0章半导体课件

模拟电子技术基础医工、电子、计算机专业课程资料：教师：陈付毅模拟电子技术基础1电子技术与生活和专业的关系：如何学好电子技术方面的课程：理论与实践与电子技术相关的系列课程：物理、电工、工艺、设计、传感器、单片、接口、课题(毕设、学生课题)生活中电子产品、医疗仪器、计算机与电子看书预习、认真听课、解题作业、实验实践！机会：实验、实践、开放实验、竞赛、课题、毕业设计了解一下教材！（第0章）2第一章半导体器件§1.1

半导体的基本知识§1.2

PN

结及半导体二极管§1.3

特殊二极管§1.4

半导体三极管§1.5

场效应晶体管31.1.1导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。4

半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：

当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。

往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。半导体重要特性♠半导体得以广泛应用的依据♠半导体分类：本征半导体，杂质半导体本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。杂质半导体：通常为掺入3、5后的半导体。即：它具有其他物体所没有的独特性质，具体表现在以下

3个方面：(1)掺杂性，(2)热敏性，(3)光敏性51.1.2

本征半导体(定义)一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，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。2,8,18,42,8,46在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：7硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子8共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+49二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子：自由电子和空穴10+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子本征半导体的导电机理受温度或光照激发束缚电子将逸出、产生112.本征半导体的导电机理+4+4+4+4

在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。flash12

温度越高，载流子的浓度越高，因此本征半导体的导电能力越强。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。

2.空穴移动产生的电流。半导体温度特性的影响及应用本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度，后者与温度有关。n、p：电子空穴浓度，T温度，EGO(零度时破坏共价键能量)，K1：常量，k：常数，……131.1.3

杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。14一、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。15+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以,N型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子(多子),空穴称为少数载流子(少子)。N型半导体中的载流子16二、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。17三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体

杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。18主要内容：PN结的形成、单向导电性及PN

结的特性曲线1、PN结的形成2、PN结的单向导电性a、PN结加正向电压时导通b、PN结加反向电压时截止3、PN结的伏安特性§1.2PN结及半导体二极管191.2.1PN

结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体（二者紧挨着），经过载流子的（浓度）扩散，它们的交界面处将形成PN结。PN结是半导体器件最基本的结构，几乎所有半导体器件，小到二极管大到超大规模集成电路皆源于此。20异型半导体接触现象PN结的形成21P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动(多子浓差扩散)内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。22漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，两个区的电荷数保持不变，空间电荷区的厚度固定不变。231.2.2PN结的单向导电性

PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。

PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。单向导电性：

PN结加上正向电压时导通，

PN结加上反向电压时截止。24－－－－++++RE一、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。25二、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，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。RE26三、PN结的伏-安特性图1.1.10

正向特性反向特性如上面PPT所示对PN结加正反向电压，把电压电流值标于直角坐标系即得。27PN结的电流方程：PN结所加电压u和流过电流i的关系：IS为反向饱和电流、q为电子电量、k为玻耳兹曼常数、T为热力学温度如果设UT=KT/q则：在T=300K时，UT=26mV当u为负值,且满足eu/UT<<1时,则:28

PN结处于反向偏置时,在一定电压范围内,流过ＰＮ结的电流是很小的反向饱和电流。但是当反向电压超过某一数值(ＵＢR)后,反向电流急剧增加,这种现象称为反向击穿。ＵＢR称为击穿电压。四、ＰＮ结的击穿

所谓“齐纳”击穿,是指当ＰＮ结两边掺入高浓度的杂质时,其阻挡层宽度很小,即使外加反向电压不太高(一般为几伏),在ＰＮ结内就可形成很强的电场(可达2×106V/cm),将共价键的价电子直接拉出来,产生电子-空穴对,使反向电流急剧增加,出现击穿现象。ＰＮ结的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。29

所谓“雪崩”击穿,当反向电压足够高时,阻挡层内电场很强,少数载流子在结区内受强烈电场的加速作用,获得很大的能量,在运动中与其它原子发生碰撞时,有可能将价电子“打”出共价键,形成新的电子、空穴对。这些新的载流子与原先的载流子一道,在强电场作用下碰撞其它原子打出更多的电子、空穴对,如此链锁反应,使反向电流迅速增大。

对硅材料的ＰＮ结,击穿电压ＵＢ大于７V时通常是雪崩击穿,小于４V时通常是齐纳击穿；ＵＢ在４V和７V之间时两种击穿均有。由于击穿破坏了ＰＮ结的单向导电特性,因而一般使用时应避免出现击穿现象。30二极管的构成及特性、符号、曲线、使用二极管的几种外形、几种常见结构、符号二极管的伏安特性曲线及温度特性二极管的折线化等效模型微变等效电路二极管的主要参数:(P26)二极管的使用二极管的几种常见外形图1.2.11.2.3

