半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)第1頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一章半導(dǎo)體二極管和三極管§1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)§1.2半導(dǎo)體二極管§1.3晶體三極管第2頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运摹N結(jié)的電容效應(yīng)第3頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外層電子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，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(qiáng)，只有在外電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價(jià)元素，它們?cè)拥淖钔鈱与娮邮茉雍说氖`力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。無(wú)雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)第4頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱為空穴

自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱為復(fù)合。共價(jià)鍵一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對(duì)的濃度加大。動(dòng)態(tài)平衡第5頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一兩種載流子

外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動(dòng)方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。熱力學(xué)溫度0K時(shí)不導(dǎo)電。第6頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.N型半導(dǎo)體磷（P）

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多了？少了？為什么？第7頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.P型半導(dǎo)體硼（B）多數(shù)載流子P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，

在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時(shí)，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？第8頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?/p>

物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。氣體、液體、固體均有之。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(chǎng)。第9頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一PN結(jié)的形成

因電場(chǎng)作用所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。

參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運(yùn)動(dòng)

由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(chǎng)，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。內(nèi)電場(chǎng)使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。第10頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓截止：耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。PN結(jié)的單向?qū)щ娦员匾獑幔康?1頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一清華大學(xué)華成英hchya@四、PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢(shì)壘電容

PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，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(shì)壘電容Cb。2.擴(kuò)散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)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(kuò)散電容Cd。結(jié)電容：

結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！?2頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一問題為什么將自然界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能極差，又將其摻雜，改善導(dǎo)電性能？為什么半導(dǎo)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(dǎo)體器件有最高工作頻率？第13頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§2半導(dǎo)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)壓二極管第14頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

一、二極管的組成將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)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)光二極管第15頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

一、二極管的組成點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。第16頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

二、二極管的伏安特性及電流方程材料開啟電壓導(dǎo)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(dāng)量二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。第17頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第18頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一利用Multisim測(cè)試二極管伏安特性第19頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一從二極管的伏安特性可以反映出：

1.單向?qū)щ娦?.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℃第20頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、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(guān)導(dǎo)通時(shí)UD＝0截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)UD＝Uon截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)△i與△u成線性關(guān)系應(yīng)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？第21頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.微變等效電路Q越高，rd越小。

當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)，則可將二極管等效為一個(gè)電阻，稱為動(dòng)態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時(shí)直流電源作用小信號(hào)作用靜態(tài)電流第22頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、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(shí)值反向電流IR：即IS最高工作頻率fM：因PN結(jié)有電容效應(yīng)第四版——P20第23頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一討論：解決兩個(gè)問題如何判斷二極管的工作狀態(tài)？什么情況下應(yīng)選用二極管的什么等效電路？uD=V－iRQIDUDV與uD可比，則需圖解：實(shí)測(cè)特性對(duì)V和Ui二極管的模型有什么不同？第24頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一五、穩(wěn)壓二極管1.伏安特性進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流

由一個(gè)PN結(jié)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(dòng)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(huì)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？第25頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1.3晶體三極管一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)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(duì)晶體管特性的影響五、主要參數(shù)第26頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)多子濃度高多子濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個(gè)極、三個(gè)區(qū)、兩個(gè)PN結(jié)。小功率管中功率管大功率管為什么有孔？第27頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、晶體管的放大原理

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成基極電流IB，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流IC。少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴(kuò)散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合因集電區(qū)面積大，在外電場(chǎng)作用下大部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴(kuò)散第28頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一電流分配：

IE＝IB＋I(xiàn)C

IE－擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流

IB－復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的電流

IC－漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流穿透電流集電結(jié)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(huì)有穿透電流？第29頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、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(duì)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(jié)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.輸入特性第30頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.輸出特性β是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下?對(duì)應(yīng)于一個(gè)IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。為什么uCE較小時(shí)iC隨uCE變化很大？為什么進(jìn)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)第31頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一晶體管的三個(gè)工作區(qū)域

晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，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第32頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、溫度對(duì)晶體管特性的影響第33頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一五、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(hào)頻率）

極限參數(shù)：ICM、PCM、U（BR）CEO第34頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一清華大學(xué)華成英hchya@討論一由圖示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO

、β。2.7uCE=1V時(shí)的iC