项目一半导体器件基础课件

项目一半导体器件基础2023/7/16项目一半导体器件基础绪论

一、电子技术的发展与应用概况

电子技术是研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。电子技术的应用，以信息科学技术为中心的包括计算机技术、生物基因工程、光电子技术、军事电子技术、生物电子学、新型材料、新型能源、海洋开发工程技术等高新技术群的兴起，已经引起人类从生产到生活各个方面巨大变革。项目一半导体器件基础

电子线路是由电子器件（又称有源器件，如电子管、半导体二极管、晶体管、集成电路等）和电子元件（又称无源器件，如电阻器、电容器、电感器、变压器等）组成具有一定功能的电路。电子器件是电子线路的核心。电子器件的发展促进了电子技术的发展。

(一)电子管时代:

1904年电子管的发明，使电子技术进入了第一个时代——电子管时代

。项目一半导体器件基础从此，无线电通信、电视、广播、雷达、导航电子设备和计算机等开始问世，并得到迅速发展。(二)晶体管时代

1948年贝尔（Bell）实验室发明晶体管后，使电子技术进入晶体管时代，拉开了人类社会步入信息时代的序幕。晶体管的广泛应用，开创了电子设备朝小型化、微型化发展的新局面。

(三)集成电路时代项目一半导体器件基础

1958年，德克萨斯仪器公司发明了集成电路，使电子技术进入集成电路时代。集成电路芯片是通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片上，实现特定的电路或系统功能。

(四)信息时代

2000年以来,以集成电路为基础的电子信息产业已成为世界第一大产业。电子信息产业的发展在国民经济发展中具有十分重要的战略意义。科学家认项目一半导体器件基础

2000年以来，以集成电路为基础的电子信息产业已成为世界第一大产业。电子信息产业的发展在国民经济发展中具有十分重要的战略意义。科学家认为人类继石器、青铜器、铁器时代之后进入了硅石时代。

二、课程的性质和任务

本课程是高职高专电类专业通用的技术基础课程，也是实践性较强的一门主干课程。在专业人才培养过程中具有重要的地位和作用。项目一半导体器件基础

通过本课程的理论教学和实验、课程设计等实践教学，使学生获得电子元器件和功能电路及其应用的基本知识，掌握电子技术基本技能，培养学生创新意识和实践能力，以适应电子技术发展的形势，为后续课程的学习和形成职业能力打好基础。通过本课程及实践环节的教学使学生获得以下知识和能力：项目一半导体器件基础

1.熟悉常用电子元器件的性能特点及其应用常识，具有查阅手册、合理选用、测试常用电子元器件的能力。2.掌握常见功能电路的组成、工作原理、性能特点及其分析计算方法，具有常见低频电路读图能力。3.熟悉常见电路的调试方法，具有电路简单故障分析、排除能力。4.了解EWB基本操作方法，会用软件进行电路仿真。项目一半导体器件基础三、课程特点和学习方法

本课程是研究模拟电路（AnalogCircuit）及其应用的课程。模拟电路是产生和处理模拟信号的电路。数字电路(DigitalCircuit)的知识学习由数字电子技术课程完成。

本课程有着下列与其他课程不同的特点和分析方法。项目一半导体器件基础（1）模拟电路是以模拟电子器件为核心构成的电子电路。（2）近似估算的方法（3）等效的方法（4）图解的方法（5）实验调整的方法在本课程学习过程中，要根据课程特点进行，并注意以下问题。

第一，提高对本课程重要性的认识，努力学习。第二，理论联系实际，重视实践动手能力培养。第三，注重职业道德培养，养成良好职业习惯。项目一半导体器件基础四、半导体的基础知识1.本征半导体2.杂质半导体3.PN结项目一半导体器件基础本征半导体—

1、本征半导体半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。纯净的不含任何杂质的半导体。如硅、锗单晶体。自由运动的带电粒子。载流子

—共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电。项目一半导体器件基础硅(锗)的原子结构价电子惯性核简化模型自由电子硅(锗)的共价键结构空穴项目一半导体器件基础半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。结论：自由电子在共价键以外的运动。空穴在共价键以内的运动。1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。

2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。

3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。项目一半导体器件基础2、杂质半导体一、N型半导体在纯净的硅或锗晶体中掺入少量的5价元素（如磷）。+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子

N型半导体的特点：①两种载流子中自由电子是多子，空穴是少子；

②主要靠自由电子导电。N型半导体的简化图示多数载流子少数载流子正离子项目一半导体器件基础二、P型半导体在纯净的硅或锗晶体中掺入少量的3价元素（如硼）。+3+4+4+4+4+4空穴硼原子

