模電-課件1-半導體基礎知識

第一章半導體二極管和三極管關鍵詞：“管為路用”

在這一章將著重闡述一些基本概念。對于半導體器件，必須本著“管為路用”的原則，重點闡述器件的外部特性，以便我們在研究電路工作原理時能正確使用和合理選擇這些器件。

“管”→→→即：二極管、晶體管等半導體器件“路”→→→即：電路第一章半導體二極管和三極管§1.1半導體基礎知識§1.2半導體二極管§1.3晶體三極管§1半導體基礎知識一、本征半導體二、雜質半導體三、PN結的形成及其單向導電性四、PN結的電容效應一、本征半導體

導電性介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。本征半導體是純凈的晶體結構的半導體。1、什么是半導體？什么是本征半導體？

導體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，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，只有在外電場強到一定程度時才可能導電。

半導體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。無雜質穩(wěn)定的結構2、本征半導體的結構由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴

自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。共價鍵

一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。動態(tài)平衡兩種載流子

外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導電，且運動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導電性很差。為什么要將半導體變成導電性很差的本征半導體？3、本征半導體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子。

溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導電性增強。熱力學溫度0K時不導電。二、雜質半導體

1.N型半導體磷（P）

雜質半導體主要靠多數(shù)載流子導電。摻入雜質越多，多子濃度越高，導電性越強，實現(xiàn)導電性可控。多數(shù)載流子

空穴比未加雜質時的數(shù)目多了？少了？為什么？2.P型半導體硼（B）多數(shù)載流子P型半導體主要靠空穴導電，摻入雜質越多，空穴濃度越高，導電性越強，

在雜質半導體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？三、PN結的形成及其單向導電性

物質因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。擴散運動P區(qū)空穴濃度遠高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠高于P區(qū)。

擴散運動使靠近接觸面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。PN結的形成

因電場作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。

參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了PN結。漂移運動

由于擴散運動使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，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動。PN結加正向電壓導通：耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形成擴散電流，PN結處于導通狀態(tài)。PN結加反向電壓截止：耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認為其截止。PN結的單向導電性必要嗎？四、PN結的電容效應1.勢壘電容

PN結外加電壓變化時，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，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2.擴散電容

PN結外加的正向電壓變化時，在擴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，其等效電容稱為擴散電容Cd。結電容：

結電容不是常量！若PN結外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向導電性！問題為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制成本征半導體，導電性能極差，又將其摻雜，改善導電性能？為什么半導體器件的溫度穩(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？為什么半導體器件有最高工作頻率？§2半導體二極管一、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結封裝，引出兩個電極，就構成了二極管。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、二極管的組成點接觸型：結面積小，結電容小，故結允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結面積大，結電容大，故結允許的電流大，最高工作頻率低。平面型：結面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結允許的電流大。半導體二極管的型號(補充)國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。

二、二極管的伏安特性及電流方程材料開啟電壓導通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓溫度的電壓當量二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。從二極管的伏安特性可以反映出：

1.單向導電性2.

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、二極管的等效電路理想二極管近似分析中最常用理想開關導通時UD＝0截止時IS＝0導通時UD＝Uon截止時IS＝0導通時△i與△u成線性關系應根據(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。

當二極管在靜態(tài)基礎上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用小信號作用靜態(tài)電流四、二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF：最大平均值最大反向工作電壓UR：最大瞬時值反向電流IR：即IS最高工作頻率fM：因PN結有電容效應第四版——P20討論：解決兩個問題如何判斷二極管的工作狀態(tài)？什么情況下應選用二極管的什么等效電路？uD=V－iRQIDUDV與uD可比，則需圖解：實測特性

對V和Ui二極管的模型有什么不同？五、穩(wěn)壓二極管1.伏安特性進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流

由一個PN結組成，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＝IZMUZ動態(tài)電阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ

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？P67四.已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ＝6V，穩(wěn)定電流的最小值IZmin＝5mA。求電路中UO1和UO2各為多少伏。

解：UR＝2V，URL＝8V>6V。所以穩(wěn)壓管起穩(wěn)壓作用，UO1＝6VUR＝5V，URL＝5V<6V。所以穩(wěn)壓管工作在截止狀態(tài)，UO2＝5V。作業(yè)：1.31.41.61.91.10§1.3晶體三極管一、晶體管的結構和符號二、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、溫度對晶體管特性的影響五、主要參數(shù)

一、晶體管的結構和符號多子濃度高多子濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個PN結。小功率管中功率管大功率管為什么有孔？

符號規(guī)定UA大寫字母、大寫下標，表示直流分量。uA小寫字母、大寫下標，表示全量。ua小寫字母、小寫下標，表示交流分量。uAua全量交流分量tUA直流分量二、晶體管的放大原理

擴散運動形成發(fā)射極電流IE，復合運動形成基極電流IB，漂移運動形成集電極電流IC。少數(shù)載流子的運動因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴散到基區(qū)的電子與空穴復合因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大部分擴散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴散BJT內(nèi)部載流子的傳輸過程

三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程發(fā)射結加正偏電壓集電結加反偏電壓(1)發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入載流子(2)載流子在基區(qū)擴散與復合(3)集電區(qū)收集載流子ICN電流分配：

IE＝IB＋IC

IE－擴散運動形成的電流

IB－復合運動形成的電流

IC－漂移運動形成的電流穿透電流集電結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有穿透電流？

綜上所述，三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達集電極而實現(xiàn)的。實現(xiàn)這一傳輸過程的兩個條件是：（1）內(nèi)部條件： 發(fā)射區(qū)雜質濃度遠大于基區(qū)雜質濃度，且基區(qū)很薄。（2）外部條件： 發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置。IC=IB+(1+)ICBOIC=IB+ICEO（穿透電流）IC

IB

IE=IC+IB

(1+)IB

放大狀態(tài)下BJT的工作原理三、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β是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下?對應于一個IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。

為什么uCE較小時iC隨uCE變化很大？為什么進入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)晶體管的三個工作區(qū)域

晶體管工作在放大狀態(tài)時，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≥UonβiB≥uBE飽和≥Uon＜βiB≤uBE四、溫度對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，PCM＝iCuCE安全工作區(qū)

交流參數(shù)：β、α、fT（使β＝1的信號頻率）

極限參數(shù)：ICM、PCM、U（BR）CEO2023/1/24補充：晶體三極管的型號國家標準對半導體