半导体基础知识 1

1、(1-1),模拟电子技术基础,任课教师：张 伟 电 话E-mail： 办 公 室：3号楼N505,(1-2),作业： 按时交，可补交（不批改）。 实验： 6次，遵守实验室纪律，认真写实验报告。 期末考试成绩： 期末考试60期中20平时成绩10+实验10,(1-3),绪论,电子技术基础 数字电子技术基础,模拟电子技术基础,(1-4),一、什么是电子技术？其发展概况如何？ 1、 定义： 又名电子学，它是一门研究各种电子器件、电子电路及其应用的学科。是当代发展最迅速的学科之一。 2、发展概况： 1）真空管或电子管时代 2）晶体管和集成电路时代 3）超导材料、纳米材料 （纳米

2、电子学为十大科技之首）,(1-5),3、电子技术发展简介 1）电子器件的发展简介 1904年发明了真空二极管 1906年发明了真空三极管 1912年发明了再生式放大器 1917年发明了振荡器和超外差式电路 1947年发明了晶体管 1960年发明了场效应管,(1-6),2）集成电路发展简介 1960年发明了小规模的集成电路（SSI） 1964年小规模的MOS集成电路 1966年中规模的集成电路（MSI） 1969年大规模的集成电路（LSI） 1975年超大规模的集成电路（VLSI）,(1-7),二、本课程的任务、研究内容 1、掌握各种功能电路的组成原理及其性能特点， 具有集成器件应用的设计能力。

3、 2、掌握电子技术的基本理论、基本知识、基本技能， 为后续课程打好基础。 3、研究内容是电子器件（包括组件）、基本电子电路 及其构成的应用系统。 4、器件 电路 应用系统,(1-8),三、课程的特点与学习方法 电子技术基础是一门技术基础课，应有工程的观点， 采用工程近似的方法简化实际问题。 接近工程实际，认真对待模拟电子技术实验课程， 巩固理论知识，掌握基本实验技能,(1-9),第一章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 三极管,1.4 场效应管,1.5 晶闸管,1.6 集成电路中的元件,(1-10),1 概念 2 半导体分类,1.1 半导体基础知识,(1-1

4、1),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。,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。,(1-12),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。,1.掺杂性,2.热敏性和光敏性,返回,(1-13),一、本征半导体 二、杂质半导体,半导体分类,(1-14),一、本征半导体,1、本征半导体的晶体结构,2、本征半导体中的两

5、种载流子,3、本征半导体中的载流子的浓度,(1-15),1、本征半导体的晶体结构,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。,(1-16),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。,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,(1-17),硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,(1-18),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

6、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。,返回,(1-19),2、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,(1-20),自由电子,空穴,束缚电子,(1-21),2.本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近

7、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。,(1-22),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。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,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。,（在本征半导体中 自由电子和空穴成对出现，同时又不断的复合）,返回,(1-23),二、杂质半导体,1、N型半导体,2、P型半导体,3、PN结 （重点）,在本征半导体中掺

8、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。,(1-24),一、N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，使其取代晶格中硅原子的位置。,返回,(1-25),多余 电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。,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，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）。,(1-26),二、P 型半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,(1-27),三、杂质半导

9、体的符号,返回,(1-28),3、PN结,1、PN结的形成,2、PN结的单向导电性,3、PN结的伏安特性,4、PN结的电容效应,(1-29),总 结,2.N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，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。,3.P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,1. 本征半导体中受激产生的电子很少。,返回,(1-30),PN 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，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,(1-31),P 型半导体,N 型半导体,扩散

10、的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,(1-32),P型半导体,N 型半导体,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。,(1-33),空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,(1-34),1.空间电荷区中没有载流子。,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）。,3.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。,小结,返回,(1-35),(1) 加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电

11、场方向相反。 外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,PN结的单向导电性,(1-36),(2) 加反向电压电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,(1-37),PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性

12、。,返回,(1-38),3、PN结的伏安特性,(1-39),1.2 半导体二极管,1、基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,(1-40),2、 伏安特性,死区电压 (开启电压) 硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,反向击穿电流Is,(1-41),3. 主要参数,1. 最大整流电流 IF,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,3. 反向击穿电压UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UR一般是

13、UBR的一半。,2. 反向工作峰值电压UR,保证二极管不被击穿时的反向峰值电压。,(1-42),4. 反向电流 IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,二极管工作的上限频率，超过此值，由于结电容的作用，不能很好的体现单向导电性。,5. 最高工作频率 f M,(1-43),Uon,4 二极管的等效电路,(1-44),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=0,二极管的应用举