半导体二极管31一、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：导电方向：阳极阴极32二、二极管的伏安特性2．测试电路：如图所示。

1．定义：二极管两端的电压和流过的电流之间的关系曲线叫作二极管的伏安特性。图测试二极管伏安特性电路33伏安特性(获取)UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR伏安特性与温度的关系344．特点：结论：正偏时电阻小，具有非线性。导通后V两端电压基本恒定：②VF＞VT时，V导通，IF急剧增大。①正向电压VF小于门坎电压VT时，二极管V截止，正向电流IF=0；其中，门槛电压（1）正向特性35（2）反向特性结论：反偏电阻大，存在电击穿现象。VR＞VRM时，IR剧增，此现象称为反向电击穿。对应的电压VRM称为反向击穿电压。

反向电压VR＜VRM（反向击穿电压）时，反向电流IR很小，且近似为常数，称为反向饱和电流。36晶体二极管的单向导电性：（1）正极电位＞负极电位，二极管导通；（2）正极电位＜负极电位，二极管截止。

即二极管正偏导通，反偏截止。这一导电特性称为二极管的单向导电性。

晶体二极管的单向导电性四、二极管的使用37[例1.1.1]图1.1.3所示电路中，当开关S闭合后，H1、H2两个指示灯，哪一个可能发光？图1.1.3[例1.1.1]电路图解由电路图可知，开关S闭合后，只有二极管V1正极电位高于负极电位，即处于正向导通状态，所以H1指示灯发光。38例1.2.1电路图图1.2.6

开关不同位置时二级管D的状态39直流电压源和交流电压源同时作用的二极管电路图1.2.8图1.2.8所示电路的波形分析图1.2.940二极管：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=0RLuiuouiuott二极管的应用举例：二极管半波整流411.3.1

稳压二极管UIIZIZmax

UZ

IZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。§1.3特殊二极管421.3.2光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加43光电二极管的外形和符号图1.2.13

441.3.3发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。发光二极管外形、符号4546晶体三极管主要内容：1、三极管的结构(三区二结)、分类、名称、符号2、基本(共射)放大电路(晶体管的放大作用)3、三极管放大电路的电流分配及放大4、三极管的输入、输出特性曲线及分区5、温度对输入、输出特性曲线的影响6、三极管的主要参数:β()、ICB0、ICE07、极限参数:ICM、UCEO、PCM§1.4半导体三极管47晶体管－三极管的几种常见外形图1.3.1

481.4.1

基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型49BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高掺杂特点：50BECNNP基极发射极集电极发射结集电结三区二结的结构51IB=IBE-ICBO

IBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBEIE=IB+IC52晶体管内部载流子运动与外部电流

图1.3.4

IE=IB+IC

、IC＝βIB53ICE与IBE之比称为电流放大倍数★要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。54BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管三极管的符号551.4.3

特性曲线（I-V关系曲线）ICmA

AVVUCEUBERBIBECEB

实验线路输入输出ebcUBE=EB－IBRBUCE=EC－ICRC此处RC=056一、输入特性UCE1VIB(

A)UBE(V)204060800.40.8工作压降:硅管UBE0.6-0.7V,锗管UBE0.2-0.3V。UCE=0VUCE=0.5V

死区电压,硅管0.5V,锗管0.2V。UBE=EB－IBRB57二、输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=

IB称为线性(放大)区。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=

IB。UCE=EC－ICRC58IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCE

UBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。59IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。60输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且

IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCE

UBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

61晶体管的输出特性曲线图1.3.6

曲线的获得曲线的特征：曲线的分区：4个晶体管的极限参数图1.3.7621.4.4主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为

IB，相应的集电极电流变化为

IC，1.电流放大倍数、

和、α（1）共射电流放大系数：则共射交流电流放大倍数为：63例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：

=64

共基极交流电流放大系数α。α体现共基极接法下的电流放大作用。

共基极直流电流放大系数α。在忽略反向饱和电流ＩＣＢＯ时,(2)共基电流放大系数：654.集电极最大电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的

值的下降，当

值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。5.集-射极反向击穿电压当集---射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。666.集电极最大允许功耗PCM

集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：PC=ICUCE

必定导致结温上升，所以PC有限制。PC

PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区67例：

=50，USC

=12V，RB

=70k，RC

=6k,当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？当USB

=-2V时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大饱和电流：Q位于截止区68例：

=50，USC

=12V，RB

=70k，RC

=6k,当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？IC<

ICmax(=2mA)

，

Q位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB

=2V时：69USB

=5V时:例：

=50，USC

=12V，RB

=70k，RC

=6k,当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ位于饱和区，此时IC和IB

已不是倍的关系。701.4.5温度对晶体管输入、输出特性的影响图1.3.9

711.温度对UBE的影响

2.温度对ICBO的影响ＩＣＢＯ是由少数载流子形成的。当温度上升时,少数载流子增加,故ＩCBO也上升。其变化规律是,温度每上升10℃,ＩCBO约上升1倍。ＩCEO随温度变化规律大致与ＩCBO相同。在输出特性曲线上,温度上升,曲线上移。

