本征硅的 电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后 N 型半导体中的 自由电子浓度: n=51016/cm3共一百一十二页一、 PN结的形成(xngchng) 1-2 PN 结及其单向(dn xin)导电性PN N型半导体中有较多的自由电子， 代表失去一个电子的磷离子，带正电。+P型半导体中有较多的空穴， 代表得到一个

11、电子的硼离子。共一百一十二页随着(su zhe)P 型区大批空穴扩散到N区与电子复合,N区大批电子扩散到P区中与空穴复合,使交界面附近只留下不能移动的正负电荷。正负电荷相互作用，形成一个电场，方向(fngxing)N区指向P区,由于这个电场不是外加电压形成的，故称为内电场(built-in potential barrier) 。内电场PN共一百一十二页 这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷,它们集中在P区和N区交界面附近，形成了一个(y )很薄的空间电荷区(Space charge region ) ， 这就是PN结。空间电荷区在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了

12、,因此空间电荷区有时(yush)又称为耗尽层(Depletion layer)。它的电阻率很高，扩散越强，空间电荷区越宽。内电场PN共一百一十二页在内电场作用下，多子扩散(Diffusion)受阻，而这个电场有利于N区的少数载流子空穴向P区漂移(Drift)、P区的少数载流子电子向N区漂移运动，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反(xingfn)，当扩散和漂移作用相互抵消时，便达到动态平衡。复合(fh)阻止多子扩散，增强少子漂移 PN结（耗尽层，空间电荷区）结合（浓度差）多子扩散内电场 动态平衡共一百一十二页两种载流子的两种运动(yndng)动态平衡时形成PN结两种运动(yndng)：扩散D

13、iffusion漂移Drift（浓度差）（电场力）共一百一十二页 浓度差 多子扩散(kusn) 空间电荷区 (杂质离子) 内电场 促少子 阻多子 漂移 扩散 动态平衡PN结形成(xngchng)过程：共一百一十二页二、PN结的单向(dn xin)导电性PN结的基本特性单向导电性只有(zhyu)在外加电压时 才显示出来1、外加正向电压P 接电源正极，N接电源负极。 正方向接法：PN结处导通状态，导通时呈低阻 PN内电场方向外电场方向共一百一十二页 (1) PN结正偏(UPUN )时外加的正向电压(diny)削弱了内电场。导通PN结呈现(chngxin)低阻性, IF大 共一百一十二页2、外加反向

14、(fn xin)电压N区接E 正， P接负反向(fn xin)电压：PN结处于截止状态，截止时呈高阻本征激发产生的少子受温度影响很大，故温度对反向电流影响很大。PN内电场方向外电场方向共一百一十二页 (2) PN结反偏(UP0)存在死区电压硅：Uth=0.5 V Threshold锗：Uth=0.15 V 阈限2)反向(U0，则D导通；反之D截止。+4V共一百一十二页若E=4V，求Uo=？ 故D截止(jizh)，Uo= 2V 例3+解+-共一百一十二页若将E改为(i wi)ui，求uo+例4解共一百一十二页将两个二极管全部断开(dun ki)，求开路电压求输出(shch)电压UoD1D2+9V

15、3V6V+9V3V6V+U1U2例5解共一百一十二页+9V3V6V+U1U2+9V3V6V+U1共一百一十二页+9V3V6V+U1共一百一十二页求F的电位(din wi)VF，二极管的正向电位降忽略A端电位(din wi)比B端电位(din wi)高，DA优先导通，则当 DA导通时， DB上所加为反向电压截止例6解共一百一十二页iou1uaTbDRLuobu1uaTDRLuo例7解+共一百一十二页将光信号转换为电信号的器件(qjin)，常用于光的测量，或做光电池。光电二极管图A将电信号转换(zhunhun)为光信号的器件，常用于显示，或做光纤传输中的光发射端。发光二极管（LED） 图B (li

