第二講半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

1、元素周期表1 半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦匀⒔Y(jié)的形成及其單向?qū)щ娦砸?、本征半?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。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。本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1 1、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？、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元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成導(dǎo)體鐵、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(chǎn)生定向移動，形成電流。電流。 絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最

2、外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定絕緣體惰性氣體、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(dǎo)電。程度時才可能導(dǎo)電。 半導(dǎo)體硅（）、鍺（），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(dǎo)體與絕半導(dǎo)體硅（）、鍺（），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(dǎo)體與絕緣體之間。緣體之間。無雜質(zhì)無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵由于熱運動，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的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱自由電子的產(chǎn)生使共價鍵

3、中留有一個空位置，稱為空穴為空穴 自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復(fù)合。共價鍵共價鍵 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，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。自由電子與空穴對的濃度加大。動態(tài)平衡動態(tài)平衡兩種載流子兩種載流子 外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)與導(dǎo)電，且運動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。電性很差。3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱

4、為載流子。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(dǎo)電溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強。性增強。 熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度0K時不導(dǎo)電。時不導(dǎo)電。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體 1. N型半導(dǎo)體5磷（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，實現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強，實現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子多數(shù)載流子 空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了？少了？為什么？空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了？少了？為什么？2. P2. P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體3硼（硼（B）多數(shù)載流子多數(shù)載流子 P型半導(dǎo)體主要靠空

5、穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃型半導(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，度越高，導(dǎo)電性越強， 在雜質(zhì)半導(dǎo)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？三、結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。擴散運動擴散運動P區(qū)空穴濃度遠區(qū)空穴濃度遠高于高于N區(qū)。區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠區(qū)自由電子濃度遠高于高于P區(qū)。區(qū)。 擴散運動使靠近接觸面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。區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。 結(jié)的形成

6、結(jié)的形成 因電場作用所產(chǎn)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，就形成了結(jié)。漂移運動漂移運動 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(nèi)電場，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)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。結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：結(jié)加正向電壓導(dǎo)通： 耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形成擴散電流，結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。用，形成擴散電流，結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。結(jié)加反向電壓截止：結(jié)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

7、流很小，故可近似認為其截止。成漂移電流。由于電流很小，故可近似認為其截止。 結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦? 半導(dǎo)體二極管一、二極管的組成一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程二、二極管的伏安特性及電流方程三、二極管的應(yīng)用舉例三、二極管的應(yīng)用舉例四、二極管的主要參數(shù)四、二極管的主要參數(shù) 一、二極管的組成一、二極管的組成將結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。將結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。小功率二極小功率二極管管大功率二極大功率二極管管穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管二極管發(fā)光發(fā)光二極管二極管 一、二極管的組成一、二極管的組成點接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容點接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小

8、，最高小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。工作頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。工作頻率低。平面型：結(jié)面積可小、可大，平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。的電流大。 二、二極管的伏安特性及電流方程二、二極管的伏安特性及電流方程材料材料開啟電壓開啟電壓導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅硅0.5V0.50.8V1A以下鍺鍺0.1V0.10.3V幾十A)(ufi 開啟電開啟電壓壓反向飽和電反向飽和電流流擊穿電壓擊穿電壓mV)26( ) 1e (TST

9、UIiUu常溫下溫度的溫度的電壓當(dāng)量電壓當(dāng)量二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。三. 二極管的應(yīng)用舉例0正向?qū)〞r相當(dāng)一個閉合的開關(guān)反向阻斷時相當(dāng)一個打開的開關(guān)(1)二極管的開關(guān)作用(2)二極管的整流作用二極管半波整流電路二極管全波整流電路B220VRLDIN4001B220VRLD1D2(3)二極管的限幅作用DuS10K u0iD 圖示為一限幅電路。電源是一個周期性的矩形脈沖，高電平幅值為+5V，低電平幅值為-5V。試分析電路的輸出電壓為多少。uS+5V-5Vt0當(dāng)輸入電壓5V時，二極管反偏截止，此時電路可視為開路，輸出電壓u0=0V； 當(dāng)輸入

