半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)解析課件

1、第一章 半導(dǎo)體二極管和三極管1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（了解）1.2 半導(dǎo)體二極管（重點(diǎn)）1.3 晶體三極管（重點(diǎn)、難點(diǎn)）1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运?、PN結(jié)的電容效應(yīng)一、本征半導(dǎo)體intrinsic semiconductor 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。1、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？ 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。 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)電。 半導(dǎo)體硅

2、（Si）、鍺（Ge），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。無雜質(zhì)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)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱為空穴 自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱為復(fù)合。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，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。動(dòng)態(tài)平衡兩種載流子 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，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。為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？(白紙)3、本征半導(dǎo)體中的兩種載

3、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，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。 熱力學(xué)溫度0K時(shí)不導(dǎo)電。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體doping semiconductor 1. N型半導(dǎo)體( Negative type )磷（P） 雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(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)導(dǎo)電性可控。 帶負(fù)電？多數(shù)載流子 空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多了？少了？為什么？2. P型半導(dǎo)體( positive type ) 硼（B）多數(shù)載流子 P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，導(dǎo)電性越強(qiáng)， 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？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多

4、子濃度的變化相同嗎？誰對(duì)溫度更敏感？三、PN結(jié)（PN junction） 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。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。 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N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)生的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(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)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運(yùn)動(dòng) 由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使P區(qū)與N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N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N 區(qū)運(yùn)動(dòng)。PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通： 耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

5、加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。PN 結(jié)的單向?qū)щ娦员匾獑?？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)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，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)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。結(jié)電容： 結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！問題為什么將自然界

6、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，改善導(dǎo)電性能？（可控）為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？（漂移）為什么半導(dǎo)體器件有最高工作頻率？（電容）2 半導(dǎo)體二極管Diode一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓二極管 一、二極管的組成將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管 一、二極管的組成點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。平面型：結(jié)面

7、積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。 二、二極管的伏安特性(volt ampere characteristic)材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.50.8V1A以下鍺Ge0.1V0.10.3V幾十A開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓溫度的電壓當(dāng)量二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。從二極管的伏安特性可以反映出： 1. 單向?qū)щ娦?. 伏安特性受溫度影響T（）在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線增大1倍/10三、二極管的等效電路(“近似”)理想二極管近似分析中最常用理想開關(guān)

8、導(dǎo)通時(shí) UD0截止時(shí)IS0導(dǎo)通時(shí)UDUon截止時(shí)IS0垂直橫軸：內(nèi)阻為？導(dǎo)通時(shí)i與u成線性關(guān)系應(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Q越高，rd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。ui=0時(shí)直流電源作用小信號(hào)作用靜態(tài)電流四、二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF：最大正向平均電流最大反向工作電壓UR：U(BR)的一半反向電流 IR：即IS，溫度敏感？最高工作頻率fM：因PN結(jié)有電容效應(yīng)第四版P20討論：解決兩個(gè)問題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

9、等效電路？uD=ViRQIDUDV與uD可比，則需圖解：實(shí)測(cè)特性 對(duì)V和Ui二極管的模型有什么不同？五、穩(wěn)壓二極管( Zener diode)1. 伏安特性進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流 由一個(gè)PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。2. 主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流IZ最大功耗PZM IZM UZ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)因功耗過大而損壞，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！限流電阻斜率？穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 穩(wěn)定電壓UZ：規(guī)定電流下穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓. 分散性：同一型號(hào)， UZ不一定相同 穩(wěn)

10、定電流IZ (IZmin)：穩(wěn)壓管工作于擊穿區(qū)的最小工作電流，電流低于IZmin會(huì)失去穩(wěn)壓作用 額定功耗PZM ：管子功耗超過會(huì)熱擊穿 最大穩(wěn)定電流IZmax： IZmax = PZM / UZ 動(dòng)態(tài)電阻rZ = UZ / IZ：動(dòng)態(tài)電阻越小, 電流變化時(shí)UZ變化越小：穩(wěn)壓性能越好 溫度系數(shù) = UZ / T ：反映穩(wěn)定電壓UZ受溫度影響的參數(shù)（了解）穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路（P25例題）返回發(fā)光二極管Light Emitting Diode開啟電壓大：1.6-2V返回光電二極管Photo Diode（光照強(qiáng)度改變其反向電流）返回1.3 晶體三極管雙極型晶體管 BJT Bipolar Junction

11、Transistor又稱三極管 triode一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)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四、溫度對(duì)晶體管特性的影響五、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很低，且很薄面積大晶體管有三個(gè)極、三個(gè)區(qū)、兩個(gè)PN結(jié)。小功率管中功率管大功率管為什么有孔？emitterbasecollector二、晶體管的放大原理 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成基極電流IB，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流IC。少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)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)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

