半導(dǎo)體器件概論課件

預(yù)祝各位同學(xué)在本門課程的學(xué)習(xí)中

取得優(yōu)異成績(jī)!

盧健康老師愿為大家學(xué)好本門課程盡心盡力！

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課程名稱：模擬與數(shù)字電子技術(shù)教材：電子技術(shù)（電工學(xué)II比電工技術(shù)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(shù)（教材第1～5章）

重點(diǎn)：第2、4兩章2、數(shù)字電子技術(shù)（教材第6～9章）

重點(diǎn)：第6、7兩章

3、電工電子應(yīng)用技術(shù)（電工學(xué)Ⅲ）第6章電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電子技術(shù)又可分為“信息電子技術(shù)”與“電力電子技術(shù)”二、課時(shí)分配：講課52，實(shí)驗(yàn)182三、講授、學(xué)習(xí)方法： 從管到路，管為路用，從小到大，逐步擴(kuò)展。

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

了解內(nèi)部機(jī)理，理解外部特性，熟悉主要參數(shù)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單電路，分析典型系統(tǒng)。

定性分析，定量估算3第一章半導(dǎo)體器件§1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)§1.2

PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管§1.3特殊二極管§1.4半導(dǎo)體三極管§1.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管5§1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.1.1導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)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(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。6

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)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(diǎn)。比如：當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)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(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。這一特性的利用揭開了電子技術(shù)發(fā)展史上新的一頁(yè)！7硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征半導(dǎo)體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。9硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子10共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子（價(jià)電子），常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力非常弱。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。+4+4+4+411+4+4+4+4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理自由電子空穴束縛電子（價(jià)電子）13本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引臨近的價(jià)電子（不是自由電子）來(lái)填補(bǔ)。填補(bǔ)的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移超女快男的演唱會(huì)，玉米花生前移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)（為什么？），因此可以認(rèn)為空穴是帶正電荷的載流子。14本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)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(duì)產(chǎn)生與消失（復(fù)合）溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。15N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)價(jià)電子，這個(gè)價(jià)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(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。17+4+4+5+4N型半導(dǎo)體多余電子－準(zhǔn)自由電子磷原子18N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體中的載流子的來(lái)源？1、由施主原子提供的準(zhǔn)自由電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的自由電子和空穴。注意：由于摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，由施主原子提供的準(zhǔn)自由電子濃度遠(yuǎn)大于原本征半導(dǎo)體空穴濃度；而自由電子增多又增加了復(fù)合的機(jī)會(huì)，故摻雜后N型半導(dǎo)體中的空穴數(shù)比原本征半導(dǎo)體中的空穴數(shù)小得多。因此，N型半導(dǎo)體中的空穴比自由電子少得多！故N型半導(dǎo)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+4+4+3+4空穴P型半導(dǎo)體硼原子21總結(jié)1、N型半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子濃度與雜質(zhì)濃度相等。22雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體23P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)空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)由載流子濃度差而產(chǎn)生，使多子越過(guò)PN結(jié)流向?qū)Ψ健Ｓ蓛?nèi)電場(chǎng)而產(chǎn)生，使少子越過(guò)PN結(jié)流向?qū)Ψ?。二者產(chǎn)生的電流方向相反25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，漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)就越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)就加強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。26漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。271、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P中的空穴、N中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。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(qǐng)注意291.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)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(fù)電壓。PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是：P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。30PN結(jié)正向偏置－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+_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。31PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚NP+_內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。321.2.3半導(dǎo)體二極管(1)、基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線外殼觸絲線基片點(diǎn)接觸型一般為鍺管，適于高頻、小功率。33PN結(jié)面接觸型一般為硅管，適于低頻、中、大功率。PN34(2)、伏安特性反向擊穿電壓U(BR)UImAμA反向電流特點(diǎn)：1隨溫度上升而快速增長(zhǎng)2U<U(BR)時(shí)其值基本不變死區(qū)電壓：硅管0.6V,鍺管0.1～0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.8V,鍺管0.2~0.3V。35(3)、主要參數(shù)（1）最大整流電流IOM二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)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(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過(guò)熱而燒壞。手冊(cè)上給出的反向工作峰值電壓URWM一般是UBR的一半。36（3）反向峰值電流IRM指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。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（4）微變電阻（動(dòng)態(tài)電阻）rDiDvDIDVDQiDvDrD是二極管特性曲線工作點(diǎn)Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是Q點(diǎn)的動(dòng)態(tài)電阻。38

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(shí)還和頻率有關(guān)。 當(dāng)外加電壓遠(yuǎn)高于其導(dǎo)通電壓時(shí)，二極管表現(xiàn)為理想開關(guān)特性；——？ 當(dāng)電壓遠(yuǎn)小于導(dǎo)通電壓時(shí)則二極管表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)電阻，該電阻的阻值隨工作電壓不同而改變。

