半導體器件概論

半導體器件概論1第1頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一

課程名稱：模擬與數(shù)字電子技術教材：電子技術（電工學II比電工技術難但更有趣）史儀凱主編緒論一、內(nèi)容體系：

1、模擬電子技術（教材第1～5章）

重點：第2、4兩章2、數(shù)字電子技術（教材第6～9章）

重點：第6、7兩章

3、電工電子應用技術（電工學Ⅲ）第6章電力電子技術基礎電子技術又可分為“信息電子技術”與“電力電子技術”二、課時分配：講課52，實驗182第2頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一三、講授、學習方法： 從管到路，管為路用，從小到大，逐步擴展。

核心器件→典型環(huán)節(jié)→基本單元→應用系統(tǒng)模電部分：以分立元件為基礎；以集成電路為重點。數(shù)電部分：以SSIC為入門；以MSIC為重點，適當引 入LSIC*。四、對課程內(nèi)容的要求：

了解內(nèi)部機理，理解外部特性，熟悉主要參數(shù)，設計簡單電路，分析典型系統(tǒng)。

定性分析，定量估算3第3頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一主要參考書

1、《電工學上冊－電子技術》秦曾煌主編 高等教育出版社（第5或6版）

2、

《電子技術－典型題解析及自測試題》 史儀凱等編西北工業(yè)大學出版社3、《電工學·電子技術－導教·導學·導考》

朱建坤編西北工業(yè)大學出版社4第4頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一第一章半導體器件§1.1半導體的基本知識§1.2

PN結及半導體二極管§1.3特殊二極管§1.4半導體三極管§1.5場效應晶體管5第5頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一§1.1半導體的基本知識1.1.1導體、半導體和絕緣體自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬一般都是導體。有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡膠、陶瓷、塑料和石英。另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。6第6頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一

半導體的導電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。比如：當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。 興利－－熱敏、光敏元件 除弊－－加散熱片、加黑色塑封以避光往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導電能力明顯改變。這一特性的利用揭開了電子技術發(fā)展史上新的一頁！7第7頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一1.1.2本征半導體現(xiàn)代電子技術中，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。GeSi8第8頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一硅和鍺的晶體結構通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。完全純凈的、結構完整的半導體晶體，稱為本征半導體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。9第9頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子10第10頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子（價電子），常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力非常弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+411第11頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一本征半導體的導電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。12第12頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一+4+4+4+4本征半導體的導電機理自由電子空穴束縛電子（價電子）13第13頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引臨近的價電子（不是自由電子）來填補。填補的結果相當于空穴的遷移超女快男的演唱會，玉米花生前移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動（為什么？），因此可以認為空穴是帶正電荷的載流子。14第14頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一本征半導體的導電機理本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。（與金屬比？）自由電子和空穴成對產(chǎn)生與消失（復合）溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。15第15頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一1.1.3雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)—摻雜，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。使自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體稱為N型半導體（電子半導體），使空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體稱為P型半導體（空穴半導體）。16第16頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一N型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個價電子，這個價電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。17第17頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一+4+4+5+4N型半導體多余電子－準自由電子磷原子18第18頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一N型半導體N型半導體中的載流子的來源？1、由施主原子提供的準自由電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導體中成對產(chǎn)生的自由電子和空穴。注意：由于摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，由施主原子提供的準自由電子濃度遠大于原本征半導體空穴濃度；而自由電子增多又增加了復合的機會，故摻雜后N型半導體中的空穴數(shù)比原本征半導體中的空穴數(shù)小得多。因此，N型半導體中的空穴比自由電子少得多！故N型半導體中的自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。19第19頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一

P型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴很容易吸引鄰近價電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。20第20頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一+4+4+3+4空穴P型半導體硼原子21第21頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一總結1、N型半導體中自由電子是多子（其中大部分是由摻雜提供的，本征半導體中受激產(chǎn)生的自由電子只占少數(shù)）