P型半导体的特点：①空穴是多子，自由电子是少子；

②主要靠空穴导电。多数载流子少数载流子负离子P型半导体的简化图示项目一半导体器件基础3、PN结一、PN结的形成

扩散运动漂移运动空间电荷区离子电荷区形成PN结内电场建立

扩散运动（一定宽度）动态平衡

P区中的电子和N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。项目一半导体器件基础所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。1、空间电荷区中没有载流子。注意:2、空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴、N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。项目一半导体器件基础二、PN结的单向导电性

1.PN结外加正向电压时处于导通状态－－－－++++REPN内电场外电场内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。+变薄

PN结加上正向电压、正向偏置的意思是：P区加正、N区加负电压。项目一半导体器件基础2.PN结外加反向电压时处于截止状态－－－－++++REPN内电场外电场+内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流PN结加上反向电压、反向偏置的意思是：

P区加负、N区加正电压。变厚项目一半导体器件基础

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，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。项目一半导体器件基础三、PN结的伏安特性反向饱和电流加正向电压时加反向电压时i≈–IS反向击穿Ou

/VI

/mA正向特性项目一半导体器件基础小结

1.本征半导体、N型半导体、P型半导体的特点

2.PN结的形成及特性项目一半导体器件基础模块一半导体二极管1.1半导体二极管的结构和类型1.2二极管的伏安特性1.3二极管的主要参数1.4特殊二极管项目一半导体器件基础1.1半导体二极管的结构和类型构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型符号：PN实质上就是一个PN结+阳极PN-阴极项目一半导体器件基础点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金正极

引线负极

引线集成电路中平面型PNP型支持衬底项目一半导体器件基础半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：项目一半导体器件基础二极管实物图项目一半导体器件基础项目一半导体器件基础1.2二极管的伏安特性UI反向击穿电压UBR导通压降:硅管0.7V,锗管0.3V。死区电压硅管0.5V,锗管0.2V正向特性反向击穿项目一半导体器件基础电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(Zener)雪崩击穿：—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。反向击穿类型：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。

反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。

PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。项目一半导体器件基础1.3二极管的主要参数1.

IF—最大整流电流(最大正向平均电流)2.

URM—最高反向工作电压，为U(BR)/2

3.

IR

—反向电流(越小,单向导电性越好)4.

fM—最高工作频率(超过时,单向导电性变差)影响工作频率的原因—PN结的电容效应项目一半导体器件基础以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。

结论：(1)低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。

高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。(2)结面积小时结电容小，工作频率高。二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0项目一半导体器件基础1.4特殊二极管一.稳压二极管符号工作条件：反向击穿

稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次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。项目一半导体器件基础二.光电二极管又称为光敏二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。符号实物照片项目一半导体器件基础符号三.发光二极管工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(12)V项目一半导体器件基础1.二极管的伏安特性----正向特性、反向特性小结2.二极管的主要参数:IF、URM、IR、fM3.特殊二极管及其应用项目一半导体器件基础模块二

半导体三极管2.1晶体三极管2.2晶体三极管的特性曲线2.3晶体三极管的主要参数2.4特殊的晶体三极管项目一半导体器件基础2.1晶体三极管一、结构、符号和分类基极发射极NPN型发射结集电结基本结构一符号ECB集电极NNPBEC项目一半导体器件基础BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低发射区：掺杂浓度较高制造工艺上的特点集电区：面积较大,掺杂浓度低项目一半导体器件基础PNP型BECPPN基极发射极集电极ECB符号基本结构二项目一半导体器件基础分类：按材料分：硅管、锗管按功率分：小功率管<500mW按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管大功率管>1W中功率管0.51W项目一半导体器件基础三极管实物图项目一半导体器件基础项目一半导体器件基础

二.晶体管的电流放大作用发射结正向偏置集电结反向偏置

三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。（1）工作在放大状态的外部条件：

NPNRCRbVCCVBB+_IBICIEVCC(2)实现电路:项目一半导体器件基础(3)满足放大条件的三种电路ECBuiuoECBuiuo共集电极uiuoCEB共发射极共基极项目一半导体器件基础(4)三极管内部载流子的传输过程(以NPN为例）ICNIEI

CBOIBIBN1)发射结加正向电压，发射区向基区注入电子，形成发射极电流IE。3)电子到达基区后，由于集电结加反向电压，电子漂移运动形成集电极电流ICN。2)扩散到基区的电子与孔穴的复合形成基极电流IBN。IC基区的空穴来源：基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)所以IBN

IB+ICBOIB=IBN

–

ICBO项目一半导体器件基础IC=ICN+ICBOIE=IC+IB当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：若IC>>ICEO，IE=IB+IC项目一半导体器件基础

