電子技術基礎半導體基礎知識

1、電子技術基礎課件半導體基礎知識第1頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2.1半導體的基礎知識2.1.1本征半導體2.1.2雜質半導體2.1.3PN結第2頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五 本征半導體半導體 本征半導體 純凈的半導體。如硅、鍺單晶體。載流子 自由運動的帶電粒子。共價鍵 相鄰原子共有價電子所形成的束縛。導電能力介于導體和絕緣體之間的物質。元素半導體：硅、鍺化合物半導體：砷化鎵摻雜：硼、磷等第3頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五半導體的重要物理特性是它的電導率，電導率與材料內單位體積中含的電荷載流子的數量有關。第4頁，共

2、83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五硅(鍺)的原子結構簡化模型慣性核硅(鍺)的共價鍵結構價電子自由電子(束縛電子)空穴空穴空穴可在共價鍵內移動第5頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五本征激發(fā)：復 合：自由電子和空穴在運動中相遇重新結合成對消失的過程。漂 移：自由電子和空穴在電場作用下的定向運動。在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。第6頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五兩種載流子電子(自由電子)空穴兩種載流子的運動自由電子(在共價鍵以外)的運動空穴(在共價鍵以內)的運動 結論

3、：1. 本征半導體中電子空穴成對出現，且數量少； 2. 半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電； 3. 本征半導體導電能力弱，并與溫度有關。第7頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2.1.2 雜質半導體一、N 型半導體和 P 型半導體N 型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子為多數載流子空穴為少數載流子載流子數 電子數第8頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2.1.2 雜質半導體一、N 型半導體和 P 型半導體P 型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴 多子電子 少子載流子數 空穴數第9頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五二、

4、雜質半導體的導電作用IIPINI = IP + INN 型半導體 I INP 型半導體 I IP第10頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五三、P 型、N 型半導體的簡化圖示負離子多數載流子少數載流子正離子多數載流子少數載流子PN第11頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2.1.3 PN 結一、PN 結(PN Junction)的形成1. 載流子的濃度差引起多子的擴散2. 復合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡層) 空間電荷區(qū)特點:無載流子，阻止擴散進行，利于少子的漂移。內建電場第12頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五3. 擴散和漂移達到動

5、態(tài)平衡擴散電流 等于漂移電流， 總電流 I = 0。二、PN 結的單向導電性1. 外加正向電壓(正向偏置) forward bias第13頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五P 區(qū)N 區(qū)內電場外電場外電場使多子向 PN 結移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。 IF限流電阻擴散運動加強形成正向電流 IF 。IF = I多子 I少子 I多子2. 外加反向電壓(反向偏置) reverse bias P 區(qū)N 區(qū)內電場外電場外電場使少子背離 PN 結移動， 空間電荷區(qū)變寬。IRPN 結的單向導電性：正偏導通，呈小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運動加強形成反

6、向電流 IRIR = I少子 0第14頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五三、PN 結的伏安特性反向飽和電流溫度的電壓當量電子電量玻爾茲曼常數當 T = 300(27C)：UT = 26 mVOu /VI /mA正向特性反向擊穿加正向電壓時加反向電壓時iIS第15頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2.2半導體二極管1.2.1 半導體二極管的結構和類型1.2.2 二極管的伏安特性1.2.3 二極管的主要參數第16頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2.2.1 半導體二極管的結構和類型構成：PN 結 + 引線 + 管殼 = 二極管(Di

7、ode)符號：A(anode)C(cathode)分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結構分點接觸型面接觸型平面型第17頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五點接觸型正極引線觸絲N 型鍺片外殼負極引線負極引線 面接觸型N型鍺PN 結 正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極引線負極引線集成電路中平面型PNP 型支持襯底第18頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五第19頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2.2.2 二極管的伏安特性一、PN 結的伏安方程反向飽和電流溫度的電壓當量電子電量玻爾茲曼常數當 T = 300(27C)：UT = 26 mV第

8、20頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五二、二極管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V(硅管)(鍺管)U UthiD 急劇上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V硅管 0.7 V(0.1 0.3) V鍺管 0.2 V反向特性ISU (BR)反向擊穿U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A(硅) 幾十 A (鍺)U U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)第21頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因： 齊納擊穿：(Zener)反向電

