半導(dǎo)體的基本知識

半導(dǎo)體的基本知識第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電子電路的重要組成部分。本章簡要地介紹半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識，討論半導(dǎo)體的核心環(huán)節(jié)—PN結(jié)，闡述了半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管（BJT）和場效應(yīng)管（FET）的工作原理、特性曲線和主要參數(shù)以及二極管基本電路和分析方法。對晶閘管和集成電路中的元件也進(jìn)行了簡要介紹。內(nèi)容簡介第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日1.半導(dǎo)體材料

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。

導(dǎo)體：ρ<10－4Ω·cm

絕緣體：ρ>109Ω·cm

半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間。

2.半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)

典型的元素半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge，此外，還有化合物半導(dǎo)體砷化鎵GaAs等。1.1半導(dǎo)體的基本知識第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體：化學(xué)成分純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的，就元素半導(dǎo)體硅和鍺而言，其原子序數(shù)分別為14和32，但它們有一個共同的特點：即原子最外層的電子（價電子）數(shù)均為4，其原子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)如圖所示。HomeNextBack本征激發(fā)(熱激發(fā)）:受溫度、光照等環(huán)境因素的影響，半導(dǎo)體共價鍵中的價電子獲得足夠的能量而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子的現(xiàn)象，稱之為本征激發(fā)（熱激發(fā)）（見圖1.1.2）。第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日電子空穴對：由本征激發(fā)（熱激發(fā)）而產(chǎn)生的自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。所以，在本征半導(dǎo)體中：ni=pi

（ni－自由電子的濃度；pi－空穴的濃度）?？昭ǎ汗矁r鍵中的空位。

K1—常數(shù)，硅為3.8710-6K-3/2/cm3，鍺為1.7610-6K-3/2/cm3

；T—熱力學(xué)溫度；EGO—禁帶寬度，硅為1.21eV，鍺為0.785eV；k—波耳茲曼常數(shù)，8.6310-5eV/K。（e—單位電荷，eV=J）第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日載流子：能夠參與導(dǎo)電的帶電粒子?？瞻装雽?dǎo)體中載流子的移動：如圖1.1.3所示。從圖中可以看出，空穴可以看成是一個帶正電的粒子，和自由電子一樣，可以在晶體中自由移動，在外加電場下，形成定向運動，從而產(chǎn)生電流。所以，在半導(dǎo)體中具有兩種載流子：自由電子和空穴。（1）兩種載流子的產(chǎn)生與復(fù)合，在一定溫度下達(dá)到動態(tài)平衡，則ni=pi的值一定；（2）ni與pi的值與溫度有關(guān)，對于硅材料，大約溫度每升高8oC，ni或pi增加一倍；對于鍺材料，大約溫度每升高12oC，ni或pi增加一倍。第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.雜質(zhì)半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中參入微量的雜質(zhì)形成的半導(dǎo)體。根據(jù)參雜元素的性質(zhì)，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為P型（空穴型）半導(dǎo)體和N型（電子型）半導(dǎo)體。由于參雜的影響，會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的改變。：在本征半導(dǎo)體中參入微量三價元素的雜質(zhì)形成的半導(dǎo)體，其共價鍵結(jié)構(gòu)如圖1.1.4所示。常用的三價元素的雜質(zhì)有硼、銦等。P型半導(dǎo)體第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日

受主雜質(zhì)：因為三價元素的雜質(zhì)在半導(dǎo)體中能夠接受電子，故稱之為受主雜質(zhì)或P型雜質(zhì)。

多子與少子：P型半導(dǎo)體在產(chǎn)生空穴的同時，并不產(chǎn)生新的自由電子，所以控制參雜的濃度，便可控制空穴的數(shù)量。在P型半導(dǎo)體中，空穴的濃度遠(yuǎn)大于自由電子的濃度，稱之為多數(shù)載流子，簡稱多子；而自由電子為少數(shù)載流子，簡稱少子。：既然P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是自由電子，所以，P型半導(dǎo)體帶正電。此說法正確嗎？思考題第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日：在本征半導(dǎo)體中參入微量五價元素的雜質(zhì)形成的半導(dǎo)體，其共價鍵結(jié)構(gòu)如圖1.1.5所示。常用的三價元素的雜質(zhì)有磷、砷和銻等。N型半導(dǎo)體

施主雜質(zhì)：因為五價元素的雜質(zhì)在半導(dǎo)體中能夠產(chǎn)生多余的電子，故稱之為施主雜質(zhì)或N型雜質(zhì)。在N型半導(dǎo)體中，自由電子為多數(shù)載流子，而空穴為少數(shù)載流子。第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日綜上所述，在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，因為參雜，載流子的數(shù)量比本征半導(dǎo)體有相當(dāng)程度的增加，盡管參雜的含量很小，但對半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力影響卻很大，使之成為提高半導(dǎo)體導(dǎo)電性能最有效的方法。