12、電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴(kuò)散電流分配： IEIBIC IE擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流 IB復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的電流 IC漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流穿透電流集電結(jié)反向電流直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)為什么基極開路集電極回路會(huì)有穿透電流？三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性為什么UCE增大曲線右移？ 對(duì)于小功率晶體管，UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以取代UCE大于1V的所有輸入特性曲線。為什么像PN結(jié)的伏安特性？為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了？1. 輸入特性2. 輸出特性是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下 ?對(duì)應(yīng)于一個(gè)IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。 為什么uCE較小時(shí)iC隨uCE變化很大？

13、為什么進(jìn)入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)晶體管的三個(gè)工作區(qū)域 晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，輸出回路的電流 iC幾乎僅僅決定于輸入回路的電流 iB，即可將輸出回路等效為電流 iB 控制的電流源iC 。狀態(tài)uBEiCuCE截止UonICEOVCC放大 UoniB uBE飽和 UoniB uBEIB1ABC四、溫度對(duì)晶體管特性的影響五、主要參數(shù) 直流參數(shù)： 、 、ICBO、 ICEOc-e間擊穿電壓最大集電極電流最大集電極耗散功率，PCMiCuCE安全工作區(qū) 交流參數(shù)：、fT（使1的信號(hào)頻率） 極限參數(shù)：ICM、PCM、U（BR）CEO討論一由圖示特性求出PCM、ICM、U （BR）

14、CEO 、。2.7uCE=1V時(shí)的iC就是ICMU（BR）CEO光電三極管的等效電路、符號(hào)和外形返回作業(yè):1.2 1.3 1.6 1.8 1.9 1.10 1.12何時(shí)交作業(yè):每章講完后的下一周的第一次課每次作業(yè)每位同學(xué)都應(yīng)及時(shí)上交學(xué)委應(yīng)配合老師了解同學(xué)們學(xué)習(xí)情況附錄： 三極管的判別及手冊(cè)的查閱方法 要準(zhǔn)確地了解一只三極管類型、 性能與參數(shù), 可用專門的測(cè)量儀器進(jìn)行測(cè)試, 但一般粗略判別三極管的類型和管腳, 可直接通過三極管的型號(hào)簡(jiǎn)單判斷, 也可利用萬用表測(cè)量方法判斷.下面具體介紹其型號(hào)的意義及利用萬用表的簡(jiǎn)單測(cè)量方法。 1三極管型號(hào)的意義 三極管的型號(hào)一般由五大部分組成,如3AX31A、3D

15、G12B、3CG14G等。下面以3DG110B為例說明各部分的命名含義。 (1)第一部分由數(shù)字組成，表示電極數(shù)?！?”代表三極管。 (2)第二部分由字母組成，表示三極管的材料與類型。如A表示PNP型鍺管，B表示NPN型鍺管，C表示PNP型硅管，D表示NPN型硅管。 (3)第三部分由字母組成，表示管子的類型，即表明管子的功能 。 (4)第四部分由數(shù)字組成,表示三極管的序號(hào)。 (5) 第五部分由字母組成,表示三極管的規(guī)格號(hào)。 2三極管手冊(cè)的查閱方法 1）三極管手冊(cè)的基本內(nèi)容 (1)三極管的型號(hào); (2)電參數(shù)符號(hào)說明; (3)主要用途; (4)主要參數(shù)。 2）三極管手冊(cè)的查閱方法 （1）已知三極管

16、的型號(hào)查閱其性能參數(shù)和使用范圍。 （2）根據(jù)使用要求選擇三極管。 3判別三極管的管型和管腳 (1）根據(jù)三極管外殼上的型號(hào),初判其類型。 (2）根據(jù)三極管的外形特點(diǎn),初判其管腳 (3）用萬用表判別三極管的管腳及管型。 基極的判別。 圖1 典型三極管的管腳排列圖 圖2 三極管基極的測(cè)試 集電極和發(fā)射極的判別。 具體測(cè)試方法如圖3所示,圖（a）、（b）為PNP管的測(cè)試圖,圖（c）為NPN管的測(cè)試圖。 根據(jù)硅管的發(fā)射結(jié)正向壓降大于鍺管的正向壓降的特點(diǎn),來判斷其材料。一般常溫下,鍺管正向壓降為0.20.3V,硅管的正向壓降為0.60.7V。根據(jù)圖4電路進(jìn)行測(cè)量,由電壓表的讀數(shù)大小確定是硅管還是鍺管。圖3 三極管集電極、發(fā)射極的判別 圖4 判斷硅管和鍺管的電路 4 三極管的質(zhì)量粗判及代換方法 1） 判別三極管的質(zhì)量好壞 2） 三極管的代換方法 通過上述方法的判斷, 如果發(fā)現(xiàn)電路中的三