北郵模電第一講半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)概要

北郵模電第一講-半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)概要北郵模電第一講-半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)概要北郵模電第一講-半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)概要參考書目《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》，董詩白等，高等教育出版社，面向21世紀(jì)課程教材《電子技術(shù)基礎(chǔ)》,康華光,高教出版社《電子線路基礎(chǔ)》,高文煥,高教出版社2020/12/192北郵模電第一講-半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)概要北郵模電第一講-半導(dǎo)體器件1參考書目《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》，董詩白等，高等教育出版社，面向21世紀(jì)課程教材《電子技術(shù)基礎(chǔ)》,康華光,高教出版社《電子線路基礎(chǔ)》,高文煥,高教出版社2024/4/22參考書目《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》，董詩白等，高等教育出版社，面向主要內(nèi)容1.1半導(dǎo)體及其特性1.2PN結(jié)及其特性1.3半導(dǎo)體二極管1.4半導(dǎo)體三極管及其工作原理1.5三極管的共射特性曲線及主要參數(shù)2024/4/23主要內(nèi)容1.1半導(dǎo)體及其特性1.2PN結(jié)及其特性1.3本征半導(dǎo)體及其特性導(dǎo)體(Conductor)電導(dǎo)率＞105

鋁、金、鎢、銅等金屬，鎳鉻等合金。半導(dǎo)體(Semiconductor)電導(dǎo)率10-9~102硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、碳化鎵、重?fù)诫s多晶硅絕緣體(Insulator)電導(dǎo)率10-22~10-14二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等2024/4/24本征半導(dǎo)體及其特性導(dǎo)體(Conductor)電導(dǎo)率2、半導(dǎo)體性能半導(dǎo)體三大特性攙雜特性熱敏特性光敏特性本征半導(dǎo)體晶格完整（金剛石結(jié)構(gòu)）純凈（無雜質(zhì)）的半導(dǎo)體2024/4/252、半導(dǎo)體性能半導(dǎo)體三大特性攙雜特性熱敏特性光敏特性本征半導(dǎo)1、硅、鍺原子的簡(jiǎn)化模型半導(dǎo)體元素：均為四價(jià)元素GeSi+42024/4/261、硅、鍺原子的簡(jiǎn)化模型半導(dǎo)體元素：均為四價(jià)元素GeSi+4半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的描述兩種理論體系共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)能級(jí)能帶結(jié)構(gòu)2024/4/27半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的描述兩種理論體系2024/4/17共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)（平面圖）+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴價(jià)電子形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體2024/4/28共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)（平面圖）+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由半導(dǎo)體中的載流子載流子(Carrier)指半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中獲得運(yùn)動(dòng)能量的帶電粒子。有溫度環(huán)境就有載流子。絕對(duì)零度（-2730C）時(shí)晶體中無自由電子。2024/4/29半導(dǎo)體中的載流子載流子(Carrier)指半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中獲得熱激發(fā)（本征激發(fā)）本征激發(fā)

和溫度有關(guān)會(huì)成對(duì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)---自由電子(FreeElectron)---空穴(Hole)兩種載流子（帶電粒子）是半導(dǎo)體的重要概念。2024/4/210熱激發(fā)（本征激發(fā)）本征激發(fā)和溫度有關(guān)2024/4/110本征激發(fā)與復(fù)合合二為一一分為二本征激發(fā)復(fù)合2024/4/211本征激發(fā)與復(fù)合合二為一一分為二本征激發(fā)復(fù)合2024雜質(zhì)半導(dǎo)體(ImpuritySemiconductor)雜質(zhì)半導(dǎo)體：在純凈半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)所形成。雜質(zhì)半導(dǎo)體分兩大類：N型(Ntype)半導(dǎo)體P型(Ptype)半導(dǎo)體2024/4/212雜質(zhì)半導(dǎo)體(ImpuritySemiconduct1、N型半導(dǎo)體施主雜質(zhì)(Donorimpurities)

