模電-第1章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)

模電-第1章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)第一頁，共72頁。1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識

在物理學(xué)中，根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以將他們劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體是硅Si(14)和鍺Ge(32)硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們都是4價元素慣性核價電子原子結(jié)構(gòu)模型硅和鍺的慣性核模型第二頁，共72頁。

本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)——共價鍵結(jié)構(gòu)：束縛電子在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近于絕緣體。1.1.1.本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈單一的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“9個9”。第三頁，共72頁。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。

當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的可以擺脫共價鍵的束縛，成為自由電子，從而可以參與導(dǎo)電。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴?？昭ㄊ菐д姾傻摹？昭ǖ谒捻?，共72頁?？梢姡菊骷ぐl(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對。而且外加能量越高（溫度越高，光照越強），產(chǎn)生的電子空穴對濃度越高。與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復(fù)合在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時進行，達到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定，為：

常溫T=300K時：電子空穴對的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對動畫演示第五頁，共72頁。自由電子—帶負電荷—逆電場運動:電子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E＋－＋總電流兩種載流子空穴—帶正電荷—順電場運動:空穴流載流子電子空穴對的濃度取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。本征半導(dǎo)體導(dǎo)電機制第六頁，共72頁。1.1.2.雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。按摻入雜質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為N型和P型兩種。1.

N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，如磷、砷、銻等，使自由電子濃度大大增加，稱為N型或電子型半導(dǎo)體。

第七頁，共72頁。N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子:自由電子少數(shù)載流子:

空穴++++++++++++N型半導(dǎo)體施主離子自由電子電子空穴對雜質(zhì)電離雜質(zhì)電離本征激發(fā)本征激發(fā)第八頁，共72頁。

在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦、鋁等，使空穴濃度大大增加，稱為P型或空穴型半導(dǎo)體?？昭ㄅ鹪庸柙佣鄶?shù)載流子：空穴少數(shù)載流子：自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對2.

P型半導(dǎo)體雜質(zhì)電離本征激發(fā)本征激發(fā)第九頁，共72頁。雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖++++++++++++N型半導(dǎo)體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子少子濃度——本征激發(fā)產(chǎn)生，與溫度有關(guān)多子濃度——雜質(zhì)電離產(chǎn)生，與雜質(zhì)濃度有關(guān)，與溫度無關(guān)第十頁，共72頁。內(nèi)電場E因多子濃度差形成內(nèi)電場E多子的擴散、復(fù)合空間電荷區(qū)

阻止多子擴散，促使少子漂移。P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體結(jié)合空間電荷區(qū)多子擴散電流少子漂移電流耗盡區(qū)1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

1.PN結(jié)的形成：多子擴散、少子漂移

第十一頁，共72頁。

動畫演示少子漂移補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴散

耗盡層又失去多子，耗盡層寬，E內(nèi)電場E多子擴散電流少子漂移電流耗盡層動態(tài)平衡：擴散電流＝漂移電流總電流＝0勢壘UO硅0.5V鍺0.1V第十二頁，共72頁。2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。

外電場削弱內(nèi)電場→耗盡層變窄→擴散運動>>漂移運動→多子擴散形成正向電流IF正向電流

第十三頁，共72頁。(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。

外電場加強內(nèi)電場→耗盡層變寬→漂移運動＞擴散運動→少子漂移形成反向電流IRPN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān)，只與溫度有關(guān)，所以稱為反向飽和電流IS

。第十四頁，共72頁。

1.

PN結(jié)加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流IF，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通，開關(guān)閉合；

2.PN結(jié)加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流IR

，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止，開關(guān)斷開。

由此可以得出結(jié)論：

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。綜上所述：

動畫演示第十五頁，共72頁。

根據(jù)理論分析：U為PN結(jié)兩端的電壓降I為流過PN結(jié)的電流IS為反向飽和電流UT=kT/q

稱為溫度的電壓當(dāng)量其中k為玻耳茲曼常數(shù)

