任務(wù)3半導體基礎(chǔ)知識課件

引入：物體分類根據(jù)物體的導電性，可將物體分為：導體：低價元素，導電絕緣體：高價元素或高分子元素，不導電半導體：四價元素，導電能力介于以上二者之間3.1半導體的導電特性熱敏性光敏性摻雜性掌握半導體的導電特性GeSi現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。3、理解本征半導體的導電機理溫度為0K時，無自由電子，不導電常溫300K時，少數(shù)自由電子本征激發(fā)

+4+4+4+4本征半導體中有兩種載流子：自由電子和空穴，二者總是成對出現(xiàn)溫度越高，載流子的濃度越高，本征半導體的導電能力越強載流子的產(chǎn)生與復合－－動態(tài)平衡－－溫度一定，濃度一定3.1半導體的導電特性二、雜質(zhì)半導體本征半導體特點？1、電子濃度=空穴濃度；2、載流子少，導電性差，溫度穩(wěn)定性差！(1)N型半導體(2)P型半導體在本征半導體中摻入微量元素－－雜質(zhì)半導體3.1半導體的導電特性

(1)N型半導體摻雜：摻入少量五價雜質(zhì)元素（如：磷）+4+4+5+4多余電子磷原子特點：多數(shù)載流子：自由電子（主要由雜質(zhì)原子提供）少數(shù)載流子：空穴（由本征激發(fā)形成）雜質(zhì)半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。bc4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba

(3)雜質(zhì)對半導體導電性的影響1.雜質(zhì)半導體中

的移動能形成電流。（a.多子、b.少子）2.摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越

，少子濃度越

。（a.高、b.低、c.不變）3.當溫度升高時，多子的數(shù)量

，少子的數(shù)量

。（a.減少、b.基本不變、c.增多）abba影響很大起導電作用的主要是多子。多子的數(shù)量主要與雜質(zhì)濃度有關(guān)，近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等，受溫度影響小。少子濃度對溫度敏感，影響半導體性能。

(3)雜質(zhì)對半導體導電性的影響P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)加寬，使內(nèi)電場越強。內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也叫耗盡層。三、PN結(jié)漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E當擴散和漂移達到動態(tài)平衡時，空間電荷區(qū)的寬度基本不變。擴散電流與漂移電流大小相等方向相反。三、PN結(jié)1、PN結(jié)的形成濃度差

多子擴散空間電荷區(qū)(雜質(zhì)離子)

內(nèi)電場

促使少子漂移

阻止多子擴散

PN結(jié)的實質(zhì)：PN結(jié)=空間電荷區(qū)=耗盡層3.1半導體的導電特性三、PN結(jié)(2)PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場P接負、N接正內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)變寬外電場內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。ISP接負、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止狀態(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－正向?qū)?，反向截?、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2)PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）IS結(jié)構(gòu)示意圖一、了解結(jié)構(gòu)類型和符號PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路

二極管=PN結(jié)+引線+管殼。類型：點接觸型、面接觸型和平面型3.2半導體二極管

金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)點接觸型二、重點掌握伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降外加電壓＞死區(qū)電壓二極管才能導通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.8V鍺0.1~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。室溫附近，溫度每升高1°C，正向壓降減小2-2.5mV，溫度每升高10°C，反向電流增大約一倍。三、了解主要參數(shù)1.最大整流電流

IF二極管長期工作時，允許流過二極管的最大正向平均電流。幾mA到幾百安培2.反向工作峰值電壓UR保證二極管不被擊穿允許外加的最大反向電壓。通常為U(BR)的一半。3.反向電流IR指二極管未擊穿時的反向電流。愈小愈好。一般幾納安到幾微安。4.最高工作頻率fM:其值主要決定于PN結(jié)結(jié)電容的大小。結(jié)電容愈大，則fM愈低。UIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+-UZ動態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。使用時要加限流電阻五、穩(wěn)壓二極管（2）穩(wěn)定電流IZ：穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時的參考電流，電流低于此值時穩(wěn)壓效果變壞。IZmin（4）額定功耗穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓

UZ：規(guī)定電流下穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓（5）溫度系數(shù)（%/℃）穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動態(tài)電阻rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分數(shù)。1.光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加六、其他類型二極管e：發(fā)射區(qū)b：基區(qū)c：集電區(qū)集電結(jié)發(fā)射結(jié)基區(qū)集電區(qū)發(fā)射區(qū)三極:三區(qū):兩結(jié):發(fā)射極e(Emitter),基極b(Base),集電極c(Collector)發(fā)射結(jié)集電結(jié)3.3晶體三極管一、晶體管的結(jié)構(gòu)及類型NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN兩種類型:NPN和PNP1/16/2023PNP電路符號NPN電路符號BECIBIEICBECIBIEIC基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點：集電區(qū)：面積最大1.各電極電流分配關(guān)系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結(jié)論:IE=IC+IB

IC

=βIB

IE=(1+β)

IB二、重點掌握晶體管電流放大作用ΔIC

=β

ΔIBβ共射極電流放大倍數(shù)2.放大條件內(nèi)部條件？三區(qū)摻雜不同！發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。對NPN型：VC

＞VB＞VE對PNP型：VC

＜VB＜VE

二、重點掌握晶體管電流放大作用外部條件：1/16/2023NPNebc電子空穴IENICNIEPICBOIEICIBIBN空穴流與電流方向相同；電子流與電流方向相反。IE=IEN+IEP且IEN>>IEPIC=ICN+ICBOICN=IEN

-IBN

IB=IEP+IBN

-ICBO推導3.了解內(nèi)部載流子傳輸過程對于NPN型三極管，集電極電流和基極電流是流入三極管，發(fā)射極電流是流出三極管，流進的電流等于流出的電流，即IE=IB+IC。發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)摻雜濃度低且很薄，是保證三極管能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大的關(guān)鍵。兩個二極管能否代替一個三極管？不能！三、晶體管的共射特性曲線晶體管各電極電壓與電流的關(guān)系曲線。為什么要研究特性曲線：1）直觀地分析管子的工作狀態(tài)2）合理地選擇偏置電路的參數(shù)，設(shè)計性能良好的電路重點討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線1.輸入特性UCE1ViB(A)uBE(V)204060800.40.8UCE=0VUCE=0.5VUCE不變時，呈指數(shù)關(guān)系曲線UCE增大時，曲線右移iB=f(uBE)

UCE=const2.輸出特性iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC=IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。當UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān)，IC=IB?！猧C=f(uCE)

IB=constIC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IB=0,IC≈0,UBE<開啟電壓，稱為截止區(qū)?！猧C=f(uCE)

IB=constIC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中集電結(jié)、發(fā)射結(jié)均正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)?！猧C=f(uCE)

IB=const輸出特性三個區(qū)域的特點:放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。即：IC=IB,且IC

=

IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區(qū)：

UBE<死區(qū)電壓且集電結(jié)反偏，此時IB=0，IC=ICEO

0

應(yīng)當指出，當uCE增大到某一值時，iC將急劇增加，這時三極管發(fā)生擊穿。例1：測量三極管三個電極對地電位如圖。試判斷三極管的工作狀態(tài)。

放大截止飽和1.電流放大系數(shù)共射直流放大系數(shù)四、了解晶體管的主要參數(shù)共射交流電流放大系數(shù)當ICBO和ICEO很小時，≈例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1點，有由Q1和Q2點，得2.極間反向電流ICBO

ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。溫度ICBOICBOA+–EC3.穿透電流ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。

ICEO=（1+）ICBO

當集-射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。4.最大集電極電流ICM5.極間反向擊穿電壓U(BR)CEO6.集電極最大允許耗散功耗PCM三極管消耗功率過大，溫升過高會燒壞三極管。