9、場太強，將電子強行拉出共價鍵。 (擊穿電壓 6 V，正溫度系數)擊穿電壓在 6 V 左右時，溫度系數趨近零。第22頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020 0.02 0.0400.40.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.020第23頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五二極管的電阻根據電阻的定義R=U/I，可見二極管電阻是隨電壓變化的，所以是非線性電阻。0iD / mAuD / V但若把電流控制在某小區(qū)域變化，這時的微變電阻則可看作線性的。第24頁

10、，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五溫度對二極管特性的影響iD / mAT 升高時，UD(on)以 (2 2.5) mV/ C 下降604020 0.0200.42550uD / V20C90C第25頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2.2.3 二極管的主要參數1. IF 最大整流電流(最大正向平均電流)2. URM 最高反向工作電壓，為 U(BR) / 2 3. IR 反向電流(越小單向導電性越好)4. fM 最高工作頻率(超過時單向導電性變差)iDuDU (BR)I FURMO第26頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五影響工作頻率

11、的原因 PN 結的電容效應 結論：1. 低頻時，因結電容很小，對 PN 結影響很小。 高頻時，因容抗減小，使結電容分流，導致單向 導電性變差。2. 結面積小時結電容小，工作頻率高。第27頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2.3二極管電路的 分析方法1.3.1 理想二極管及二極管 特性的折線近似1.3.2 圖解法和微變等效電路法第28頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2.3.1 理想二極管及二極管特性的折線近似一、理想二極管特性uDiD符號及等效模型SS正偏導通，uD = 0；反偏截止， iD = 0 U(BR) = 第29頁，共83頁，2022年，5

12、月20日，4點20分，星期五二、二極管的恒壓降模型uDiDUD(on)uD = UD(on)0.7 V (Si)0.2 V (Ge)第30頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五三、二極管的折線近似模型uDiDUD(on)UI斜率1/ rDrD1UD(on)第31頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五UD(on) 硅二極管，R = 2 k，分別用二極管理想模型和恒壓降模型求出 VDD = 2 V 和 VDD = 10 V 時 IO 和 UO 的值。第32頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五解VDD = 2 V 理想IO = VDD / R

13、= 2 / 2 = 1 (mA)UO = VDD = 2 V恒壓降UO = VDD UD(on) = 2 0.7 = 1.3 (V)IO = UO / R = 1.3 / 2 = 0.65 (mA)VDD = 10 V 理想IO = VDD/ R = 10 / 2 = 5 (mA)恒壓降UO = 10 0.7 = 9.3 (V)IO = 9.3 / 2 = 4.65 (mA)VDD 大， 采用理想模型VDD 小， 采用恒壓降模型第33頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五 試求電路中電流 I1、I2、IO 和輸出電壓 UO 的值。解：假設二極管斷開UP = 15 VUP UN

14、二極管導通等效為 0.7 V 的恒壓源 PN第34頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五UO = VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V)IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA)I2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA)I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)第35頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五例 2.3.3 二極管構成“門”電路，設 V1、V2 均為理想二極管，當輸入電壓 UA、UB 為低電壓 0 V 和高電壓 5 V 的不同

15、組合時，求輸出電壓 UO 的值。0 V正偏導通5 V正偏導通0 V第36頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五輸入電壓理想二極管輸出電壓UAUBV1V20 V0 V正偏導通正偏導通0 V0 V5 V正偏導通反偏截止0 V5 V0 V反偏截止正偏導通0 V5 V5 V正偏導通正偏導通5 V第37頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五 ui = 2 sin t (V)，分析二極管的限幅作用。ui 較小，宜采用恒壓降模型ui 0.7 VV1、V2 均截止uO = uiuO = 0.7 Vui 0.7 VV2 導通 V截止ui 0.7 VV1 導通 V2 截止uO