1.38×10－23q

為電子電荷量1.6×10－9T為熱力學(xué)溫度對于室溫（相當(dāng)T=300K）則有UT=26mV。當(dāng)U>0U>>UT時當(dāng)U<0|U|>>|UT

|時1.1.3PN結(jié)的伏安特性正偏IF（多子擴散）IR（少子漂移）反偏反向飽和電流第十六頁，共72頁。正偏IF（多子擴散）IR（少子漂移）反偏反向飽和電流反向擊穿電壓1.1.4.PN結(jié)的反向擊穿熱擊穿——燒壞PN結(jié)電擊穿——可逆雪崩擊穿:反向電壓較大時，正溫度系數(shù)；齊納擊穿:反向電壓較小，雜質(zhì)濃度較高時，負溫度系數(shù)。第十七頁，共72頁。1.1.5.PN結(jié)的電容效應(yīng)

當(dāng)外加電壓發(fā)生變化時，耗盡層的寬度要相應(yīng)地隨之改變，即PN結(jié)中存儲的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。

(1)勢壘電容CB從等效觀點上看，勢壘電容CB與PN結(jié)電阻是并聯(lián)的。主要在PN結(jié)反偏時起作用

勢壘區(qū)中正負離子的數(shù)量隨外加電壓變化而變化的效應(yīng)稱為勢壘電容。第十八頁，共72頁。(2)擴散電容CD

當(dāng)外加正向電壓不同時，PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。電容效應(yīng)在交流信號作用下才會明顯表現(xiàn)出來極間電容（結(jié)電容）擴散電容CD主要在PN結(jié)正偏時起作用

當(dāng)外加正向電壓變化時，載流子的數(shù)量和濃度梯度都要變化，這種電容效應(yīng)稱為擴散電容。C=CD+CD第十九頁，共72頁。1.2半導(dǎo)體二極管

二極管=PN結(jié)+管殼+引線NP結(jié)構(gòu)符號陽極+陰極-1.3.1二極管的結(jié)構(gòu)和類型第二十頁，共72頁。

根據(jù)理論分析：U為PN結(jié)兩端的電壓降I為流過PN結(jié)的電流IS為反向飽和電流UT=kT/q

稱為溫度的電壓當(dāng)量其中k為玻耳茲曼常數(shù)

1.38×10－23q

為電子電荷量1.6×10－9T為熱力學(xué)溫度對于室溫（相當(dāng)T=300K）則有UT=26mV。當(dāng)U>0U>>UT時當(dāng)U<0|U|>>|UT

|時1.2.1二極管的伏安特性1.PN結(jié)的伏安特性方程第二十一頁，共72頁。

實際的二極管的伏安特性

硅：0.5V

鍺：

0.1V(1)正向特性導(dǎo)通壓降反向飽和電流(2)反向特性死區(qū)電壓擊穿電壓UBR實驗曲線uEiVmAuEiVuA鍺

硅：0.7V鍺：0.3V第二十二頁，共72頁。

溫度對二極管特性的影響90度20度第二十三頁，共72頁。1.2.1二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流IF(2)最高反向工作電壓URM二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(3)反向擊穿電壓UBR

二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。

(4)反向飽和電流IR

在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。第二十四頁，共72頁。1.2.3.二極管的模型例：IR10VE1kΩD—非線性器件iuRLC—線性器件第二十五頁，共72頁。二極管的模型DU串聯(lián)電壓源模型UD二極管的導(dǎo)通壓降。硅管0.7V；鍺管0.3V。理想二極管模型正偏反偏導(dǎo)通壓降二極管的V—A特性第二十六頁，共72頁。二極管的近似分析計算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串聯(lián)電壓源模型測量值9.32mA相對誤差理想二極管模型RI10VE1kΩ相對誤差0.7V第二十七頁，共72頁。電路如圖，求：UABV陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例：

取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。

在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–第二十八頁，共72頁。ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例2：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護、溫度補償?shù)取i18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––第二十九頁，共72頁。例

討論二極管的導(dǎo)通情況，并求UAO第三十頁，共72頁。如下圖所示，輸入信號三角波信號ui幅值大于直流電源E1,E2的正弦波信號，二極管為理想器件，畫出輸出uo的電壓波形。0-E2uit+E1uot+--+Eu2RiuOE1VD1VD2+E1-E2第三十一頁，共72頁。當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時,其兩端電壓近似為常數(shù)穩(wěn)定電壓1.2.4穩(wěn)壓二極管1.穩(wěn)壓管的伏安特性

穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管正向同二極管反偏電壓≥UZ

反向擊穿＋UZ－限流電阻第三十二頁，共72頁。

2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ(3)動態(tài)電阻rZ

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。

rZ=UZ

/I

Z

rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡,穩(wěn)壓性能越好。

(2)穩(wěn)定電流IZ

保證穩(wěn)壓管擊穿所對應(yīng)的電流，若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。

(4)最大工作電流IZM，最大耗散功率PZM

IZM

管子允許流過最大電流;

PZM管子允許耗散的最大功率;

PZM=UZIZM第三十三頁，共72頁。例第三十四頁，共72頁。第三十五頁，共72頁。第三十六頁，共72頁。第三十七頁，共72頁。第三十八頁，共72頁。發(fā)光二極管是一種能將電能轉(zhuǎn)換為光能的電子器件，簡稱LED(LightEmittingDiode).采用砷化鎵、磷化鎵、氮化鎵等化合物半導(dǎo)體材料制造耐用。伏安特性與普通二極管類似，其正向?qū)▔航递^大，為1~4V左右，工作電流較為6~30mA,體積小，具有發(fā)光均勻穩(wěn)定，壽命長等特點，現(xiàn)已應(yīng)用于數(shù)碼顯示、大屏幕顯示、交通信號燈、汽車尾燈、照明等方面。發(fā)光二極管第三十九頁，共72頁。LED燈光效高、耗電少,壽命長、易控制、免維護、安全環(huán)保;是新一代固體冷光源,光色柔和、艷麗、豐富多彩、低損耗、低能耗,耐震，可頻繁開關(guān)而不影響其壽命，綠色環(huán)保不含汞。

將LED與普通白熾燈、螺旋節(jié)能燈及T5三基色熒光燈進行對比，結(jié)果顯示：普通白熾燈的光效為12lm／W，壽命小于2000小時，螺旋節(jié)能燈的光效為60lm／W，壽命小于8000小時，T5三基色熒光燈則為96lm／W，壽命大約為1萬小時，而直徑為5毫米的白光LED光效可以超過150lm／W，壽命十萬小時。第四十頁，共72頁。數(shù)碼顯示用七只發(fā)光二極管分別顯示數(shù)字的七個段，不同的亮暗組合構(gòu)成不同的數(shù)字顯示。八段數(shù)碼管：七段發(fā)光二極管

共陽極：

共陰極：第四十一頁，共72頁。

二極管按結(jié)構(gòu)分三大類：(1)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。第四十二頁，共72頁。(3)平面型二極管用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。第四十三頁，共72頁。半導(dǎo)體二極管分類國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：2AP9A用字母代表器件規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管，W穩(wěn)壓管，L整流堆，N阻尼管，U光電管。用字母代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。用數(shù)字代數(shù)產(chǎn)品的極性，2代表二極管，3代表三極管。用數(shù)字代表產(chǎn)品的序號。第四十四頁，共72頁。第四十五頁，共72頁。

1.3半導(dǎo)體三極管

雙極型晶體管，也叫晶體三極管,半導(dǎo)體三極管等，簡稱晶體管。由于工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行，因此，被稱為雙極型晶體管（BipolarJunctionTransistor,簡稱BJT）。

BJT是由兩個PN結(jié)組成的。第四十六頁，共72頁?；鶇^(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1.3.1BJT的結(jié)構(gòu)第四十七頁，共72頁。NPN型PNP型

三極管的結(jié)構(gòu)特點:（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度＞＞集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。--NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極--PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極符號:cebbec第四十八頁，共72頁。1.3.2BJT的內(nèi)部工作原理

三極管在工作時要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?。若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏：+UCE

－＋UBE－＋UCB－集電結(jié)反偏：由VBB保證由VCC、

VBB保證UCB=UCE-UBE>0共發(fā)射極接法c區(qū)b區(qū)e區(qū)4/16/2023第四十九頁，共72頁。(1).BJT內(nèi)部的載流子傳輸過程（a）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子：