16、ght-emitting diode) 发射相干单色光的特殊发光二极管。主要用于小功率光电设备，如光驱、激光打印头等。激光二极管共一百一十二页1.正确理解PN结。2.熟练掌握器件（二极管)的外特性、主要参数。3.正确理解模型分析法及典型应用(yngyng)。4.会查阅电子器件手册。 基本(jbn)要求THE END共一百一十二页作业(zuy)：1.1 1.2 共一百一十二页稳压管是一种特殊的半导体硅二极管，在电路(dinl)中能起稳定电压的作用，故称为稳压管。 1-4 稳 压 管U/VI/mAIZMIZIZUZUZ共一百一十二页一、主要参数1、稳定(wndng)电压UZ2、稳定(wndng)电

17、流IZ稳压管的稳定电流只是一个作为依据的参考值，但对每一个稳压管，都规定一个最大稳定电流 IZmax。稳压管在正常工作下管子两端的电压。U/VI/mAIZMIZIZUZUZ3、电压温度系数 稳压值受温度变化影响的系数共一百一十二页4、动态(dngti)电阻rzrz越小，稳压管反向伏安(f n)特性曲线越陡，稳压性能越好稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值U/VI/mAIZMIZIZUZUZ共一百一十二页5、最大允许耗散(ho sn)功率PZM为管子不发生损坏(snhui)时的最大功率损耗反向电流通过PN结，产生功率损耗，T共一百一十二页限流电阻已知UZ=5V， UD=0.6V，求Uo=

18、？U=10V；U=10V；U=4V当U=10V时，稳压管反向(fn xin)击穿， Uo= UZ=5V当U=10V时,稳压管正向导(xingdo)通,UO=UD=0.6V当U=4V时，稳压管反向截止，UO= 4V例解共一百一十二页 U=10V； U=-10V； U=4V已知UZ=5V， UD=0.6V，求UO=？UO= UZ + UD =5.6V例解当U=10V时，设C点电位(din wi)为零UO=-UZ -UD =-5.6V当U=-10V时，设B点电位(din wi)为零UO= 4V 当U=4V时，设C点电位为零共一百一十二页求UO(a)(b)Dz1稳压(wn y)值6VDz2稳压(wn

19、y)值10V正向压降0.7V解例(a)RURU(b)+-+-U=20V共一百一十二页电阻R的选择(xunz)范围：为保证流过稳压管电流不超过(chogu)其最大允许电流，稳压管在使用时，在电路中必须加限流电阻。注意RLILUIRIRIZ+-Uo+-共一百一十二页 1-5 半 导 体 三 极 管Bipolar Junction Transistor(BJT) 1.5.1 基本(jbn)结构 1.5.2 放大(fngd)原理 1.5.3 特性曲线 1.5.4 主要参数 1.5.5 半导体三极管型号 1.5.6 小结共一百一十二页共一百一十二页三极管又称为(chn wi)晶体管高频(o pn)管按频

20、率分低频管按功率分大功率管中功率管小功率管NPN型按结构分PNP型按材料分硅管锗管 硅晶体管多为NPN型（3D系列） 锗晶体管多为PNP型（3A系列）共一百一十二页1.5.1 基本(jbn)结构1、NPN型发射结(Je)集电结(Jc)基区发射区集电区e(Emitter) 发射极b(Base） 基极c(Collector)集电极共一百一十二页它由两个PN结的三层半导体制成的，中间是一块(y kui)很薄的P型半导体（几微米几十微米），两边各为一块(y kui)N型半导体。发射区与基区交界处的PN结称为(chn wi)发射结基区不但很薄，而且掺杂浓度低；发射区的掺杂浓度远高于集电区，集电极和发射极

21、不能互换。两个PN结集电区与基区交界处的PN结称为集电结共一百一十二页2、PNP型发射结(Je)集电结(Jc)基区发射区集电区e(Emitter) 发射极b(Base） 基极c(Collector)集电极共一百一十二页符号(fho)*Je箭头: P N共一百一十二页BCEBCETNPN型BCEBCETPNP型共一百一十二页一、放大(fngd)条件二、内部(nib)载流子传输过程三、电流分配关系1.5.2 放大原理四、放大作用共一百一十二页一、放大(fngd)条件外部(wib)条件内部条件Je正偏Jc反偏电位关系三区结构与掺杂NPN：VC VB VEPNP：VC VB VE共一百一十二页 发射区

