-半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

1、第一章 半導(dǎo)體二極管和三極管第一章 半導(dǎo)體二極管和三極管1.1 1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.2 1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管1.3 1.3 晶體三極管晶體三極管1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、三、PNPN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦越Y(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运?、四、PNPN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)一、本征半導(dǎo)體 導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1 1、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？

2、 導(dǎo)體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外層電導(dǎo)體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外層電子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。 絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。電。 半導(dǎo)體硅（半導(dǎo)體硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge），均為四價(jià)元素，它們?cè)?，均為四價(jià)元素，它們?cè)拥淖钔鈱与娮邮茉雍说氖`力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。無(wú)雜質(zhì)無(wú)雜

3、質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱為空穴留有一個(gè)空位置，稱為空穴 自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱為復(fù)合。自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱為復(fù)合。共價(jià)鍵共價(jià)鍵 一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；溫度升高，一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對(duì)熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對(duì)的濃度加大。的濃度加大。動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡兩種載

4、流子兩種載流子 外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動(dòng)方向相反。由于載流子數(shù)且運(yùn)動(dòng)方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。目很少，故導(dǎo)電性很差。為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。 溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。 熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度0K時(shí)不導(dǎo)電。時(shí)不導(dǎo)電。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體 1. N N型半導(dǎo)體5磷（磷（P） 雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)

5、電。摻入雜質(zhì)越多，多子子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子多數(shù)載流子 空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多了？少了？為什么？了？少了？為什么？2. 2. P型半導(dǎo)體3硼（硼（B）多數(shù)載流子多數(shù)載流子 P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，導(dǎo)電性越強(qiáng)， 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時(shí)，在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時(shí)，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化

6、相同嗎？子濃度的變化相同嗎？三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。氣物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。氣體、液體、固體均有之。體、液體、固體均有之。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)P區(qū)空穴區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高濃度遠(yuǎn)高于于N區(qū)。區(qū)。N區(qū)自由電區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高子濃度遠(yuǎn)高于于P區(qū)。區(qū)。 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使靠近接觸面擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)。區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)。PN 結(jié)的形成 因電場(chǎng)作用所產(chǎn)因電場(chǎng)作用所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為漂移生的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。 參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，達(dá)到

7、動(dòng)態(tài)參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成了平衡，就形成了PN結(jié)。結(jié)。漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng) 由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使P區(qū)與區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場(chǎng)，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。內(nèi)電場(chǎng)使空穴從內(nèi)電場(chǎng)，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。內(nèi)電場(chǎng)使空穴從N區(qū)向區(qū)向P區(qū)、自由電子從區(qū)、自由電子從P區(qū)向區(qū)向N 區(qū)運(yùn)動(dòng)。區(qū)運(yùn)動(dòng)。PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：結(jié)加正向電壓導(dǎo)通： 耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，由于外電源的作用，形劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，成擴(kuò)散電流，PNPN結(jié)處于導(dǎo)通結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓截止：結(jié)加反向

8、電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電有利于漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。認(rèn)為其截止。PN 結(jié)的單向?qū)щ娦员匾獑?？必要嗎？四、PN 結(jié)的電容效應(yīng)1. 勢(shì)壘電容 PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過(guò)程，與電容的充放電相化，有電荷的積累和釋放的過(guò)程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢(shì)壘電容同，其等效電容稱為勢(shì)壘電容Cb。2. 擴(kuò)散電容 PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)散路程中載流子結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)散路程

9、中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過(guò)程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容過(guò)程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。dbjCCC結(jié)電容：結(jié)電容： 結(jié)電容不是常量！若結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦裕t失去單向?qū)щ娦?！?wèn)題 為什么將自然界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制為什么將自然界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能極差，又將其摻雜，成本征半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能極差，又將其摻雜，改善導(dǎo)電性能？改善導(dǎo)電性能？ 為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還

10、是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？ 為什么半導(dǎo)體器件有最高工作頻率？為什么半導(dǎo)體器件有最高工作頻率？2 半導(dǎo)體二極管一、二極管的組成一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程二、二極管的伏安特性及電流方程三、二極管的等效電路三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)四、二極管的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓二極管五、穩(wěn)壓二極管 一、二極管的組成將將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。小功率小功率二極管二極管大功率大功率二極管二極管穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管二極管發(fā)光發(fā)光二極管二極管 一、二極管的組成點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)

11、電容小，故結(jié)允許結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作的電流小，最高工作頻率高。頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作的電流大，最高工作頻率低。頻率低。平面型：結(jié)面積可小、平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電高，大的結(jié)允許的電流大。流大。 二、二極管的伏安特性及電流方程材料材料開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下鍺鍺Ge0.1V0.10.3V幾十A)(ufi 開(kāi)啟開(kāi)啟電壓電壓反向飽反向飽和電流和電流擊穿擊穿電壓電壓mV)26( ) 1e

