第一講半導體器件基礎

第一講半導體器件基礎第一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/32參考書目《模擬電子技術基礎》，董詩白等，高等教育出版社，面向21世紀課程教材《電子技術基礎》,康華光,高教出版社《電子線路基礎》,高文煥,高教出版社第二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/33主要內容1.1半導體及其特性1.2PN結及其特性1.3半導體二極管1.4半導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第三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/34本征半導體及其特性導體(Conductor)電導率＞105

鋁、金、鎢、銅等金屬，鎳鉻等合金。半導體(Semiconductor)電導率10-9~102硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、碳化鎵、重摻雜多晶硅絕緣體(Insulator)電導率10-22~10-14二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等第四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/352、半導體性能半導體三大特性攙雜特性熱敏特性光敏特性本征半導體晶格完整（金剛石結構）純凈（無雜質）的半導體第五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/361、硅、鍺原子的簡化模型半導體元素：均為四價元素GeSi+4第六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/37半導體結構的描述兩種理論體系共價鍵結構能級能帶結構第七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/38共價鍵結構（平面圖）+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴價電子形成共價鍵后，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，形成晶體第八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/39半導體中的載流子載流子(Carrier)指半導體結構中獲得運動能量的帶電粒子。有溫度環(huán)境就有載流子。絕對零度（-2730C）時晶體中無自由電子。第九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/310熱激發(fā)（本征激發(fā)）本征激發(fā)

和溫度有關會成對產生電子空穴對---自由電子(FreeElectron)---空穴(Hole)兩種載流子（帶電粒子）是半導體的重要概念。第十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/311本征激發(fā)與復合合二為一一分為二本征激發(fā)復合第十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/312雜質半導體(ImpuritySemiconductor)雜質半導體：在純凈半導體中摻入雜質所形成。雜質半導體分兩大類：N型(Ntype)半導體P型(Ptype)半導體第十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/3131、N型半導體施主雜質(Donorimpurities)：摻入五價元素，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不能移動。第十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/314圖示：N型半導體結構示意圖五價原子自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5第十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/3151、N型半導體自由電子數=空穴數+施主雜質數少子(Minority)：空穴(Hole)多子(Majority)：自由電子(FreeElectron)N型半導體：電子型半導體第十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/3162、P型半導體受主雜質(Acceptorimpurities)

：摻入三價元素，如硼(B)、鋁(Al)、銦(In)。負離子狀態(tài)：易接受其它自由電子第十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/317圖示：P型半導體結構示意圖三價原子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3空穴空位第十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/318P型半導體空穴數=自由電子數+受主雜質數少子(Minority：自由電子(FreeElectron)多子(Majority)：空穴(Hole)P型半導體：空穴型半導體第十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/319雜質半導體的載流子濃度雜質半導體少子濃度主要由本征激發(fā)決定的雜質半導體多子濃度由攙雜濃度決定（是固定的）幾乎與溫度無關對溫度變化敏感雜質半導體就整體來說還是呈電中性的第十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/320半導體中的電流是由電場力引起的載流子定向運動漂移電流(DriftCurrent)擴散電流(DiffusionCurrent)由載流子濃度、遷移速度、外加電場強度等決定是由載流子濃度不均勻（濃度梯度）造成的擴散電流與濃度本身無關第二十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/321§1.2PN結及其特性

PN結是構成半導體器件的核心結構。PN結是指使用半導體工藝使N型和P型半導體結合處所形成的特殊結構。PN結是半導體器件的心臟。第二十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/322P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++

擴散運動內電場E漂移運動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。內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。勢壘區(qū)，也稱耗盡層。PN結的形成第二十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/323說明：（1）空間電荷區(qū)（耗盡層、勢壘區(qū)、高阻區(qū)）內幾乎沒有載流子，其厚度約為0.5μｍ（2）內電場的大小硅半導體：鍺半導體：（3）當兩邊的摻雜濃度相等時，PN結是對稱的當兩邊的摻雜濃度不等時，PN結不對稱（4）從宏觀上看，自由狀態(tài)下，PN結中無電流第二十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/324－－－－++++PN－－－－++++E+_R1、PN結正向偏置——P區(qū)加正、N區(qū)加負電壓內電場外電場變薄內電場被削弱，多子的擴散加強，能夠形成較大的擴散電流。正向電流正向導通第二十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/325內電場外電場+_RE2、PN結反向偏置——P區(qū)加負、N區(qū)加正電壓－－－－++++PN－－－－++++－－－－++++變厚內電場被加強，多子的擴散受抑制。少子的漂移加強，但少子數量有限，只能形成較小的反向電流。反向截止第二十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/326三、半導體二極管