因為發(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成了擴散電流IEN

。同時從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴散運動，形成的電流為IEP,但其數(shù)量小，可忽略。所以發(fā)射極電流IE=

IEP

+I

EN

≈

IEN（b）電子在基區(qū)中的擴散與復(fù)合：

發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到空穴復(fù)合掉，形成IBN。它是基極電流IB的一部分。由于基區(qū)很薄，大部分電子到達了集電區(qū)的邊緣。IBN第五十頁，共72頁。

(d)集電結(jié)的反向飽和電流：集電結(jié)區(qū)的少數(shù)載流子形成漂移電流ICBO。

（c）集電區(qū)收集電子:

因為集電結(jié)反偏，收集擴散到集電區(qū)邊緣的電子，形成電流ICN

，ICN

=I

EN–

I

BN

IBN第五十一頁，共72頁。(a)IC與IE之間的關(guān)系:所以:(2).電流分配關(guān)系三個電極上的電流：IB

=I

BN+I

EP–

I

CBOIC

=I

CN+

I

CBO

IE

=I

EN+I

EP

=I

CN+I

BN+I

EP

=IB+IC

IBN定義：（≈0.9～0.99）稱為共基極直流電流放大系數(shù)

動畫演示第五十二頁，共72頁。(b)IC與IB之間的關(guān)系：聯(lián)立以下兩式：得：

所以：令：共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)第五十三頁，共72頁。(c)IE與UBE之間的關(guān)系：第五十四頁，共72頁。五.BJT的型號第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關(guān)管用字母表示材料用字母表示器件的種類用數(shù)字表示同種器件型號的序號用字母表示同一型號中的不同規(guī)格三極管國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：3DG110B第五十五頁，共72頁。第五十六頁，共72頁。1.3.3BJT的特性曲線1.輸入特性曲線

iB=f(uBE)

uCE=const發(fā)射結(jié)的特性類似于一個PN結(jié)。死區(qū)電壓硅0.5V鍺0.1V導(dǎo)通壓降硅0.7V鍺0.3V=1VCEu第五十七頁，共72頁。2輸出特性曲線iC=f(uCE)

iB=const

1）當(dāng)發(fā)射極開路時，iE=0

，iC=ICBO。2）當(dāng)基極開路時，iB=0

，iC=ICEO=(1+β)ICBO。第五十八頁，共72頁。輸出特性曲線iC=f(uCE)

iB=const

3）在近原點，uCE

很小時,ic

??；

uCE↑→ic

↑

。4）當(dāng)uCE

＞1V后，收集電子的能力足夠強。這時，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不變。同理，可作出iB=其他值的曲線。

以iB=60uA一條加以說明。基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)第五十九頁，共72頁。3.BJT的三個工作區(qū)飽和區(qū)——iC受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uCE＜0.7

V。此時發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。Ic<βIb截止區(qū)——iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)——

曲線基本平行等距。此時，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。該區(qū)中有：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)第六十頁，共72頁。1.3.4BJT的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)（2）共基極電流放大系數(shù)：

iCE△=5uA(mA)B=10uAICu=0(V)=20uAI△BBBIBiIBI=25uACBI=15uAi一般為20~200之間1.51（1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)β：第六十一頁，共72頁。(1)集-基極反向截止電流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+–EC(2)集-射極反向截止電流(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。2.極間反向電流第六十二頁，共72頁。

3.極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICMPCMIc增加時，要下降。當(dāng)值下降到線性放大區(qū)值的70％時，所對應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。（2）集電極最大允許耗散功率PCM

PCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會燒壞三極管。PC<PCM=ICUCE

硅管允許結(jié)溫約為150C，鍺管約為7090C。第六十三頁，共72頁。

（3）反向擊穿電壓

①

U（BR）EBO——集電極開路時，發(fā)射極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般幾伏～十幾伏。②

U（BR）CBO——發(fā)射極開路時，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般為幾十伏～幾百伏。③U（BR）CEO——基極開路時，集電極與發(fā)射極之間允許的最大反向電壓。

在實際使用時，還有U（BR）CER、U（BR）CES等擊穿電壓。--(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU

BJT