；空穴是少子。2、P型半導體中空穴是多子，自由電子是少子。3、少子的遷移雖然也能形成電流，但由于它們數(shù)量很少，起導電作用的主要是多子。近似認為多子濃度與雜質(zhì)濃度相等。22第22頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一雜質(zhì)半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體23第23頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一§1.2PN結及半導體二極管1.2.1PN結的形成在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結。24第24頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)PN結處載流子的運動由載流子濃度差而產(chǎn)生，使多子越過PN結流向?qū)Ψ?。由?nèi)電場而產(chǎn)生，使少子越過PN結流向?qū)Ψ健６弋a(chǎn)生的電流方向相反25第25頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬，漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場EPN結處載流子的運動內(nèi)電場就越強，漂移運動就加強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。26第26頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場EPN結處載流子的運動所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。27第27頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV028第28頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。3、P中的電子和N中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。請注意29第29頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一1.2.2PN結的單向?qū)щ娦?/p>

PN結加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負電壓。

PN結加上反向電壓、反向偏置的意思都是：P區(qū)加負、N區(qū)加正電壓。30第30頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一PN結正向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。31第31頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一PN結反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。32第32頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一1.2.3半導體二極管(1)、基本結構PN結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。引線外殼觸絲線基片點接觸型一般為鍺管，適于高頻、小功率。33第33頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一PN結面接觸型一般為硅管，適于低頻、中、大功率。PN34第34頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一(2)、伏安特性反向擊穿電壓U(BR)UImAμA反向電流特點：1隨溫度上升而快速增長2U<U(BR)時其值基本不變死區(qū)電壓：硅管0.6V,鍺管0.1～0.2V。導通壓降:硅管0.6~0.8V,鍺管0.2~0.3V。35第35頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一(3)、主要參數(shù)（1）最大整流電流IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。（2）反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^熱而燒壞。手冊上給出的反向工作峰值電壓URWM一般是UBR的一半。36第36頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（3）反向峰值電流IRM指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆睿虼朔聪螂娏髟叫≡胶?。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。37第37頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（4）微變電阻（動態(tài)電阻）rDiDvDIDVDQiDvDrD是二極管特性曲線工作點Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是Q點的動態(tài)電阻。38第38頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一

二極管究竟等效為何種元件，取決于它的外部工作條件---外加的電壓，有時還和頻率有關。 當外加電壓遠高于其導通電壓時，二極管表現(xiàn)為理想開關特性；——？ 當電壓遠小于導通電壓時則二極管表現(xiàn)為動態(tài)電阻，該電阻的阻值隨工作電壓不同而改變。

*當所加電壓的頻率較高時則還要考慮其結電容的影響。39第39頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一二極管的應用

主要是利用它的單向?qū)щ娦裕ㄕ?、限幅、保護等。下面先通過例題簡單介紹，以后經(jīng)常會在電路中遇到它的各種應用。40第40頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一微分電路例：二極管的應用之一：檢波RRLuiuRuotttuiuRuo41第41頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一含二極管電路分析方法：

先假設它導通（看作短路）或截止（看作開路），然后再按已學電路分析方法分析，若分析結果（二極管兩端電壓與電流）與原假設（導通或截止）的條件（正偏、零偏或反偏）矛盾，則再做相反假設，重新分析。二極管的其他應用： 限幅、續(xù)流、鉗位（見教材P7～9，自學）42第42頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一§1.3特殊二極管1.3.1穩(wěn)壓（二極）管顧名思義“穩(wěn)定電壓”？UIUZIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+-特點：1反向工作2反向擊穿可逆3反向特性曲線陡4反向擊穿電壓低mAmA43第43頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一穩(wěn)壓二極管的參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ（2）電壓溫度系數(shù)U（%/℃）穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。可取正負兩種值。（6V左右U≈0，最好）（3）動態(tài)電阻44第44頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流