22、向基区注入(zh r)载流子； 基区则是传送(chun sn)和控制载流子； 集电区是收集载流子的。 把晶体管接成两个回路，即基极电路和集电极电路。 以发射极为公共端，这种接法称为晶体管的共发射极接法。 BCERBEBRCECNNP二、内部载流子传输过程发射结加正向电压，集电结加反向电压。 共一百一十二页（1）发射区向基区扩散(kusn)电子BCERBEBRCECNNP共一百一十二页（2）电子在基区的扩散(kusn)和复合BCERBEBRCECNNP基极电流(dinli)就是电子在基区与空穴复合的电流(dinli)扩散和复合同时进行，电流放大取决于两者的比例希望扩散 复合，因此基区很薄，掺杂浓

23、度小共一百一十二页（3）集电区收集(shuj)扩散过来的电子BCERBEBRCECNNP共一百一十二页BCERBEBRCECNNP 根据反向PN结的特性，当集电结加反向电压时，基区中少数载流子电子和集电区中少数载流子空穴在结电场作用下形成反向漂移电流(dinli)。这部分电流(dinli)决定于少数载流子浓度，称为反向饱和电流ICBO共一百一十二页三、电流(dinli)分配关系(Current Relationship)IB(mA)00.020.040.060.080.10Ic (mA)0.0010.71.52.303.103.95IE (mA)IB 共一百一十二页晶体管的IB有很小变化时，

24、IC变化很大，这就是晶体管的电流(dinli)放大作用。发射结必须(bx)正向偏置，集电结必须(bx)反向偏置注意表示电流放大能力，电流放大系数。 IB(mA)00.020.040.060.080.10Ic (mA)0.0010.71.52.303.103.95IE (mA)VB，VCVB，VEVC(b) VEVB ， VC VC(c)VB VE， VB VC02年选择题 (a)(c)共一百一十二页03年选择题 输出电压的最大值？ 共一百一十二页1、电流放大系数1.5.4 主要参数一、直流参数(cnsh)共一百一十二页2、反向(fn xin)饱和电流ICBO当发射极开路时，由于集电结处于反偏，

25、集电区和基区中的少数载流子的漂移运动所形成(xngchng)的电流。ICBO受温度的影响较大。在室温下，小功率锗管的ICBO约为几微安到几十微安，小功率硅管的ICBO在1A以下。NPNICBOIE=0共一百一十二页3、穿透电流ICEO当基极开路时，由于(yuy)集电结处于反偏，发射结处于正偏时的集电极电流，也称穿透电流。由于ICBO受温度影响很大，ICBO愈大、 愈高的管子，稳定性愈差。ICEONPNICEOIB=0共一百一十二页在估算时 认为二、交流(jioli)参数1、电流放大系数2、特征频率fT当 下降(xijing)到1时所对应的频率共一百一十二页1、 集电极最大允许(ynx)电流IC

26、M IC超过一定值时，晶体管的值要下降，当值下降到正常值的2/3时的IC称为集电极最大允许电流 ICM ，当电流 ICM时，管子性能(xngnng)在显著下降的同时，还可能损坏管子。三、极限参数ICM，U(BR)CEO，PCM（决定三极管的工作区域）2、反向击穿电压（U(BR)XXO）(1) U(BR)CBO E极开路时的集电结击穿电压。共一百一十二页(3) U(BR) EBO (2) 集射极反向(fn xin)击穿电压U(BR)CEO当基极开路时，加在发射极与集电极之间的最大允许(ynx)电压称为集射极反向击穿电压，使用时 UCEOU(BR)CEO时，ICEO突然大幅度上升，晶体管将击穿而损坏。共一百一十二页3、 集电极最大允许耗散(ho sn)功率PCMIC在流经集电结时将产生热量，使结温升高，为了使结温不超过允许的数值，规定了集电极的最大允许耗散功率(gngl)，超过此值会使管子性能