模電第一部分 半導體器件基礎

第一部分半導體器件基礎一、半導體基礎知識二、晶體二極管三、晶體三極管

第一講半導體基礎知識一、半導體的特性

半導體的導電性能隨著溫度的變化而發(fā)生顯著的變化。

半導體的導電性能隨著光照強度的變化而發(fā)生顯著的變化。

半導體的導電性能隨著微量雜質(zhì)的摻入而發(fā)生顯著的變化。1、熱敏性：2、光敏性：3、摻雜性：二、本征半導體的導電特性

非常純凈的半導體稱為本征半導體。常用的有硅、鍺、硒、砷化鎵及一些硫化物和氧化物。用得最多的就是硅和鍺。1、本征半導體的晶體結構+4+4+4●●+4+4+4+4+4+4●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●+4慣性核價電子

硅和鍺原子結構簡化模型及共價鍵結構示意圖+4+4+4●●+4+4+4+4+4+4●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

共價鍵中的價電子被束縛在兩原子之間，不給予額外的能量是不能自由移動的。在絕對零度和無外界激發(fā)時，本征半導體中沒有可移動的帶電粒子，相當于絕緣體。２、本征激發(fā)

在室溫或光照條件下，本征半導體中產(chǎn)生自由電子——空穴對的過程。+4+4+4●●+4+4+4+4+4+4●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子自由電子移走后留下的空穴

ａ、自由電子與空穴同生同滅，數(shù)量相等。

ｂ、自由電子和空穴都是載流子。

ｃ、載流子的濃度與溫度成指數(shù)關系。本征激發(fā)的特征：三、雜質(zhì)半導體的導電特性

在本征半導體中摻入微量雜質(zhì)后所形成的半導體稱為雜質(zhì)半導體。根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同可分為N型半導體和P型半導體。

N型半導體——摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）后形成的半導體。

P型半導體——摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）后形成的半導體。

三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空位。鄰近共價鍵中的價電子填補此空位時，在原共鍵中便留下一個空穴。

在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成

自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。1、P型半導體的形成及特性2、N型半導體的形成及特性

五價雜質(zhì)原子與周圍硅原子形成共價鍵，還多余一個價電子，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。四、PN結的形成及特性1、PN結的形成PNε載流子濃度差多子的擴散出現(xiàn)空間電荷區(qū)產(chǎn)生了內(nèi)電場促使少子漂移阻礙多子的擴散

當擴散與漂移達到動態(tài)平衡時，在交界面附近就形成了一個空間電荷區(qū)，即PN結。PN2、PN結的特性

a、單向性正偏時電流大，反偏時電流小。正偏時電阻小，反偏時電阻大。注意：①、正向電流IF=擴散電流—漂移電流。②、IR很小具有飽和性用IS表示。PNIRREPNIFRE

b、擊穿性反向電壓增加到某個數(shù)值時，反向電流突然增加，這種現(xiàn)象稱為擊穿。擊穿時所對應的電壓稱為反向擊穿電壓，用VBR表示。根據(jù)擊穿機理不同，擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿。雪崩擊穿機理：反向電壓↑→內(nèi)電地場↑→載流子的動能↑→將中性原子中的價電子撞出來→IR↑。齊納擊穿機理：反向電壓↑→內(nèi)電地場↑→將中性原子中的價電子拉出來→IR↑

PN結的擊穿并不意味著損壞。注意：如果超過就是熱擊穿，熱擊穿是不可逆的；如果沒有超過就是電擊穿，電擊穿是可逆的。

PN結是否損壞決定于擊穿后電流與電壓的乘積是否超過PN結容許的耗散功率。

c、電容性

如果給PN結加上變化的電壓，PN結將呈現(xiàn)電容效應。（電壓變化時有電荷的堆積與泄放的過程）①、勢壘電容CBCB是由空間電荷的積累引起的

當外加正向電壓增加時，PN結變窄，空間電荷量減少，相當于PN結放電。PNIFRE

當外加正向電壓減少時，PN結變寬，空間電荷量增加，相當于PN結充電。外加反偏電壓變化時也具有相同的效應。理論推導得：式中ε是介質(zhì)常數(shù)，A是PN結的面積，d是PN結的寬度。②、擴散電容CD

CD是PN結正向電壓變化時，多數(shù)載流子在擴散過程中積累引起的。PN結正偏時，多數(shù)載流子擴散到對方成為對方區(qū)域中的“少子”。這些少子在正偏電壓變化時，也有堆積與泄放的過程。根據(jù)理論分析不對稱結的CD為：VT為溫度的電壓當量，常溫時為26mv；τ為非平衡少子的壽命；I為正向電流。注意：1、CB和CD在結構上都是和PN結并聯(lián)的，正偏時CD＞＞CB，CD起作用；反偏時CB起作用。2、CB和CD的存在都是破壞單向性的。