Izmax、Izmin。（結合伏安特性講二者作用）（5）最大允許功耗45第45頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一Uo→IZ→IR→Uo＝（Ui－IR）？穩(wěn)壓（二極）管穩(wěn)壓電路 在電路中穩(wěn)壓管與適當?shù)碾? 阻配合才能起到穩(wěn)壓作用。UoUiIRIZUZRL46第46頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一練習與思考：1.1.1、1.2.1、1.5.1

作業(yè)：

作業(yè)集題目：1.1、1.2、1.3、1.4

（交作業(yè)要求：全部都交，下周的本節(jié)課前交。）

課后看書：

第1章除1.4節(jié)以外的所有內(nèi)容47第47頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一*1.3.2光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加注意小箭頭方向！48第48頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一*

1.3.3發(fā)光二極管有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。注意小箭頭方向！49第49頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一

§1.4半導體三極管（簡稱晶體管）

——電子技術最核心的基本元件作用：

（電流）放大50第50頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一1.4.1基本結構BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型51第51頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高結構上(不對稱）的這種特征是放大的內(nèi)部條件。52第52頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結集電結53第53頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一1.4.2電流放大原理BECNNPEBRBEc發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。IE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。IBE1進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IBE，多數(shù)“擴散”到集電結。54第54頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一BECNNPEBRBEcIE集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBO從基區(qū)擴散來的電子作為集電結基區(qū)一側的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。IC=ICE+ICBOICEIBE2ICEEC>EB55第55頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一IB=IBE-ICBOIBEIB3BECNNPEBRBEcIEICBOICEIC=ICE+ICBOICEIBE56第56頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一4ICE與IBE之比稱為電流放大倍數(shù)要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結正偏,集電結反偏（這是放大的外部條件）

；即：︱UBE︱<︱UCE︱并且對NPN型管滿足UBE>0，UCE>0； 對PNP型管滿足UBE<0，UCE<0。57第57頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管圖中所示各電流方向既是正方向，又是放大工作狀態(tài)下的實際方向，不得改變各電流標示方向！舊符號帶圓圈58第58頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一1.4.3特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

實驗線路輸入端IB、

UBE輸出端IC、

UCE

名詞解釋：四端（二端口)網(wǎng)絡共射極接法59第59頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一注意：1、各電流與電壓的符號與方向及其含義；2、統(tǒng)一按規(guī)范的電流與電壓的符號來標注;3、對PNP型管子，電源極性與NPN型管子 相反，UBE<0UCE<0;（雙下標不可對調(diào)）4、為滿足放大的外部條件， 須保證︱UBE︱<︱UCE︱60第60頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一1、輸入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V。61第61頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一2、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幾乎與UCE無關，只與IB有關，IC=IB。62第62頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCEUBE,集電結正偏，IB>IC，稱為飽和區(qū)。63第63頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。64第64頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一3、主要參數(shù)前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接法，相應地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數(shù)：（1）電流放大倍數(shù)和65第65頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號?；鶚O電流的變化量為IB，相應的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數(shù)為：66第66頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一例：UCE=6V時：IB=40AIC=1.5mAIB=60AIC=2.3mA在以后的計算中，一般作近似處理：=67第67頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（2）集-基極反向截止電流ICBOAICBOICBO是集電結反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。68第68頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（3）集-射極反向截止電流ICEO（穿透電流）AICEOICEO≈（1＋）

ICBO69第69頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（4）集電極最大電流ICM集電極電流IC上升會導致三極管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。所以集電極電流應為：IC=

IB+ICEO而ICEO受溫度影響很大，當溫度上升時，ICEO增加很快，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。70第70頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（5）集-射極反向擊穿電壓當集---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。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)CEO。71第71頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（6）集電極最大允許功耗PCM集電極電流IC流過三極管，所發(fā)出的焦耳熱為：PC=ICUCE必定導致結溫上升，所以PC有限制。PCPCM72第72頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)（SOA）73第73頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一輸出特性三個區(qū)域的特點:放大區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結反偏。即：IC=IB,且IC=

IB(2)