PN伏安曲線兩種擊穿：（1）齊納擊穿（場致激發(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導通電壓:硅管0.7V鍺管0.3V開啟電壓:硅管0.6V鍺管0.2V第二十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/327二極管特性的解析式

伏安表達式：常溫下則當時，，反向電流基本不變第二十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/328二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：常溫下第二十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/329二極管的主要參數

最大整流電流IM：IM是二極管長期運行時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，超過某個規(guī)定值時的反向電壓反向電流IS：IS是二極管未擊穿時的反向飽和電流。IS愈小，二極管的單向導電性最高工作頻率fM：fM是二極管工作的上限頻率愈好，IS對溫度非常敏感第二十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/330例1:

二極管電路分析理想二極管的特性（1）反向擊穿電壓遠大于外加信號電壓（2）反向電流為零（3）導通壓降為零uiuott第三十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/331例2:

二極管“與”門(UD=0.3V)第三十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/332UI-IZ-IZMUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。UZ動態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。五、穩(wěn)壓二極管+-第三十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/333（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:（1）穩(wěn)定電壓

UZ（2）穩(wěn)定電流IZ（4）動態(tài)電阻1、特點：反向擊穿區(qū)非常陡峭。正常工作時處于反向擊穿穩(wěn)壓二極管狀態(tài)，工作點設在陡峭曲線的中間部分。第三十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/334#不加R可以嗎？穩(wěn)壓二極管應用當不變時：當不變時：第三十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/335一、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§1.4半導體三極管BECIBIEICBECIBIEIC第三十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/336BECNNP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、基本結構發(fā)射結集電結工作條件：發(fā)射結加正向電壓集電結加反向電壓第三十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/337二、電流放大原理BECNNPEBRBECIE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。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

，多數擴散到集電結。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。1、晶體管內部載流子的運動（以NPN型管為例）第三十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/338BECNNPEBRBECIEIC=ICEICE從基區(qū)擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。1、晶體管內部載流子的運動（以NPN型管為例）IB二、電流放大原理第三十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/339二、電流放大原理IBBECNNPEBRBECIEICEIC+-+iB+iC+iE直流放大倍數交流放大倍數第三十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/340二、電流放大原理共基直流電流放大倍數以發(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第四十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/341三極管的工作狀態(tài)放大狀態(tài)：發(fā)射結正偏，集電結反偏。VBB

大于發(fā)射結開啟電壓飽和狀態(tài)：兩個PN結均正偏。集電極電壓降低，漂移作用減弱，失去放大能力截止狀態(tài)：VBB

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

都非常小倒置狀態(tài)：相當于集、發(fā)對調使用,不能正常工作第四十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/342五、特性曲線1、實驗線路ICmAAVVUCEUBERBIBECEB輸入特性曲線IB=f(UBE)|UCE=常數

輸出特性曲線IC=f(UCE)|IB=常數第四十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/343UCE1VIB(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、輸入特性第四十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/344IB(A)UBE(V)204060800.40.8輸入特性曲線的特點（1）UCE=0，相當于兩個二極管并聯(lián)運用。（2）UCE≠0時，整個曲線往右移當UCE＞0.5V后，曲線幾乎重合（3）有一門限電壓──晶體管開始導通時的基極電壓（硅管0.5V，鍺管0.1V）（4）晶體管正常工作時，發(fā)射結的壓降變化不大（硅管0.7V，鍺管0.3V）（5）輸入特性是非線性的第四十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/345IC(mA)1234UCE(V)3691260AIB=020A40A80A100A2、輸出特性第四十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/346IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A★放大區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結反偏。曲線平行等距，曲線的疏密反映了★截止區(qū)：發(fā)射結反偏，集電結反偏。IC≠βIB，IC=ICEO，此時VBE<0.5v（4）整個曲線可分為三個區(qū)★飽和區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結正偏。IC≠βIB,，UCE0.3V輸出特性曲線的特點（1）當IB=0時，IC≠0。這時的IC就是ICEO。（2）UCE=0時，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。第四十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/347例：UCE=6V時：IB=40A,IC=1.7mA；

IB=60A,IC=2.5mA。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A第四十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一2023/6/348頻率參數

fβ──截止頻率

fT──特征頻率

1βfβmax