第二講晶體二極管一、結構及符號

在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。1、點接觸型二極管

PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型

3、平面型二極管

往往用于集成電路制造工藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。2、面接觸型二極管

PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型4、二極管的代表符號二、二極管的伏安特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性正向特性反向特性反向擊穿特性線性段非線性段1、穩(wěn)壓特性（△I大，△V?。┓€(wěn)流特性（△V大，△I?。?、3、死區(qū)電壓VthSi：0.5VGe:0.1V4、導通電壓VFSi：0.6---0.8VGe:0.1---0.3V注意：三、二極管的主要參數(shù)1、最大整流電流IF2、最大反向工作電壓VR3、反向電流IR4、最高工作頻率fM6、交流電阻rd5、直流電阻rD

a、參數(shù)的物理意義或定義。

b、參數(shù)的測量方法。

c、是質(zhì)量參數(shù)還是特性參數(shù)。

d、參數(shù)的大小與器件質(zhì)量間的關系。對于參數(shù)應從以下四個方面掌握四、D的等效電路及應用

D是一種非線性器材，要想準確分析二極管電路具有一定的難度，為了簡化分析又不至于誤差太大，在實際中將根據(jù)條件變化采用不同的線性電路進行等效。

1.理想模型正偏時電阻為零，反偏時電阻為無窮大，相當于一個理想開關。適用于電路中的電壓比D的壓降大得多的情況。經(jīng)常用于定性分析、估算電路狀態(tài)時很方便，但誤差較大。

2.恒壓降模型認為D正偏導通后，管壓降為恒定值（VF），相當于一個理想的壓控開關，適用于iD≥1mA情況。經(jīng)常用于定量計算，計算快而且基本符合實際。

3.折線模型認為D的正向壓降不是恒定的，而是隨著正向電流的變化而變，相當于非理想的壓控開關（有導通壓降）rD等于折線斜率的倒數(shù)最準確的計算，適用于各種情況。

4.小信號模型

二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。常溫下（T=300K）適用于D正向通且信號在很小范圍內(nèi)變化的情況。即應用舉例

1.靜態(tài)工作情況分析理想模型恒壓模型VDDRVDVDD=10V,R=10K求電路中的電流和二極管上的電壓

2.限幅電路限幅，是指輸出電壓的幅度受到規(guī)定電壓（限幅電壓）的限制。限幅電路有單向限幅和雙向限幅電路兩種①、單向限幅電路正向限幅電路設輸入電壓Ui是峰值為10V的正弦波，限幅電壓Us=3V，畫出Ui

和Uo的波形。R＋－－＋UiUsUo②、雙向限幅電路R＋－－＋UiUo3V3V設輸入電壓Ui是峰值為10V的正弦波，畫出Ui和Uo的波形

第三講晶體三極管一、三極管的結構和符號

半導體三極管的結構示意圖如圖所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。兩種類型的三極管二、電流分配關系及放大作用

三極管具有放大作用不僅僅是它有兩個PN結，還取決于它的內(nèi)、外部條件。要想理解三極管的放大作用，首先要明確各區(qū)的功能：

發(fā)射區(qū)的主要功能是發(fā)射載流子；基區(qū)的主要功能是運輸和控制載流子；集電區(qū)的主要功能是收集載流子。

要保證三區(qū)具有以上功能，在制造晶體管時就要使三區(qū)具有以下特點（內(nèi)部條件）：

發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高；基區(qū)很薄，且摻雜濃度最低；集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大。

要使各區(qū)的功能能夠發(fā)揮出來，就必須滿足以下的條件（外部條件）：發(fā)射結正偏，集電結反偏。IENIEPICBOICNIEICIBVBBVCCIBNRbRc1、晶體管內(nèi)部載流子的傳輸過程

a、發(fā)射區(qū)發(fā)射載流子IE=IEN+IEP

b、基區(qū)傳輸與控制載流子IB=IEP+IBN－ICBO=I/B－ICBO

c、集電區(qū)的收集載流子IC=ICN+ICBOIENIEPICBOICNIEICIBVBBVCCIBNRbRc2、電流分配關系IC=ICN+ICBO

為了定量描述三個極電流之間的關系，引入共基極的直流電流放大系數(shù)=aCNIIEIB=IE－ICIB=（1－α)IE－ICBOIE=IB+IC

為電流放大系數(shù)，它只與管子的結構尺寸和摻雜濃度有關，與外加電壓無關。一般

=0.90.99

IC=αIE+ICBO_根據(jù)

IB=（1－α)IE－ICBO

得：IBICBO1－α1－αIE=+代入IC的表達式1－α1－αααIC=IB+ICBO+ICBOIC=βIB+（1+β）ICBO再令

ICEO=(1+)ICBO穿透電流IC=βIB+ICEOIE=（1+β）IB+ICEO

IB=IE一IC

是另一個電流放大系數(shù)，同樣，它也只與管子的結構尺寸和摻雜濃度有關，與外加電壓無關。一般

>>11－αα

令

β=①、放大電路的三種組態(tài)共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示。3、晶體管的放大作用②、放大作用如果電路輸入端有一較小的變化量，輸出就有一較大的變化量，則稱電路有放大作用。bceRL1k

共射極放大電路VBBVCCIBIEIC+-viv0+-RLecb1k

VEEVCCIBIEIC+-vivo+-共基極放大電路共基極電路：有電壓放大，無電流放大。共射極電路：有電壓放大，有電流放大。共集電極電路：無電壓放大，有電流放大。都有功率放大作用三、晶體管的特性曲線

iB=f(vBE)

vCE=