（5）晶体管的电流分配关系三极管的电流放大作用

1．三极管的电流放大作用就是基极电流IB的微小变化控制了集电极电流IC较大的变化。

2．三极管放大电流时，被放大的IC是由电源VCC提供的，并不是三极管自身生成的，放大的实质是小信号对大信号的控制作用。

3．三极管是一种电流控制器件。项目一半导体器件基础2.2晶体三极管的特性曲线

IB=f(UBE)UCE=常数1.输入特性曲线+-bce共射极放大电路VBBVCCUBEICIB+-UCE项目一半导体器件基础UCE1V工作压降：硅管UBE0.6~0.8V,锗管UBE0.2~0.3V。UCE=0V0.40.8IB(A)UBE(V)20406080UCE=0.5V

死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。三极管输入特性曲线与二极管特性相似项目一半导体器件基础放大区截止区饱和区uCE

/VICEOiC

/mA50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321二、输出特性三极管有三种工作状态:1)截止状态2)放大状态3)饱和状态1)截止区：IB0

IC=ICEO0条件：两个PN结反偏或零偏项目一半导体器件基础2)放大区：IC=IBUC>UB>UE条件：发射结正偏集电结反偏3)饱和区：特点：IC

IB条件：两个PN结均正偏

IB虽然变化,但IC基本不变化深度饱和时UCES

0.1v,此时C极和E极之间相当于一个开关的闭合状态。利用三极管截止、饱和两种状态可做无触点开关。项目一半导体器件基础三、温度对晶体管特性及参数的影响1、温度对ICBO的影响

结论T输入特性左移ICEOICTICBO温度每升高100C,ICBO增加约一倍。温度每升高10℃，|uBE|大约下降2～2.5mV，增大0.5－1％。2、温度对输入特性的影响T正向特性曲线左移项目一半导体器件基础2.3晶体三极管的主要参数1.电流放大倍数和

2.集-基极反向饱和电流ICBOICEO=

IB+ICBO

3.集-射极间穿透电流ICEO4.集电极最大允许电流ICM5.集电极最大允许耗散功率PCM6.反向击穿电压

（1）U(BR)CBO——发射极开路时的集电结击穿电压（2）U(BR)EBO——集电极开路时发射结的击穿电压（3）U(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压

项目一半导体器件基础由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。项目一半导体器件基础半导体晶体管的型号国家标准对半导体晶体管的命名如下:3

D

G

110B

第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、

G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管项目一半导体器件基础2.4特殊的晶体三极管

一.光敏三极管

等效电路及符号项目一半导体器件基础

在光敏三极管集电极c和发射极e之间加电压，使集电结反偏，光照时将产生光电流IB，同时IB被“放大”形成集电极电流IC，大小在几百微安到几毫安之间。

光敏三极管的输出特性和晶体管类似，只是用入射光的照度来代替晶体管输出特性曲线中的IB。光敏三极管制成达林顿形式时，可获得很大的输出电流而能直接驱动某些继电器。

二.光电耦合器

光电耦合器是把发光二极管和光敏三极管组装在一起而成的光---电转换器件。项目一半导体器件基础小结2.晶体管的特性曲线①输入特性曲线②输出特性曲线1.晶体三极管的结构、符号和分类3.晶体管的主要参数---4.特殊的晶体三极管及其应用

、

ICBO

、ICEO

、

ICM

PCM、

U(BR)CBO项目一半导体器件基础模块三场效应管P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）JFET结型MOSFET绝缘栅型FET场效应管N沟道3.1场效应管的分类项目一半导体器件基础3.2结型场效应管的结构N沟道JFETP沟道JFET项目一半导体器件基础3.3工作原理（以N沟道为例）1、UGS<0,UDS=0VPN结反偏，|UGS|越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。项目一半导体器件基础NGSDPPIDUGS达到一定值时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS

0V，漏极电流ID=0A。项目一半导体器件基础2UGS=0,UDS>0VUDS>|Vp

|,预夹断后ID不为0时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。ID当UDS=|Vp

|,发生预夹断,ID=IDss项目一半导体器件基础3UGS<0,UDS>0V预夹断后ID不为0，ID基本不受UDS影响,只受UGS的控制,管子可看成一个由UGS控制的电流源,类似于三极管的放大区,故又称为场效应管的线性放大区。IDUGD=UGS-UDS=UP时发生预夹断项目一半导体器件基础uGSiDIDSSuDSiDuGS=–3V–2V–1V0V–3V3.4转移特性和输出特性1.输出特性

2.转移特性

项目一半导体器件基础3.5绝缘栅场效应管（MOS)一.N沟道增强型MOSFET1.结构与符号P型衬底(掺杂浓度低)N+N+SDGB耗