12、(TSTUIiUu常溫下溫度的溫度的電壓當(dāng)量電壓當(dāng)量二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。從二極管的伏安特性可以反映出：從二極管的伏安特性可以反映出： 1. 單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦訲eSTUuIiUu，則若正向電壓) 1e (TSUuIi2. 伏安特性受溫度影響伏安特性受溫度影響T（）在電流不變情況下管壓降在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移正向特性為正向特性為指數(shù)曲線指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線反向特性為橫軸的平行線增大增大1倍倍/10STIiUu，則若反向

13、電壓三、二極管的等效電路理想理想二極管二極管近似分析近似分析中最常用中最常用理想開(kāi)關(guān)理想開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí) UD0截止時(shí)截止時(shí)IS0導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)UDUon截止時(shí)截止時(shí)IS0導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)i與與u成線性關(guān)系成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！1. 將伏安特性折線化？100V？5V？1V？2. 微變等效電路DTDDdIUiur根據(jù)電流方程，Q越高，越高，rd越小。越小。 當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)，則可將二極當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)，則可將二極管等效為一個(gè)電阻，稱為動(dòng)態(tài)電阻，也就是微變等效電路。管等效為一個(gè)電阻，稱為動(dòng)態(tài)電阻，也就是微

14、變等效電路。ui=0時(shí)直流電源作用時(shí)直流電源作用小信號(hào)作用小信號(hào)作用靜態(tài)電流靜態(tài)電流四、二極管的主要參數(shù) 最大整流電流最大整流電流IF：最大平均值：最大平均值 最大反向工作電壓最大反向工作電壓UR：最大瞬時(shí)值：最大瞬時(shí)值 反向電流反向電流 IR：即：即IS 最高工作頻率最高工作頻率fM：因：因PN結(jié)有電容效應(yīng)結(jié)有電容效應(yīng)第四版第四版P20討論：解決兩個(gè)問(wèn)題解決兩個(gè)問(wèn)題 如何判斷二極管的工作狀態(tài)？如何判斷二極管的工作狀態(tài)？ 什么情況下應(yīng)選用二極管的什么等效電路？什么情況下應(yīng)選用二極管的什么等效電路？uD=ViRQIDUDRuViDDV與與uD可比，則需圖解：可比，則需圖解：實(shí)測(cè)特性實(shí)測(cè)特性 對(duì)對(duì)

15、V和和Ui二極管二極管的模的模型有什么不同？型有什么不同？五、穩(wěn)壓二極管1. 伏安特性進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流不至于損壞的最大電流 由一個(gè)由一個(gè)PN結(jié)組結(jié)組成，反向擊穿后成，反向擊穿后在一定的電流范在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電不變，為穩(wěn)定電壓。壓。2. 主要參數(shù)穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流、穩(wěn)定電流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻rzUZ /IZ 若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會(huì)若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會(huì)因功耗過(guò)大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電因功耗過(guò)

16、大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！流的限流電阻！限流電阻限流電阻斜率？斜率？作業(yè)：作業(yè)： 1-3、1-5、1-61.3 1.3 晶體三極管一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)二、晶體管的放大原理二、晶體管的放大原理三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性四、溫度對(duì)晶體管特性的影響四、溫度對(duì)晶體管特性的影響五、主要參數(shù)五、主要參數(shù)一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)多子濃度高多子濃度高多子濃度很多子濃度很低，且很薄低，且很薄面積大面積大晶體管有三個(gè)極、三個(gè)區(qū)、兩個(gè)晶體管有三個(gè)極、三個(gè)區(qū)、兩個(gè)PN結(jié)。結(jié)。小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管

17、為什么有孔？為什么有孔？二、晶體管的放大原理（集電結(jié)反偏），即（發(fā)射結(jié)正偏）放大的條件BECECBonBE0uuuUu 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成基極電，復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成基極電流流IB，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流IC。少數(shù)載流少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)電子從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴(kuò)散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合數(shù)擴(kuò)散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合因集電區(qū)面積大，在外電場(chǎng)作用下大因集電區(qū)面積大，在外電場(chǎng)作用下大部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電

18、區(qū)部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴基區(qū)空穴的擴(kuò)散的擴(kuò)散 電流分配：電流分配： I IE EI IB BI IC C I IE E擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流 I IB B復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的電流復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的電流 I IC C漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流CBOCEOBCBC)(1 IIiiII穿透電流穿透電流集電結(jié)反向電流集電結(jié)反向電流直流電流直流電流放大系數(shù)放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性CE)(BEBUufi 為什么為什么UCE增大曲線右移？增大曲線右移？ 對(duì)于小功率晶體管，對(duì)于小功率晶體管，UCE大于大于1V的一條輸入特性曲線的一條輸入特性曲線可以取代可以取代UCE大于大于1V的所有輸入特性曲線。的所有輸入特性曲線。為什么像為什么像PN結(jié)的伏安特性？結(jié)的伏安特性？為什么為什么UCE增大到一定值曲線增大到一定值曲線右移就不明顯了？右移就不明顯了？1. 輸入特性2. 輸出特性B)(CECIufi 是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下 ?對(duì)應(yīng)于一