14、例1：二极管半波整流,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。,(1-45),5. 稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样。,(1-46),图 稳压二极管的伏安特性,(a)符号 (b) 伏安特性,(b),(a),(1-47),从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。,(1) 稳定电压UZ ,(2) 动态电阻rZ ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,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

15、的击穿特性愈陡。 rZ =UZ /IZ,(1-48),(4) 最大耗散功率 PZM ,稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。,(3) 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作 电流IZmin ,(1-49),(5)稳定电压温度系数VZ,温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。 当VZ4 V时， VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。 当4 VVZ 7 V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。,(1-5

16、0),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。,(c),稳压二极管工作,(1-51),稳压二极管的应用举例,例 2 在图1.1.13中，已知稳压二极管的UVDZ=6.3V, 当UI=20V，R=1k时，求UO。已知稳压二极管的正向导通压降UF=0.7 V。 ,解当UI=+20V, VDZ1反向击穿稳压，UVDZ1=6.3V，VDZ2正向导通，UF2=0.7V，则UO=+7V；同理，UI= -20V, UO= -7V。,例 1 书p66 1

17、.7 ,(1-52),例 2稳压管的技术参数:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax,方程1,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,(1-53),令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。,方程2,联立方程1、2，可解得：,(1-54),光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,(1-55),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。,返回,(1-56),一、三极管的结构及类型 二、晶体管的电流放大作用 三、晶体管的共射特

18、性放大曲线 四、晶体管的主要参数 五、温度对晶体管特性及参数的影响,1.3 半导体三极管,(1-57),一 基本结构,三极管是由两个PN结、3个杂质半导体区域组成的， 因杂质半导体有P、N型两种，所以三极管的组成形式有NPN型和PNP型两种。,(1-58),基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,(1-59),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,(1-60),发射结,集电结,(1-61),NPN型三极管,PNP型三极管,符号,(1-62),注意，PNP型和NPN型三极管表示符号的区别是发射极的箭头方向不同， 这个箭头方向表示发射结加正向偏置时的电流方向。使用中要

19、注意电源的极性，确保发射结永远加正向偏置电压，三极管才能正常工作。 三极管根据基片的材料不同，分为锗管和硅管两大类， 目前国内生产的硅管多为NPN型（3D系列），锗管多为PNP型（3A系列）； 从频率特性分，可分为高频管和低频管；从功率大小分，可分为大功率管、中功率管和小功率管，等等。 实际应用中采用NPN型三极管较多，所以下面以NPN型三极管为例加以讨论，所得结论对于PNP三极管同样适用。,返回,(1-63),IC,V,UCE,UBE,RB,IB,EC,EB,1、 一个实验,二 晶体管的电流放大作用,B,E,C,mA,(1-64),结论:,1. IE=IC+IB,3.要使晶体管放大,发射结必

20、须正偏,集电结必须反偏。,(1-65),2、电流放大原理,EB,RB,EC,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,(1-66),EB,RB,EC,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,(1-67),IB=IBE-ICBOIBE,IE=IC+IB,(1-68),ICE与IBE之比称为电流放大倍数,返回,(1-69),iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。 iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E 两电

21、极取出。,输入特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const 输出特性曲线 iC=f(vCE) iB=const,本节介绍三极管的特性曲线，即,三 双极型半导体三极管的特性曲线,(1-70),1.输入特性曲线,IB = f (UBE ),UC E = 常数,(1-71),工作压降： 硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。,输入特性曲线,IB = f (UBE ),UC E = 常数,(1-72),2、输出特性特性曲线,IC = g (UCE ) | IB = 常数,(1-73),输出特性曲线,IC(mA ),此区域满足IC=IB称为线性区

22、（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,IC = g (UCE ) | IB = 常数,(1-74),此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,(1-75),此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,(1-76),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：UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V,(3) 截止区： UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0,返回,(1-77),四、主要参

23、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，则交流电流放大倍数为：,1. 电流放大倍数和 ,(1-78),例：UCE=6V时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： =,(1-79),2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,(1-80),B,E,C,N,N,P,ICBO进入N区，形成IBE。,根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。,集电结反偏有ICBO,3. 集-射极反向截止电流ICEO,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,(1-81),4. 集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC 流过三极管， 所发出的功率 为：,PC =ICUCE,