PC

=iC

uCE

PCMICICMICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)由三個極限參數(shù)可畫出三極管的安全工作區(qū)ICUCEO過流區(qū)過損區(qū)過壓區(qū)1、溫度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管優(yōu)于鍺管。2、溫度每升高1C，UBE將減小2--2.5mV，即UBE具有負溫度系數(shù)。3、溫度每升高1C，增加0.5%~1.0%。五、了解溫度對晶體管特性及參數(shù)的影響1.4場效應(yīng)管(FET)結(jié)型場效應(yīng)管JFETN溝道結(jié)型場效應(yīng)管P溝道結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管MOS增強型N溝道增強型MOS管P溝道增強型MOS管耗盡型N溝道耗盡型MOS管P溝道耗盡型MOS管一、結(jié)型場效應(yīng)管JFET1、結(jié)構(gòu)及電路符號N基底：N型半導體PP兩邊是P區(qū)S源極D漏極導電溝道G(柵極)DGSN溝道結(jié)型場效應(yīng)管P溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGSPG(柵極)S源極D漏極NN2、工作原理（以N溝道為例）uDS=0V時NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDPN結(jié)反偏，|uGS|越大則耗盡層越寬，導電溝道越窄。UDS=0時NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDNDPPuGS達到一定值時（夾斷電壓UGS(off)）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時，即使UDS0V，漏極電流ID=0A。NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDUGS(off)<uGS<0時①當uDS=0時，iD=0。NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDDPPN②uDS↑→iD↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。UGS(off)<uGS<0時NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDNDPP③當uDS↑,使uGD=uGS-

uDS=UGS（off)時，在靠漏極處夾斷——預夾斷。UGS(off)<uGS<0時NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDNDPP④uDS再↑，預夾斷點下移。UGS(off)<uGS<0時uDS↑→ID幾乎不變。（1）輸出特性曲線：iD=f（uDS）│UGS=常數(shù)3、結(jié)型場效應(yīng)三極管的特性曲線四個區(qū)：①可變電阻區(qū)：預夾斷前。②恒流區(qū)：預夾斷后?！鱥D/△uGS≈常數(shù)=gm△iD=gm△uGS（放大原理）③夾斷區(qū)④擊穿區(qū)

(a)輸出特性曲線(b)轉(zhuǎn)移特性曲線（2）轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f（uGS）│uDS=常數(shù)

IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransistor)MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)應(yīng)用：集成電路分類：

N溝道增強型

N溝道耗盡型

P溝道增強型

P溝道耗盡型

二、絕緣柵型場效應(yīng)管

取一塊P型半導體作為襯底，用B表示。

用氧化工藝生成一層SiO2薄膜絕緣層。

然后用光刻工藝腐蝕出兩個孔。擴散兩個高摻雜的N區(qū)。

從N型區(qū)引出電極，一個是漏極D，一個是源極S。

在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。符號DGSB形成兩個PN結(jié)。（綠色部分）結(jié)構(gòu)1、N溝道增強型MOS管

令漏源電壓uDS=0，加入柵源電壓uGS。

uGS排斥空穴，形成一層負離子層（耗盡層）。感生電子電荷，在漏源之間形成導電溝道。稱為反型層。若加上uDS，就會有漏極電流iD產(chǎn)生。反型層工作原理（1）柵源電壓uGS的控制作用

工作原理（1）柵源電壓uGS的控制作用當uGS較小時，iD＝0當uGS增加到一定數(shù)值使iD剛剛出現(xiàn)，對應(yīng)的UGS稱為開啟電壓，用UGS(th)或UT表示。改變uGS－＞改變溝道－＞影響iD：uGS對iD有控制作用。設(shè)uGS＞UGS(th)，增加uDS，溝道變化如下：uDS從漏到源逐漸降落在溝道內(nèi)，漏極和襯底之間反偏最大，PN結(jié)的寬度最大。漏源之間會形成一個傾斜的PN結(jié)區(qū)。預夾斷工作原理（2）漏源電壓uDS的控制作用預夾斷uDSUDS再，ID基本不變，增加的UDS基本上降落在夾斷區(qū)。轉(zhuǎn)移特性曲線（3）N溝道增強型MOS管特性曲線iD

=f(uGS

)UDS=constOV2GS=UV3+V5.3+V4+DImA/15105DU/V恒流區(qū).夾斷區(qū)可變電阻區(qū)工作原理輸出特性曲線iD

=f(uD

)UGS=constSDGPN+N+SiO2型襯底B+++++++++在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了一定量的正離子。結(jié)構(gòu)和符號當uGS=0時，這些正離子已經(jīng)感生出電子形成導電溝道。只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。2、N溝道耗盡型MOS管DGSB夾斷電壓飽和漏極電流IDSS當UGS=0時，對應(yīng)