16、= 0.7 V第38頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五思考題: V1、V2 支路各串聯恒壓源，輸出波形如何？(可切至 EWB )OtuO/ V0.7Otui / V2 0.7第39頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五uiudRidrd三、小信號電路分析法對于交流信號電路可等效為 ui = 5sint (mV)，VDD= 4 V，R = 1 k， 求 iD 和 uD。解 1. 靜態(tài)分析令 ui = 0，取 UQ 0.7 VIQ = (VDDUQ) / R = 3.3 mA第40頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2. 動態(tài)分析rd =

17、 26 / IQ = 26 / 3.3 8 ()Idm= Udm/ rd= 5 /8 0.625 (mA)id = 0.625 sint3. 總電壓、電流= (0.7 + 0.005 sint ) V= (3.3 + 0.625 sint ) mA第41頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2.4特殊二極管2.4.1 穩(wěn)壓二極管2.4.2 光電二極管第42頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2.4.1 穩(wěn)壓二極管一、伏安特性符號工作條件：反向擊穿iZ /mAuZ/VOUZ IZmin IZmaxUZIZ IZ特性第43頁，共83頁，2022年，5月20日，

18、4點20分，星期五二、主要參數1. 穩(wěn)定電壓 UZ 流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管 兩端的反向電壓值。2. 穩(wěn)定電流 IZ 越大穩(wěn)壓效果越好， 小于 Imin 時不穩(wěn)壓。3. 最大工作電流 IZM 最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4. 動態(tài)電阻 rZrZ = UZ / IZ 越小穩(wěn)壓效果越好。幾 幾十 第44頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五5. 穩(wěn)定電壓溫度系數 CTV一般，UZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0 (為雪崩擊穿)具有正溫度系數；4 V UZ 7 V，CTV 很小。第45頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五 分析簡單穩(wěn)壓電路的工作

19、原理， R 為限流電阻。IR = IZ + ILUO= UI IR RUIUORRLILIRIZ第46頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2.4.2 發(fā)光二極管與光敏二極管一、發(fā)光二極管 LED (Light Emitting Diode)1. 符號和特性工作條件：正向偏置一般工作電流幾十 mA， 導通電壓 (1 2) V符號u /Vi /mAO2特性第47頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2. 主要參數電學參數：I FM ，U(BR) ，IR光學參數：峰值波長 P，亮度 L，光通量 發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠顯示類型： 普通 LED ，不可見光：紅

20、外光點陣 LED七段 LED ,第48頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五第49頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五二、光敏二極管1符號和特性符號特性uiO暗電流E = 200 lxE = 400 lx工作條件：反向偏置2. 主要參數電學參數：暗電流，光電流，最高工作范圍光學參數：光譜范圍，靈敏度，峰值波長實物照片第50頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2.5雙極型半導體三極管2.5.1 晶體三極管2.5.2 晶體三極管的特性曲線2.5.3 晶體三極管的主要參數第51頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五(Semi

21、conductor Transistor)2.5.1 晶體三極管一、結構、符號和分類NNP發(fā)射極 E基極 B集電極 C發(fā)射結集電結 基區(qū) 發(fā)射區(qū) 集電區(qū)emitterbasecollectorNPN 型PPNEBCPNP 型ECBECB第52頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五分類：按材料分： 硅管、鍺管按功率分： 小功率管 1 W中功率管 0.5 1 W第53頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五1. 三極管內部載流子的傳輸過程1) 發(fā)射結BE正偏，發(fā)射區(qū)多子電子向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流 IE。I CNIEI BN基區(qū)空穴來源基極電源提供(IB)集電區(qū)

22、少子漂移(ICBO)I CBOIBIBN IB + ICBO即：IB = IBN ICBO 2)電子到達基區(qū)后多數向 BC 結方向擴散被集電結內強電場吸引，使其快速漂移過集電結，形成 ICN。少數與空穴復合，形成 IBN 。二、電流放大原理第54頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五I CNIEI BNI CBOIB 3) 集電區(qū)收集漂移過來的載流子形成集電極電流 ICICI C = ICN + ICBO 第55頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2. 三極管的電流分配關系當管子制成后，發(fā)射區(qū)載流子濃度、基區(qū)寬度、集電結面積等確定，故電流的比例關系確定，即

