模電第一部分 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)

第一部分半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)一、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)二、晶體二極管三、晶體三極管

第一講半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、半導(dǎo)體的特性

半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能隨著溫度的變化而發(fā)生顯著的變化。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能隨著光照強(qiáng)度的變化而發(fā)生顯著的變化。

半導(dǎo)體的導(dǎo)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(dǎo)體的導(dǎo)電特性

非常純凈的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)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(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)+4+4+4●●+4+4+4+4+4+4●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●+4慣性核價(jià)電子

硅和鍺原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖+4+4+4●●+4+4+4+4+4+4●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

共價(jià)鍵中的價(jià)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(dòng)的。在絕對(duì)零度和無(wú)外界激發(fā)時(shí)，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可移動(dòng)的帶電粒子，相當(dāng)于絕緣體。２、本征激發(fā)

在室溫或光照條件下，本征半導(dǎo)體中產(chǎn)生自由電子——空穴對(duì)的過(guò)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(guān)系。本征激發(fā)的特征：三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

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

N型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）后形成的半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）后形成的半導(dǎo)體。

三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位。鄰近共價(jià)鍵中的價(jià)電子填補(bǔ)此空位時(shí)，在原共鍵中便留下一個(gè)空穴。

在P型半導(dǎo)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(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱(chēng)為受主雜質(zhì)。1、P型半導(dǎo)體的形成及特性2、N型半導(dǎo)體的形成及特性

五價(jià)雜質(zhì)原子與周?chē)柙有纬晒矁r(jià)鍵，還多余一個(gè)價(jià)電子，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導(dǎo)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(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱(chēng)為施主雜質(zhì)。四、PN結(jié)的形成及特性1、PN結(jié)的形成PNε載流子濃度差多子的擴(kuò)散出現(xiàn)空間電荷區(qū)產(chǎn)生了內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移阻礙多子的擴(kuò)散

當(dāng)擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在交界面附近就形成了一個(gè)空間電荷區(qū)，即PN結(jié)。PN2、PN結(jié)的特性

a、單向性正偏時(shí)電流大，反偏時(shí)電流小。正偏時(shí)電阻小，反偏時(shí)電阻大。注意：①、正向電流IF=擴(kuò)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(gè)數(shù)值時(shí)，反向電流突然增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為擊穿。擊穿時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓稱(chēng)為反向擊穿電壓，用VBR表示。根據(jù)擊穿機(jī)理不同，擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿。雪崩擊穿機(jī)理：反向電壓↑→內(nèi)電地場(chǎng)↑→載流子的動(dòng)能↑→將中性原子中的價(jià)電子撞出來(lái)→IR↑。齊納擊穿機(jī)理：反向電壓↑→內(nèi)電地場(chǎng)↑→將中性原子中的價(jià)電子拉出來(lái)→IR↑

PN結(jié)的擊穿并不意味著損壞。注意：如果超過(guò)就是熱擊穿，熱擊穿是不可逆的；如果沒(méi)有超過(guò)就是電擊穿，電擊穿是可逆的。

PN結(jié)是否損壞決定于擊穿后電流與電壓的乘積是否超過(guò)PN結(jié)容許的耗散功率。

c、電容性

如果給PN結(jié)加上變化的電壓，PN結(jié)將呈現(xiàn)電容效應(yīng)。（電壓變化時(shí)有電荷的堆積與泄放的過(guò)程）①、勢(shì)壘電容CBCB是由空間電荷的積累引起的

當(dāng)外加正向電壓增加時(shí)，PN結(jié)變窄，空間電荷量減少，相當(dāng)于PN結(jié)放電。PNIFRE

當(dāng)外加正向電壓減少時(shí)，PN結(jié)變寬，空間電荷量增加，相當(dāng)于PN結(jié)充電。外加反偏電壓變化時(shí)也具有相同的效應(yīng)。理論推導(dǎo)得：式中ε是介質(zhì)常數(shù)，A是PN結(jié)的面積，d是PN結(jié)的寬度。②、擴(kuò)散電容CD

CD是PN結(jié)正向電壓變化時(shí)，多數(shù)載流子在擴(kuò)散過(guò)程中積累引起的。PN結(jié)正偏時(shí)，多數(shù)載流子擴(kuò)散到對(duì)方成為對(duì)方區(qū)域中的“少子”。這些少子在正偏電壓變化時(shí)，也有堆積與泄放的過(guò)程。根據(jù)理論分析不對(duì)稱(chēng)結(jié)的CD為：VT為溫度的電壓當(dāng)量，常溫時(shí)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(jié)構(gòu)上都是和PN結(jié)并聯(lián)的，正偏時(shí)CD＞＞CB，CD起作用；反偏時(shí)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(jié)構(gòu)及符號(hào)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類(lèi)。1、點(diǎn)接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點(diǎn)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(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。2、面接觸型二極管

PN結(jié)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(hào)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(dǎo)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(cè)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(guān)系。對(duì)于參數(shù)應(yīng)從以下四個(gè)方面掌握四、D的等效電路及應(yīng)用

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

1.理想模型正偏時(shí)電阻為零，反偏時(shí)電阻為無(wú)窮大，相當(dāng)于一個(gè)理想開(kāi)關(guān)。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(shí)很方便，但誤差較大。

2.恒壓降模型認(rèn)為D正偏導(dǎo)通后，管壓降為恒定值（VF），相當(dāng)于一個(gè)理想的壓控開(kāi)關(guān)，適用于iD≥1mA情況。經(jīng)常用于定量計(jì)算，計(jì)算快而且基本符合實(shí)際。

3.折線模型認(rèn)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(dāng)于非理想的壓控開(kāi)關(guān)（有導(dǎo)通壓降）rD等于折線斜率的倒數(shù)最準(zhǔn)確的計(jì)算，適用于各種情況。

4.小信號(hào)模型

二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。常溫下（T=300K）適用于D正向通且信號(hào)在很小范圍內(nèi)變化的情況。即應(yīng)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(shè)輸入電壓Ui是峰值為10V的正弦波，限幅電壓Us=3V，畫(huà)出Ui

和Uo的波形。R＋－－＋UiUsUo②、雙向限幅電路R＋－－＋UiUo3V3V設(shè)輸入電壓Ui是峰值為10V的正弦波，畫(huà)出Ui和Uo的波形

第三講晶體三極管一、三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。它有兩種類(lèi)型:NPN型和PNP型。兩種類(lèi)型的三極管二、電流分配關(guān)系及放大作用

三極管具有放大作用不僅僅是它有兩個(gè)PN結(jié)，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(yùn)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(shí)就要使三區(qū)具有以下特點(diǎn)（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(lái)，就必須滿足以下的條件（外部條件）：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。IENIEPICBOICNIEICIBVBBVCCIBNRbRc1、晶體管內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)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(guān)系IC=ICN+ICBO

為了定量描述三個(gè)極電流之間的關(guān)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(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無(wú)關(guān)。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(dá)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(gè)電流放大系數(shù)，同樣，它也只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無(wú)關(guān)。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(chēng)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(wú)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(wú)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=