半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)實(shí)用教案

1、第一章 半導(dǎo)體二極管和三極管1.1 1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.2 1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管1.3 1.3 晶體晶體(jngt)(jngt)三極管三極管第1頁/共37頁第一頁，共38頁。1 1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)二、雜質(zhì)(zzh)(zzh)半導(dǎo)體半導(dǎo)體三、三、PNPN結(jié)的形成結(jié)的形成(xngchng)(xngchng)及其單及其單向?qū)щ娦韵驅(qū)щ娦运?、四、PNPN結(jié)的電容結(jié)的電容(dinrng)(dinrng)效應(yīng)效應(yīng)第2頁/共37頁第二頁，共38頁。一、一、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)(wzh)稱為半導(dǎo)

2、體。本征半導(dǎo)體是純凈(chnjng)的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1 1、什么、什么(shn me)(shn me)是半導(dǎo)體？什么是半導(dǎo)體？什么(shn me)(shn me)是是本征半導(dǎo)體？本征半導(dǎo)體？ 導(dǎo)體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)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(dòng)，形成電流。 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(qiáng)，只有在外電場強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。 半導(dǎo)體硅（Si）、鍺（Ge），均為四價(jià)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。無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)第3頁/共37頁第三頁，共38頁。2 2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)(jigu)

3、(jigu)由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量(nngling)的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子自由電子(z yu din z)的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱為空穴 自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱為復(fù)合。共價(jià)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(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。動(dòng)態(tài)平衡第4頁/共37頁第四頁，共38頁。兩種載流子 外加電場時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動(dòng)方向相反。由于(yuy)載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？3 3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運(yùn)載(

4、ynzi)電荷的粒子稱為載流子。 溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)(zngqing)。 熱力學(xué)溫度0K時(shí)不導(dǎo)電。第5頁/共37頁第五頁，共38頁。二、雜質(zhì)二、雜質(zhì)(zzh)(zzh)半導(dǎo)體半導(dǎo)體 1. N 1. N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體5磷（P） 雜質(zhì)(zzh)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)(zzh)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)(dush)載流子 空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多了？少了？為什么？第6頁/共37頁第六頁，共38頁。2.2. P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體3硼（B）多數(shù)(dush)載流子 P型半導(dǎo)體主要(zhyo)靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性

5、越強(qiáng)， 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時(shí)，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同(xin tn)嗎？少子與多子濃度的變化相同(xin tn)嗎？第7頁/共37頁第七頁，共38頁。三、三、PNPN結(jié)的形成結(jié)的形成(xngchng)(xngchng)及其單及其單向?qū)щ娦韵驅(qū)щ娦?物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生(chnshng)的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。氣體、液體、固體均有之。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)P區(qū)空穴(kn xu)濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使靠近接觸面P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。第8頁/共37頁第八頁，共38頁。PN 結(jié)的形成結(jié)的形成(xngchng) 因電場

6、作用(zuyng)所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。 參與(cny)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運(yùn)動(dòng) 由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)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(yùn)動(dòng)。第9頁/共37頁第九頁，共38頁。PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通： 耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，由于外電源的作用，形成(xngchng)擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)加反向(fn xin)電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。PN 結(jié)的單向結(jié)的單向(dn xin)導(dǎo)電

7、性導(dǎo)電性必要嗎？第10頁/共37頁第十頁，共38頁。四、四、PN PN 結(jié)的電容結(jié)的電容(dinrng)(dinrng)效效應(yīng)應(yīng)1. 勢壘電容(dinrng) PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷(dinh)區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷(dinh)的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2. 擴(kuò)散電容 PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。dbjCCC結(jié)電容： 結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦裕〉?1頁/共37頁第十一頁，共38頁。問題問題(wnt)(w

8、nt) 為什么將自然界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能極差，又將其摻雜，改善導(dǎo)電性能？ 為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還是少子是影響(yngxing)溫度穩(wěn)定性的主要因素？ 為什么半導(dǎo)體器件有最高工作頻率？第12頁/共37頁第十二頁，共38頁。2 半導(dǎo)體二極管一、二極管的組成一、二極管的組成(z chn)二、二極管的伏安特性二、二極管的伏安特性(txng)及電流及電流方程方程三、二極管的等效電路三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)四、二極管的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓五、穩(wěn)壓(wn y)二極管二極管第13頁/共37頁第十三頁，共38頁。 一、二極管的組成(z chn)將PN結(jié)

9、封裝，引出(yn ch)兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。小功率(gngl)二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管第14頁/共37頁第十四頁，共38頁。 一、二極管的組成(z chn)點(diǎn)接觸型：結(jié)面積(min j)小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許(ynx)的電流大，最高工作頻率低。平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。第15頁/共37頁第十五頁，共38頁。 二、二極管的伏安特性及電流(dinli)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Si0.5V0.50.8V1A以下鍺鍺Ge0.1V0.10

10、.3V幾十A)(ufi 開啟(kiq)電壓反向(fn xin)飽和電流擊穿電壓mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常溫下溫度的電壓當(dāng)量二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。第16頁/共37頁第十六頁，共38頁。第17頁/共37頁第十七頁，共38頁。利用利用Multisim測試二極管伏安測試二極管伏安(f n)特性特性第18頁/共37頁第十八頁，共38頁。從二極管的伏安特性可以(ky)反映出： 1. 單向?qū)щ娦訲eSTUuIiUu，則若正向電壓) 1e (TSUuIi2. 伏安特性(txng)受溫度影響T（）在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向(zhn x

