半導體基礎知識

1、第一章 半導體二極管和三極管,哈哈哈,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－

2、－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。,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,自由電子的產生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空

3、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。,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

4、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？,,,

5、三、PN結的形成及其單向導電性,物質因濃度差而產生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。,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，產生內電場。,PN 結的形成,因電場作用所產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。,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，形成內電場，從而阻止擴散運

6、動的進行。內電場使空穴從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？,清華大學 華成英 hchya@tsinghua.edu.cn,四、PN 結的電容效應,1. 勢壘電容,PN結外

7、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

8、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

9、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。,二、二極管的伏安特性及電流方程,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。,利用Multisim測試二極管伏安特性,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

10、↓ →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,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

11、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－iR,ID,UD,V與uD可比，則需圖解：,實測特性,對V和Ui二極管

12、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＝ IZM UZ,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？,§1.3

13、 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。,中功率管,大功率管,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

14、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,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？,三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性,為什么UCE增大

15、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),

16、,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 。,四、溫度對晶體管特性的影響,五、主要參數(shù),直流參數(shù)： 、 、ICBO、 ICEO,c-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）CEO,清華大學 華成

17、英 hchya@tsinghua.edu.cn,討論一,由圖示特性求出PCM、ICM、U （BR）CEO 、β。,uCE=1V時的iC就是ICM,U（BR）CEO,討論二：利用Multisim測試晶體管的輸出特性,利用Multisim分析圖示電路在V2小于何值時晶體管截止、大于何值時晶體管飽和。,討論三,,以V2作為輸入、以節(jié)點1作為輸出，采用直流掃描的方法可得！,約小于0.5V時截止,約大于1V時飽和,描述輸出電壓與輸出電壓之間函數(shù)關