摻雜對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性的影響，其典型數(shù)據(jù)如下:T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

ni=pi=1.4×1010/cm3

摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

ni=5×1016/cm3

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。HomeNextBack第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日小結(jié)本講主要介紹了下列半導(dǎo)體的基本概念：本征半導(dǎo)體本征激發(fā)、空穴、載流子雜質(zhì)半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體受主雜質(zhì)、施主雜質(zhì)、多子、少子第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日二.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

正偏與反偏：當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。一.PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。此時將在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成的物理過程示意圖如圖所示。5.PN結(jié)

第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日PN結(jié)加正向電壓

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流，PN結(jié)導(dǎo)通。其示意圖如圖所示。Home2.PN結(jié)加反向電壓

PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流，PN結(jié)截止。其示意圖如圖所示。3.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)加正向電壓（正偏）時導(dǎo)通；加反向電壓（反偏）時截止的特性，稱為PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴５谑?，共三十八頁?022年，8月28日三.PN結(jié)的特性曲線

1.PN結(jié)的V-I特性表達(dá)式式中，IS—反向飽和電流；n

—發(fā)射系數(shù)，與PN結(jié)的的尺寸、材料等有關(guān)，其值為1~2；VT—溫度的電壓當(dāng)量，且在常溫下（T=300K）:VT=kT/q=0.026V=26mV第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日2.PN結(jié)的正向特性HomeNextBack

死區(qū)電壓Vth硅材料為0.5V左右；鍺材料為0.1V左右。

導(dǎo)通電壓Von硅材料為0.6~0.7V左右；鍺材料為0.2~0.3V左右。Is=10-8AVT=26mVn=2死區(qū)電壓導(dǎo)通電壓圖1.1.9PN結(jié)的正向特性第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.PN結(jié)的反向特性HomeNextBack

反向電流：在一定溫度下，少子的濃度一定，當(dāng)反向電壓達(dá)到一定值后，反向電流IR

即為反向飽和電流IS，基本保持不變。

反向電流受溫度的影響大。-IS圖1.1.10PN結(jié)的反向特性鍺管硅管第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.PN結(jié)的反向擊穿特性HomeNextBack

反向擊穿：當(dāng)反向電壓達(dá)到一定數(shù)值時，反向電流急劇增加的現(xiàn)象稱為反向擊穿（電擊穿）。若不加限流措施，PN結(jié)將過熱而損壞，此稱為熱擊穿。電擊穿是可逆的，而熱擊穿是不可逆的，應(yīng)該避免。圖1.1.11PN結(jié)的反向擊穿特性VBR第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日HomeNextBack反向擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩種類型。

雪崩擊穿：當(dāng)反向電壓增加時，空間電荷區(qū)的電場隨之增強，使通過空間電荷區(qū)的電子和空穴獲得的能量增大，當(dāng)它們與晶體中的原子發(fā)生碰撞時，足夠大的能量將導(dǎo)致碰撞電離。而新產(chǎn)生的電子-空穴對在電場的作用下，同樣會與晶體中的原子發(fā)生碰撞電離，再產(chǎn)生新的電子-空穴對，形成載流子的倍增效應(yīng)。當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值時，這種情況就象發(fā)生雪崩一樣，載流子增加得多而快，使反向電流急劇增加，于是導(dǎo)致了PN結(jié)的雪崩擊穿。

齊納擊穿：齊納擊穿的機理與雪崩擊穿不同。在較高的反向電壓作用下，空間電荷區(qū)的電場變成強電場，有足夠的能力破壞共價鍵，使束縛在共價鍵中的電子掙脫束縛而形成電子-空穴對，造成載流子數(shù)目的急劇增加，從而導(dǎo)致了PN結(jié)的齊納擊穿。第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日四.PN結(jié)的電容效應(yīng)HomeNextBack

1.勢壘電容Cb圖1.1.12勢壘電容示意圖

PN結(jié)外加電壓變化，空間電荷區(qū)的寬度將隨之變化，即耗盡層的電荷量隨外加電壓增加或減少，呈現(xiàn)出電容充放電的性質(zhì)，其等效的電容稱之為勢壘電容Cb。當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時，Cb明顯隨外加電壓變化，利用該特性可以制成各種變?nèi)荻O管。第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日2.擴散電容Cd圖1.1.13擴散電容示意圖HomeNextBack