10、電壓 +5V時，二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通時二極管管壓降近似為零，故輸出電壓u0+5V。 顯然輸出電壓u0限幅在05V之間。u0四、二極管的主要參數(shù)最大整流電流：最大平均值最大整流電流：最大平均值最大反向工作電壓：最大瞬時值最大反向工作電壓：最大瞬時值反向電流反向電流 ：即：即最高工作頻率：因結(jié)有電容效應(yīng)最高工作頻率：因結(jié)有電容效應(yīng)3 3 晶體三極管晶體三極管一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號二、晶體管的放大原理二、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四、溫度對晶體管特性的影響五、主要參數(shù)五、主要參數(shù)多子濃度高多子濃

11、度高多子濃度很低，且多子濃度很低，且很薄很薄面積大面積大晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個結(jié)。晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個結(jié)。小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管為什么有孔？為什么有孔？ 三極管的電流放大過程晶體管實現(xiàn)電流放大作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件(1)發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，以便有足夠的載流子供“發(fā)射”。(2)為減少載流子在基區(qū)的復(fù)合機會，基區(qū)做得很薄，一般為幾個微米，且摻雜濃度極低。(3)集電區(qū)體積較大，且為了順利收集邊緣載流子，摻雜濃度界于發(fā)射極和基極之間。 可見，雙極型三極管并非是兩個 結(jié)的簡單組合，而是利用一定的摻雜工藝制作而成。因此，絕不能用兩個二極管來代替，使用時也決不允許把發(fā)射極

12、和集電極接反。晶體管實現(xiàn)電流放大作用的外部條件UBBRB(1)發(fā)射結(jié)必須“正向偏置”，以利于發(fā)射區(qū)電子的擴散，擴散電流即發(fā)射極電流，擴散電子的少數(shù)與基區(qū)空穴復(fù)合，形成基極電流，多數(shù)繼續(xù)向集電結(jié)邊緣擴散。UCCRC(2)集電結(jié)必須“反向偏置”，以利于收集擴散到集電結(jié)邊緣的多數(shù)擴散電子，收集到集電區(qū)的電子形成集電極電流。 整個過程中，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的電子數(shù)等于基區(qū)復(fù)合掉的電子與集電區(qū)收集的電子數(shù)之和，即： 二、晶體管的放大原理（集電結(jié)反偏），即（發(fā)射結(jié)正偏）放大的條件BECECBonBE0uuuUu 擴散運動形成發(fā)射極電流，復(fù)合運動形成基極電流，漂移運動形成集電極電流。擴散運動形成發(fā)射極電流，復(fù)

13、合運動形成基極電流，漂移運動形成集電極電流。少數(shù)載流子少數(shù)載流子的運動的運動因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射因發(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)區(qū)擴散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴散到基區(qū)因基區(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(fù)合的電子與空穴復(fù)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)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)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴基區(qū)空穴的擴散散電流分配：電流分配： 擴散運動形成的電流擴散運動形成的電流 復(fù)合運動形成的電流復(fù)合運動形成的電流 漂移運動形成的電流漂移運動形成的電流CBOCEOBCBC)(1 I

14、IiiII穿透電流穿透電流集電結(jié)反向電流集電結(jié)反向電流直流電流放大系直流電流放大系數(shù)數(shù)交流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)三、 晶體管的伏安特性(1) 輸入特性曲線以常用的共射極放大電路為例說明0VUBE /VIB / A0UCE =0VUBBUCCRC+RB令從令從0開始增開始增加加IBIE=IBUBE令為令為00時的輸入特性曲時的輸入特性曲線線為為0時時UCE =0.5VUCE=0VUBE /VIB / A0UBBUCCRC+RB令重新從令重新從0開始增加開始增加IBICUBE增大增大 =1V繼續(xù)增大繼續(xù)增大讓讓1V令重新從令重新從0開始增加開始增加1V1V的特性曲線的特性曲線 繼續(xù)增大使1V