23、：IB = I BN ICBO IC = ICN + ICBO穿透電流第56頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五IE = IC + IB通常穿透電流都很小第57頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五3. 三極管放大的條件內部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結面積大外部條件發(fā)射結正偏集電結反偏4. 滿足放大條件的三種電路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共發(fā)射極共集電極共基極第58頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五實現電路:第59頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2.5.2 晶體三極管的特性曲線一

24、、輸入特性輸入回路輸出回路與二極管特性相似第60頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五O特性基本重合(電流分配關系確定)特性右移(因集電結開始吸引電子)導通電壓 UBE(on)硅管： (0.6 0.8) V鍺管： (0.2 0.3) V取 0.7 V取 0.2 V第61頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五二、輸出特性iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321截止區(qū)： IB 0 IC = ICEO 0條件：兩個結反偏截止區(qū)ICEO第62頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五iC

25、 / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 43212. 放大區(qū)：放大區(qū)截止區(qū)條件： 發(fā)射結正偏 集電結反偏特點： 水平、等間隔ICEO第63頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 43213. 飽和區(qū)：uCE u BEuCB = uCE u BE 0條件：兩個結正偏特點：IC IB臨界飽和時： uCE = uBE深度飽和時：0.3 V (硅管)UCE(SAT)=0.1 V (鍺管)放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)ICEO第64頁，共83頁，20

26、22年，5月20日，4點20分，星期五三、溫度對特性曲線的影響1. 溫度升高，輸入特性曲線向左移。溫度每升高 1C，UBE (2 2.5) mV。溫度每升高 10C，ICBO 約增大 1 倍。OT2 T1第65頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2. 溫度升高，輸出特性曲線向上移。iCuCE T1iB = 0T2 iB = 0iB = 0溫度每升高 1C， (0.5 1)%。輸出特性曲線間距增大。O第66頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五2.5.3 晶體三極管的主要參數一、電流放大系數1. 共發(fā)射極電流放大系數iC / mAuCE /V50 A40 A

27、30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321 直流電流放大系數 交流電流放大系數一般為幾十 幾百Q第67頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 43212. 共基極電流放大系數 1 一般在 0.98 以上。 Q二、極間反向飽和電流CB 極間反向飽和電流 ICBO，CE 極間反向飽和電流 ICEO。第68頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五三、極限參數1. ICM 集電極最大允許電流，超過時 值明顯降低。2. PCM 集電極最大允許功率損耗PC

28、 = iC uCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全 工 作 區(qū)第69頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五U(BR)CBO 發(fā)射極開路時 C、B 極間反向擊穿電壓。3. U(BR)CEO 基極開路時 C、E 極間反向擊穿電壓。U(BR)EBO 集電極極開路時 E、B 極間反向擊穿電壓。U(BR)CBO U(BR)CEO U(BR)EBO第70頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五小 結第 2 章第71頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五一、兩種半導體和兩種載流子兩種載流子的運動電子 自由電子空穴 價電子兩 種半導體N

29、 型 (多電子)P 型 (多空穴)二、二極管1. 特性 單向導電正向電阻小(理想為 0)，反向電阻大()。第72頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五iDO uDU (BR)I FURM2. 主要參數正向 最大平均電流 IF反向 最大反向工作電壓 U(BR)(超過則擊穿)反向飽和電流 IR (IS)(受溫度影響)IS第73頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五3. 二極管的等效模型理想模型 (大信號狀態(tài)采用)uDiD正偏導通 電壓降為零 相當于理想開關閉合反偏截止 電流為零 相當于理想開關斷開恒壓降模型UD(on)正偏電壓 UD(on) 時導通 等效為恒壓源UD(on)否則截止，相當于二極管支路斷開UD(on) = (0.6 0.8) V估算時取 0.7 V硅管：鍺管：(0.1 0.3) V0.2 V折線近似模型相當于有內阻的恒壓源 UD(on)第74頁，共83頁，2022年，5月20日，4點20分，星期五4. 二極管的分析方法模型法微變等效電路法5. 特殊二極管工作條件主要用途穩(wěn)壓二極管反 偏穩(wěn) 壓發(fā)光二極管正 偏發(fā) 光光敏二極管反 偏光電轉換第75頁，共83頁，2022年，5月20日，