：摻入五價(jià)元素，如磷(P)、砷(As)、銻(Sb)。正離子狀態(tài)：失去多余電子后束縛在晶格內(nèi)不能移動(dòng)。2024/4/2131、N型半導(dǎo)體施主雜質(zhì)(Donorimpurities)圖示：N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖五價(jià)原子自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+52024/4/214圖示：N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖五價(jià)自由+4+4+4+4+4+41、N型半導(dǎo)體自由電子數(shù)=空穴數(shù)+施主雜質(zhì)數(shù)少子(Minority)：空穴(Hole)多子(Majority)：自由電子(FreeElectron)N型半導(dǎo)體：電子型半導(dǎo)體2024/4/2151、N型半導(dǎo)體自由電子數(shù)=空穴數(shù)+施主雜質(zhì)數(shù)少2、P型半導(dǎo)體受主雜質(zhì)(Acceptorimpurities)

：摻入三價(jià)元素，如硼(B)、鋁(Al)、銦(In)。負(fù)離子狀態(tài)：易接受其它自由電子2024/4/2162、P型半導(dǎo)體受主雜質(zhì)(Acceptorimpuriti圖示：P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖三價(jià)原子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3空穴空位2024/4/217圖示：P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖三價(jià)+4+4+4+4+4+4+4P型半導(dǎo)體空穴數(shù)=自由電子數(shù)+受主雜質(zhì)數(shù)少子(Minority：自由電子(FreeElectron)多子(Majority)：空穴(Hole)P型半導(dǎo)體：空穴型半導(dǎo)體2024/4/218P型半導(dǎo)體空穴數(shù)=自由電子數(shù)+受主雜質(zhì)數(shù)少子(雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體少子濃度主要由本征激發(fā)決定的雜質(zhì)半導(dǎo)體多子濃度由攙雜濃度決定（是固定的）幾乎與溫度無關(guān)對(duì)溫度變化敏感雜質(zhì)半導(dǎo)體就整體來說還是呈電中性的2024/4/219雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體少子濃度主要由本征激發(fā)決定的半導(dǎo)體中的電流是由電場(chǎng)力引起的載流子定向運(yùn)動(dòng)漂移電流(DriftCurrent)擴(kuò)散電流(DiffusionCurrent)由載流子濃度、遷移速度、外加電場(chǎng)強(qiáng)度等決定是由載流子濃度不均勻（濃度梯度）造成的擴(kuò)散電流與濃度本身無關(guān)2024/4/220半導(dǎo)體中的電流是由電場(chǎng)力引起的載流子定向運(yùn)動(dòng)漂移電流(Dri§1.2PN結(jié)及其特性

PN結(jié)是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的核心結(jié)構(gòu)。PN結(jié)是指使用半導(dǎo)體工藝使N型和P型半導(dǎo)體結(jié)合處所形成的特殊結(jié)構(gòu)。PN結(jié)是半導(dǎo)體器件的心臟。2024/4/221§1.2PN結(jié)及其特性PN結(jié)是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的核心結(jié)構(gòu)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。勢(shì)壘區(qū)，也稱耗盡層。PN結(jié)的形成2024/4/222P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N說明：（1）空間電荷區(qū)（耗盡層、勢(shì)壘區(qū)、高阻區(qū)）內(nèi)幾乎沒有載流子，其厚度約為0.5μｍ（2）內(nèi)電場(chǎng)的大小硅半導(dǎo)體：鍺半導(dǎo)體：（3）當(dāng)兩邊的摻雜濃度相等時(shí)，PN結(jié)是對(duì)稱的當(dāng)兩邊的摻雜濃度不等時(shí)，PN結(jié)不對(duì)稱（4）從宏觀上看，自由狀態(tài)下，PN結(jié)中無電流2024/4/223說明：（1）空間電荷區(qū)（耗盡層、勢(shì)壘區(qū)、高阻區(qū)）內(nèi)幾乎沒有載－－－－++++PN－－－－++++E+_R1、PN結(jié)正向偏置——P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，能夠形成較大的擴(kuò)散電流。正向電流正向?qū)?024/4/224－－－－++++PN－－－－++++E+_R1、PN結(jié)正向內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)+_RE2、PN結(jié)反向偏置——P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓－－－－++++PN－－－－++++－－－－++++變厚內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子的漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。反向截止2024/4/225內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)+_RE2、PN結(jié)反向偏置——P區(qū)加負(fù)、N三、半導(dǎo)體二極管