PN結(jié)外加正向電壓變化，擴散區(qū)的非平衡少子的數(shù)量將隨之變化，擴散區(qū)內(nèi)電荷的積累與釋放過程，呈現(xiàn)出電容充放電的性質(zhì)，其等效的電容稱之為擴散電容Cd。結(jié)電容Cj=Cb+Cd

反偏時，勢壘電容Cb為主；正偏時，擴散電容Cd為主。低頻時忽略，只有頻率較高時才考慮結(jié)電容的作用。第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日本講小結(jié)本講主要介紹了以下基本內(nèi)容：

PN結(jié)形成：擴散、復(fù)合、空間電荷區(qū)（耗盡層、勢壘區(qū)、阻擋層、內(nèi)建電場）、動態(tài)平衡

PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通、反偏截止

PN結(jié)的特性曲線：正向特性：死區(qū)電壓、導(dǎo)通電壓反向特性：反向飽和電流、溫度影響大擊穿特性：電擊穿（雪崩擊穿、齊納擊穿）、熱擊穿

PN結(jié)的電容效應(yīng)：勢壘電容、擴散電容第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日HomeNext1.半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。一.點接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型圖1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)示意圖第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日HomeNext二.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)面接觸型圖1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)示意圖Back第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日HomeNext三.平面型二極管往往用于集成電路制造藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(c)平面型圖1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極引線陽極引線PNP型支持襯底Back第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日HomeNext四.二極管的圖形符號Back圖1.2.2二極管的符號k陰極陽極a2.半導(dǎo)體二極管的V-I特性

二極管的特性與PN結(jié)的特性基本相同，也分正向特性、反向特性和擊穿特性。其差別在于二極管存在體電阻和引線電阻，在電流相同的情況下，其壓降大于PN結(jié)的壓降。在此不再贅述。第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日HomeNextBack圖1.2.3半導(dǎo)體二極管圖片第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.半導(dǎo)體二極管的參數(shù)

最大整流電流IF反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VR反向電流IR(4)正向壓降VF(5)最高工作頻率fM(6)結(jié)電容Cj圖1.2.4二極管的高頻等效道路HomeNextBack：如何用萬用表的“”檔來辨別一只二極管的陽極、陰極以及二極管的好壞？思考題第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.二極管的等效模型電路（1）理想模型圖1.2.5二極管的理想等效模型正偏時：uD=0,RD=0;反偏時：iD=0,RD=。相當(dāng)于一理想電子開關(guān)。HomeNextBack第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日HomeNext（2）恒壓降模型Back正偏時：uD=Uon,RD=0;

反偏時：iD=0,RD=。相當(dāng)于一理想電子開關(guān)和恒壓源的串聯(lián)。圖1.2.6二極管的恒壓降等效模型第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日HomeNext（3）折線型模型Back正偏時：uD=iDrD+UTH;

反偏時：iD=0,RD=。相當(dāng)于一理想電子開關(guān)、恒壓源和電阻的串聯(lián)。圖1.2.7二極管的折線型等效模型第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日HomeNext（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。Back即根據(jù)得Q點處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）圖1.2.8二極管的小信號等效模型第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日HomeNext5.二極管基本電路及模型分析法（1）二極管的靜態(tài)工作情況分析BackID+VD--R10K+VDD—20VID+VD--R10K+VDD—20VID+VD--R10K+VDD—20V+Von—(a)原電路(b)理想模型電路(c)恒壓降模型電路圖1.2.9例1.2.1的電路圖解：（1）理想模型，VD=0，則（2）恒壓降模型，VD=0.7V，則例

求圖（a）所示電路的硅二極管電流ID和電壓VD。第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日HomeNext（2）二極管限幅電路Back解：請觀看仿真波形!ID+vo--R10K+vi—20V圖1.2.10例1.2.2電路圖VREF

例1.2.2

如圖1.2.10所示電路。試畫出VREF分別為0、10V時的波形。其中vi=10sintV。（3）二極管開關(guān)電路

例1.2.3

如圖1.2.11所示電路。試求VI1、VI2為0和+5V時V0的值。R10KV0Vcc+5V圖1.2.11例1.2.3電路圖VI1VI2D1D2000+5V000+5V+5V0+5V+5VV0VI1

VI2

第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日HomeNext（1）穩(wěn)壓二極管的伏安特性Back穩(wěn)定電壓VZ

穩(wěn)定電流IZ（IZmin、IZmin）

額定功耗PZM

動態(tài)電阻rZ

溫度系數(shù)圖1.2.12穩(wěn)壓管的伏安特性6.穩(wěn)壓二極管（2）穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。其伏安特性如圖所示。第三十四頁，共三十八頁，202