15、以上的多個值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：之后的所有輸入特性幾乎都與1V的特性相同，曲線基本不再變化。 實用中三極管的值一般都超過1V，所以其輸入特性通常采用1V時的曲線。從特性曲線可看出，雙極型三極管的輸入特性與二極管的正向特性非常相似。1V的特性曲的特性曲線線(2) 輸出特性曲線先把調(diào)到某一先把調(diào)到某一固定值保持不固定值保持不變。變。 當(dāng)不變時，輸出回路中的電流與管子輸出端電壓之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性。然后調(diào)節(jié)使從然后調(diào)節(jié)使從0增大，觀察毫安表增大，觀察毫安表中的變化并記錄下來。中的變化并記錄下來。UCEUBBUCCRCRBICIBUBEmA AIE 根據(jù)記錄可給出隨變化的伏安特性曲線，此曲線就是晶體管的

16、輸出特性曲線。UCE / VIC /mA0UBBUCCRCRBICIBUBEmA AIE再調(diào)節(jié)再調(diào)節(jié)IB1至另至另一稍小的固定一稍小的固定值上保持不變值上保持不變。仍然調(diào)節(jié)仍然調(diào)節(jié)UCC使使UCE從從0增增大，繼續(xù)觀察毫安表中大，繼續(xù)觀察毫安表中IC的變化并記錄下來。的變化并記錄下來。UCE 根據(jù)電壓、電流的記錄值可繪出另一條隨變化的伏安特性曲線，此曲線較前面的稍低些。UCE / VIC /mA0IB1230 如此不斷重復(fù)上述過程，我們即可得到不同基極電流對應(yīng)相應(yīng)、數(shù)值的一組輸出特性曲線。輸出曲線開始部分很陡，說輸出曲線開始部分很陡，說明明IC隨隨UCE的增加而急劇增的增加而急劇增大。大。當(dāng)當(dāng)

17、UCE增至一定數(shù)值時增至一定數(shù)值時(一般小于一般小于1V)，輸出特，輸出特性曲線變得平坦，表明性曲線變得平坦，表明IC基本上不再隨基本上不再隨UCE而變而變化?；?當(dāng)一定時，從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子數(shù)大致一定。當(dāng)超過1V以后，這些電子的絕大部分被拉入集電區(qū)而形成集電極電流 。之后即使繼續(xù)增大，集電極電流也不會再有明顯的增加，具有恒流特性。UCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3 當(dāng)增大時，相應(yīng)也增大，輸出特性曲線上移， 且增大的幅度比對應(yīng)大得多。這一點正是晶體管的電流放大作用。從輸出特性曲線可求出三極管的電流放大系數(shù)。IB=40

18、 A取任意再兩條特性曲線上的平坦段，讀出其基極電流之差；再讀出這兩條曲線對應(yīng)的集電極電流之差1.3；于是我們可得到三極管的電流放大倍數(shù)： UCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3輸出特性曲線上一般可分為三個區(qū)：飽和區(qū)。當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電飽和區(qū)。當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置時，三極結(jié)均為正向偏置時，三極管處于飽和狀態(tài)。此時集管處于飽和狀態(tài)。此時集電極電流與基極電流之間電極電流與基極電流之間不再成比例關(guān)系，的變化不再成比例關(guān)系，的變化對的影響很小。對的影響很小。截止區(qū)。當(dāng)基極電流等截止區(qū)。當(dāng)基極電流等于于0時，晶體管處于截止時，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。實際上當(dāng)發(fā)射結(jié)狀態(tài)。實際上當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓處在正向死區(qū)范圍電壓處在正向死區(qū)范圍時，晶體管就已經(jīng)截止時，晶體管就已經(jīng)截止，為讓其可靠截止，常，為讓其可靠截止，常使小于和等于零。使小于和等于零。 晶體管工作在放大狀態(tài)時，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。在放大區(qū)，集電極電流與基極電流之間成倍的數(shù)量關(guān)系，即晶體管