PN伏安曲線兩種擊穿：（1）齊納擊穿（場(chǎng)致激發(fā)）（2）雪崩擊穿（碰撞激發(fā)）UI死區(qū)電壓硅管0.4V鍺管0.1V反向擊穿電壓UBR導(dǎo)通電壓:硅管0.7V鍺管0.3V開啟電壓:硅管0.6V鍺管0.2V2024/4/226三、半導(dǎo)體二極管PN伏安曲線兩種擊穿：（1）齊納擊穿（場(chǎng)致二極管特性的解析式

伏安表達(dá)式：常溫下則當(dāng)時(shí)，，反向電流基本不變2024/4/227二極管特性的解析式伏安表達(dá)式：常溫下則當(dāng)二極管的等效電阻直流等效電阻也稱靜態(tài)電阻：交流等效電阻：常溫下2024/4/228二極管的等效電阻直流等效電阻也稱靜態(tài)電阻：交流等效電阻：常溫二極管的主要參數(shù)

最大整流電流IM：IM是二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)允許通過的最大正向平均電流反向擊穿電壓UBR：UBR是二極管反向電流明顯增大，超過某個(gè)規(guī)定值時(shí)的反向電壓反向電流IS：IS是二極管未擊穿時(shí)的反向飽和電流。IS愈小，二極管的單向?qū)щ娦宰罡吖ぷ黝l率fM：fM是二極管工作的上限頻率愈好，IS對(duì)溫度非常敏感2024/4/229二極管的主要參數(shù)最大整流電流IM：IM是二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)允例1:

二極管電路分析理想二極管的特性（1）反向擊穿電壓遠(yuǎn)大于外加信號(hào)電壓（2）反向電流為零（3）導(dǎo)通壓降為零uiuott2024/4/230例1:二極管電路分析理想二極管的特性（1）反向擊穿電壓遠(yuǎn)大例2:

二極管“與”門(UD=0.3V)2024/4/231例2:二極管“與”門(UD=0.3V)2024/4/UI-IZ-IZM

UZ

IZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。UZ動(dòng)態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。五、穩(wěn)壓二極管+-2024/4/232UI-IZ-IZMUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。（3）最大穩(wěn)定電流IZM（5）最大允許功耗2、穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓

UZ（2）穩(wěn)定電流IZ（4）動(dòng)態(tài)電阻1、特點(diǎn)：反向擊穿區(qū)非常陡峭。正常工作時(shí)處于反向擊穿穩(wěn)壓二極管狀態(tài)，工作點(diǎn)設(shè)在陡峭曲線的中間部分。2024/4/233（3）最大穩(wěn)定電流IZM（5）最大允許功耗2、穩(wěn)壓二極管的參#不加R可以嗎？穩(wěn)壓二極管應(yīng)用當(dāng)不變時(shí)：當(dāng)不變時(shí)：2024/4/234#不加R可以嗎？穩(wěn)壓二極管應(yīng)用當(dāng)不變時(shí)：當(dāng)一、基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型§1.4半導(dǎo)體三極管BECIBIEICBECIBIEIC2024/4/235一、基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極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)：摻雜濃度較高一、基本結(jié)構(gòu)發(fā)射結(jié)集電結(jié)工作條件：發(fā)射結(jié)加正向電壓集電結(jié)加反向電壓2024/4/236BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面二、電流放大原理BECNNPEBRBECIE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE