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3、温度对β的影响

β随温度升高而增大,变化规律是：温度每升高１℃,β值增大０.５%－１％。在输出特性曲线图上,曲线间的距离随温度升高而增大。综上所述：温度对ＵＢＥ、ＩＣＢＯ、β的影响,均将使ＩＣ随温度上升而增加,这将严重影响三极管的工作状态,73P37例题1.3.1：P38例题1.3.2：晶体管T1T2T3T4基极电位(V)0.71-10发射极(V)00.3-1.70集电极(V)50.7015工作状态题：现已测得某电路中几只NPN型晶体三极管的直流电位如表所示，设各管开启电压均为0.5V，试述各管工作状态。放大饱和放大截止题：在一个单管放大电路中，电源电压30V，已知三只管子如表所示，试选择并述理由。晶体管参数T1T2T3ICBO/μA0.010.10.05UCEO/V505020β1510010074场效应管与双极型晶体管的导电机理和结构都不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种:§1.5场效应晶体管N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型N沟道P沟道75N基底:N型半导体PP两边是P区G(栅极)S源极D漏极一、结构1.5.1结型场效应管:导电沟道76NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管DGSDGS符号N沟道结型场效应管符号：77PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管DGSDGSP沟道结型场效应管符号：78二、工作原理（以P沟道为例）UDS=0V时PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。1、UDS=0V，改变UGS79PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V时NNUGS越大耗尽区越宽,沟道越窄,电阻越大。但当UGS较小时,耗尽区宽度有限,存在导电沟道;DS间相当于线性电阻。80PGSDUDSUGSNNUDS=0时UGS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。ID81PGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS<0、UGD<VP时耗尽区的形状NN越靠近漏端,PN结反压越大ID2、UGS<Vp

，改变UD82PGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS较大时UGD<VP时耗尽区的形状NN沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。ID83GSDUDSUGSUGS<VpUGD=VP时NN漏端的沟道被夹断，称为予夹断。UDS增大则被夹断区向下延伸。ID84GSDUDSUGSUGS<VpUGD=VP时NN此时，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。ID85三、特性曲线UGS0IDIDSSVP饱和漏极电流夹断电压转移特性曲线一定UDS下的ID-UGS曲线86予夹断曲线IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线087N沟道场效应管原理简介：

N沟道:uDS＝0时uGS对导电沟道的控制作用uGS=0UGS(off)<uGS<0uGS≤UGS(off)夹断电压VP当uGS较小时,耗尽区宽度有限,存在导电沟道,DS间相当于线性电阻。uGS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。uGS↓沟道变窄88图1.4.4

UGS(off)<uGS<0(为定值)且uDS>0的情况uGD>UGS(off)uGD＝UGS(off)uGD<UGS(off)漏端的沟道被夹断,称为予夹断。沟道中仍是电阻特性,但为非线性电阻;因电阻各点有压降！UDS↑则被夹断区向下延伸;此时电流ID由未被夹断区域的载流子形成,基本不随UDS的增加,呈恒流特性。NN89uGD<UGS(off)时uGS对iD的控制作用当uGD＝uGS－uDS<UGS(off)，即uDS>uGS－UGS(off)的情况下，当uDS为一常量时，对应于确定的uGS就有确定的iD；改变uGS，iD将随之改变。因iD受uGS控制，故场效应管为电压控制元件。低频跨导：描述动态栅－源电压对漏极电流的控制作用：变电阻、预夹断、电压控制电流的文字描述见p3790N沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线UGS0IDIDSSUGS(off)91输出特性曲线IDUDS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN沟道结型场效应管的特性曲线92场效应管的输出特性图1.4.5

场效应管的转移特性曲线图1.4.6

二条曲线的关系931.5.2绝缘栅场效应管:一、结构、电路符号和分类PNNGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层导电沟道金属铝GSDN沟道增强型94N沟道耗尽型PNNGSD予埋了导电沟道GSD95NPPGSDGSDP沟道增强型P沟道耗尽型NPPGSDGSD予埋了导电沟道96二、MOS管的工作原理以N沟道增强型为例PNNGSDUDSUGSUGS=0时D-S间相当于两个反接的PN结ID=0对应截止区97PNNGSDUDSUGSUGS>0时UGS足够大时(UGS>UGS(th))感应出足够多电子,这里出现以电子导电为主的N型导电沟道(反型层)。感应出电子UGS(th)称为阈值电压98UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大反型层越厚、此电阻越小。PNNGSDUDSUGS99PNNGSDUDSUGS当UDS不