11、in)特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線增大1倍/10STIiUu，則若反向電壓第19頁/共37頁第十九頁，共38頁。三、二極管的等效電路三、二極管的等效電路理想(lxing)二極管近似分析(fnx)中最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時(shí) UD0截止時(shí)IS0導(dǎo)通時(shí)UDUon截止時(shí)IS0導(dǎo)通時(shí)i與u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同(b tn)情況選擇不同(b tn)的等效電路！1. 將伏安特性折線化？100V？5V？1V？第20頁/共37頁第二十頁，共38頁。2. 2. 微變等效電路微變等效電路DTDDdIUiur根據(jù)電流方程，Q越高，rd越小。 當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)(jch)上有一動(dòng)態(tài)信號作用時(shí)

12、，則可將二極管等效為一個(gè)電阻，稱為動(dòng)態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時(shí)直流電源作用(zuyng)小信號(xnho)作用靜態(tài)電流第21頁/共37頁第二十一頁，共38頁。四、二極管的主要參數(shù)四、二極管的主要參數(shù) 最大整流(zhngli)電流IF：最大平均值 最大反向工作電壓UR：最大瞬時(shí)值 反向電流 IR：即IS 最高工作頻率fM：因PN結(jié)有電容效應(yīng)第四版P20第22頁/共37頁第二十二頁，共38頁。討論討論(toln)：解決兩個(gè)問題：解決兩個(gè)問題如何判斷二極管的工作狀態(tài)？如何判斷二極管的工作狀態(tài)？什么什么(shn me)情況下應(yīng)選用二極管的什么情況下應(yīng)選用二極管的什么(shn me)等效電路

13、？等效電路？uD=ViRQIDUDRuViDDV與uD可比，則需圖解(tji)：實(shí)測特性 對V和Ui二極管的模型有什么不同？第23頁/共37頁第二十三頁，共38頁。五、穩(wěn)壓五、穩(wěn)壓(wn y)二極管二極管1. 伏安(f n)特性進(jìn)入穩(wěn)壓(wn y)區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流 由一個(gè)PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。2. 主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流IZ最大功耗PZM IZM UZ動(dòng)態(tài)電阻rzUZ /IZ 若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會(huì)因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！限流電阻斜率？第24頁/共37頁第

14、二十四頁，共38頁。1.3 1.3 晶體晶體(jngt)(jngt)三極管三極管一、晶體管的結(jié)構(gòu)一、晶體管的結(jié)構(gòu)(jigu)和符和符號號二、晶體管的放大二、晶體管的放大(fngd)原原理理三、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)第25頁/共37頁第二十五頁，共38頁。多子(du z)濃度高多子(du z)濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個(gè)極、三個(gè)區(qū)、兩個(gè)PN結(jié)。小功率管中功率管大功率管為什么有孔？第26頁/共37頁第二十六頁，共38頁。二、晶體管的放大二、晶體管的放大(fngd)原理原理（集

15、電結(jié)反偏），即（發(fā)射結(jié)正偏）放大的條件BECECBonBE0uuuUu 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成(xngchng)發(fā)射極電流IE，復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成(xngchng)基極電流IB，漂移運(yùn)動(dòng)形成(xngchng)集電極電流IC。少數(shù)(shosh)載流子的運(yùn)動(dòng)因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴(kuò)散到基區(qū)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?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴(kuò)散第27頁/共37頁第二十七頁，共38頁。 電流分配：電流分配： IE IEIBIBICIC IE IE擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成(xngchng)(xngchng)的電流的電流 IB

16、IB復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成(xngchng)(xngchng)的電流的電流 IC IC漂移運(yùn)動(dòng)形成漂移運(yùn)動(dòng)形成(xngchng)(xngchng)的電流的電流CBOCEOBCBC)(1 IIiiII穿透電流集電結(jié)反向(fn xin)電流直流電流放大系數(shù)交流(jioli)電流放大系數(shù)為什么基極開路集電極回路會(huì)有穿透電流？第28頁/共37頁第二十八頁，共38頁。三、晶體管的共射輸入三、晶體管的共射輸入(shr)特性特性和輸出特性和輸出特性CE)(BEBUufi 為什么UCE增大(zn d)曲線右移？ 對于小功率晶體管，UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以取代(qdi)UCE大于1V的所有輸入特性

17、曲線。為什么像PN結(jié)的伏安特性？為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了？1. 輸入特性第29頁/共37頁第二十九頁，共38頁。2. 2. 輸出特性輸出特性B)(CECIufi 是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下 ?對應(yīng)(duyng)于一個(gè)IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。 為什么uCE較小時(shí)(xiosh)iC隨uCE變化很大？為什么進(jìn)入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？飽和(boh)區(qū)放大區(qū)截止區(qū)BiCi常量CEBCUii第30頁/共37頁第三十頁，共38頁。晶體管的三個(gè)工作晶體管的三個(gè)工作(gngzu)區(qū)域區(qū)域 晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，輸出回路的電流 iC幾乎僅僅(jnjn)決定于輸

18、入回路的電流 iB，即可將輸出回路等效為電流 iB 控制的電流源iC 。狀態(tài)狀態(tài)uBEiCuCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE飽和飽和 UoniB uBE第31頁/共37頁第三十一頁，共38頁。四、溫度對晶體管特性四、溫度對晶體管特性(txng)的影響的影響B(tài)EBBBECEO )(uiiuIT不變時(shí)，即不變時(shí)第32頁/共37頁第三十二頁，共38頁。五、主要參數(shù)五、主要參數(shù) 直流參數(shù)： 、 、ICBO、 ICEOc-e間擊穿(j chun)電壓最大集電極電流(dinli)最大集電極耗散(ho sn)功率，PCMiCuCE安全工作區(qū) 交流參數(shù)：、fT（使1的信號頻率） 極限參數(shù)：ICM、PCM、U（BR）CEOECII1ECii第33頁/共37頁第三十三頁，共38頁。討論討