，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。1、晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)（以NPN型管為例）2024/4/237二、電流放大原理BECNNPEBRBECIE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)BECNNPEBRBECIEIC=ICEICE從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。1、晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)（以NPN型管為例）IB二、電流放大原理2024/4/238BECNNPEBRBECIEIC=ICEICE從基區(qū)擴(kuò)散來的二、電流放大原理IBBECNNPEBRBECIEICEIC+-+iB+iC+iE直流放大倍數(shù)交流放大倍數(shù)2024/4/239二、電流放大原理IBBECNNPEBRBECIEICEIC+二、電流放大原理共基直流電流放大倍數(shù)以發(fā)射極直流電流IE作為輸入電流，以集電極直流電流IC作為輸出電流共基交流電流放大倍數(shù)2024/4/240二、電流放大原理共基直流電流放大倍數(shù)以發(fā)射極直流電流IE作為三極管的工作狀態(tài)放大狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。VBB

大于發(fā)射結(jié)開啟電壓飽和狀態(tài)：兩個(gè)PN結(jié)均正偏。集電極電壓降低，漂移作用減弱，失去放大能力截止?fàn)顟B(tài)：VBB

小于發(fā)射結(jié)開啟電壓，發(fā)射結(jié)反偏或零偏；集電結(jié)反偏。IB、IC和IE

都非常小倒置狀態(tài)：相當(dāng)于集、發(fā)對(duì)調(diào)使用,不能正常工作2024/4/241三極管的工作狀態(tài)放大狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。VBB五、特性曲線1、實(shí)驗(yàn)線路ICmA

AVVUCEUBERBIBECEB輸入特性曲線IB=f(UBE)|UCE=常數(shù)

輸出特性曲線IC=f(UCE)|IB=常數(shù)2024/4/242五、特性曲線1、實(shí)驗(yàn)線路ICmAAVVUCEUBERBIBUCE1VIB(

A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V鍺管UBE0.2~0.3VUCE=0VUCE=0.5V

死區(qū)電壓硅管0.5V鍺管0.2V2、輸入特性2024/4/243UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.4IB(

A)UBE(V)204060800.40.8輸入特性曲線的特點(diǎn)（1）UCE=0，相當(dāng)于兩個(gè)二極管并聯(lián)運(yùn)用。（2）UCE≠0時(shí)，整個(gè)曲線往右移當(dāng)UCE＞0.5V后，曲線幾乎重合（3）有一門限電壓──晶體管開始導(dǎo)通時(shí)的基極電壓（硅管0.5V，鍺管0.1V）（4）晶體管正常工作時(shí)，發(fā)射結(jié)的壓降變化不大（硅管0.7V，鍺管0.3V）（5）輸入特性是非線性的2024/4/244IB(A)UBE(V)204060800.40.8輸入特性IC(mA)1234UCE(V)3691260AIB=020A40A80A100A2、輸出特性2024/4/245IC(mA)1234UCE(V)3691260AIB=IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A★放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。曲線平行等距，曲線的疏密反映了★截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。IC≠βIB，IC=ICEO，此時(shí)VBE<0.5v（4）整個(gè)曲線可分為三個(gè)區(qū)★飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。IC≠βIB,，UCE0.3V輸出特性曲線的特點(diǎn)（1）當(dāng)IB=0時(shí)，IC≠0。這時(shí)的IC就是ICEO。（2）UCE=0時(shí)，IC=0。發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子不能被集電區(qū)所收集。當(dāng)UCE＜1V，UCE↑→IC↑。（3）UCE>1V以后，隨著UCE的增加，IC幾乎不變。曲線幾乎平行等距。并且IB越大，曲線越往上移。β的大小。β=ΔIC/ΔIB，IC受IB控制。2024/4/246IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020例：UCE=6V時(shí)：IB=40A,IC=1.7mA；

IB=60A,IC=2.5mA。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A2024/4/247例：UCE=6V時(shí)：IC(mA)1234UCE(V)36頻率參數(shù)

fβ──截止頻率

fT──特征頻率

1βfβmaxfT