*當(dāng)所加電壓的頻率較高時(shí)則還要考慮其結(jié)電容的影響。39二極管的應(yīng)用

主要是利用它的單向?qū)щ娦?，包括整流、限幅、保護(hù)等。下面先通過(guò)例題簡(jiǎn)單介紹，以后經(jīng)常會(huì)在電路中遇到它的各種應(yīng)用。40微分電路例：二極管的應(yīng)用之一：檢波RRLuiuRuotttuiuRuo41含二極管電路分析方法：

先假設(shè)它導(dǎo)通（看作短路）或截止（看作開路），然后再按已學(xué)電路分析方法分析，若分析結(jié)果（二極管兩端電壓與電流）與原假設(shè)（導(dǎo)通或截止）的條件（正偏、零偏或反偏）矛盾，則再做相反假設(shè)，重新分析。二極管的其他應(yīng)用： 限幅、續(xù)流、鉗位（見教材P7～9，自學(xué)）42§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(diǎn)：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)?？扇≌?fù)兩種值。（6V左右U≈0，最好）（3）動(dòng)態(tài)電阻44（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流

Izmax、Izmin。（結(jié)合伏安特性講二者作用）（5）最大允許功耗45Uo→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(dāng)?shù)碾? 阻配合才能起到穩(wěn)壓作用。UoUiIRIZUZRL46練習(xí)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*1.3.2光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU照度增加注意小箭頭方向！48*

1.3.3發(fā)光二極管有正向電流流過(guò)時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)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

§1.4半導(dǎo)體三極管（簡(jiǎn)稱晶體管）

——電子技術(shù)最核心的基本元件作用：

（電流）放大501.4.1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51BECNNP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(jié)構(gòu)上(不對(duì)稱）的這種特征是放大的內(nèi)部條件。52BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)531.4.2電流放大原理BECNNPEBRBEc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。IE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。IBE1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)。54BECNNPEBRBEcIE集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBO從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電子作為集電結(jié)基區(qū)一側(cè)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。IC=ICE+ICBOICEIBE2ICEEC>EB55IB=IBE-ICBOIBEIB3BECNNPEBRBEcIEICBOICEIC=ICE+ICBOICEIBE564ICE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(jié)正偏,集電結(jié)反偏（這是放大的外部條件）

；即：︱UBE︱<︱UCE︱并且對(duì)NPN型管滿足UBE>0，UCE>0； 對(duì)PNP型管滿足UBE<0，UCE<0。57BECIBIEICNPN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(shí)際方向，不得改變各電流標(biāo)示方向！舊符號(hào)帶圓圈581.4.3特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

實(shí)驗(yàn)線路輸入端IB、

UBE輸出端IC、

UCE

名詞解釋：四端（二端口)網(wǎng)絡(luò)共射極接法59注意：1、各電流與電壓的符號(hào)與方向及其含義；2、統(tǒng)一按規(guī)范的電流與電壓的符號(hào)來(lái)標(biāo)注;3、對(duì)PNP型管子，電源極性與NPN型管子 相反，UBE<0UCE<0;（雙下標(biāo)不可對(duì)調(diào)）4、為滿足放大的外部條件， 須保證︱UBE︱<︱UCE︱601、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。612、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(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時(shí)，IC幾乎與UCE無(wú)關(guān)，只與IB有關(guān)，IC=IB。62IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IB>IC，稱為飽和區(qū)。63IC(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)。643、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(diǎn)，稱為共射接法，相應(yīng)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工作于動(dòng)態(tài)的三極管，真正的信號(hào)是疊加在直流上的交流信號(hào)?；鶚O電流的變化量為IB，相應(yīng)的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數(shù)為：66例：UCE=6V時(shí)：IB=40AIC=1.5mAIB=60AIC=2.3mA在以后的計(jì)算中，一般作近似處理：=67（2）集-基極反向截止電流ICBOAICBOICBO是集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。68（3）集-射極反向截止電流ICEO（穿透電流）AICEOICEO≈（1＋）

ICBO69（4）集電極最大電流ICM集電極電流IC上升會(huì)導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為ICM。所以集電極電流應(yīng)為：IC=

IB+ICEO而ICEO受溫度影響很大，當(dāng)溫度上升時(shí)，ICEO增加很快，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。70（5）集-射極反向擊穿電壓當(dāng)集---射極之間的電壓UCE超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)，三極管就會(huì)被擊穿。手冊(cè)上給出的數(shù)值是25C、基極開路時(shí)的擊穿電壓U(BR)CEO。71（6）集電極最大允許功耗PCM集電極電流IC流過(guò)三極管，所發(fā)出的焦耳熱為：PC=ICUCE必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，所以PC有限制。PCPCM72ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)（SOA）73輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):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：︱UBE︱≥︱UCE︱

，

IB>IC，UCE0(3)截止區(qū)：

︱UB