《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課件-1 半導(dǎo)體基本知識(shí)

電子技術(shù)基礎(chǔ)1.半導(dǎo)體基本知識(shí)任務(wù)目標(biāo)：1.

熟悉本征半導(dǎo)體；2.

熟悉雜質(zhì)半導(dǎo)體；3.

掌握PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?。一、本征半?dǎo)體(intrinsicsemiconductors)1.半導(dǎo)體(semiconductor)共價(jià)鍵Covalentbond價(jià)電子晶體中的價(jià)電子與共價(jià)鍵+4+4+4+4+4+4+4+4+42.本征半導(dǎo)體(intrinsicsemiconductors)純凈的、不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。共價(jià)鍵Covalentbond價(jià)電子晶體中的價(jià)電子與共價(jià)鍵+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半導(dǎo)體中的載流子+4+4+4+4+4+4+4+4+4帶正電的空穴hole帶負(fù)電的自由電子Freeelectron本征半導(dǎo)體中的兩種載流子：帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。本征載流子的濃度對(duì)溫度十分敏感+4+4+4+4+4+4+4+4+4電子-空穴對(duì)二、雜質(zhì)半導(dǎo)體1.N型（或電子型）半導(dǎo)體(N-typesemiconductor)在本征半導(dǎo)體中摻入某種特定的雜質(zhì)，就成為雜質(zhì)半導(dǎo)體。在4價(jià)的硅或鍺中摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)元素，+5+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子失去自由電子的雜質(zhì)原子固定在晶格上不能移動(dòng)，并帶有正電荷，稱為正離子。+5+4+4+4+4+4+4+4+4多數(shù)載流子Majoritycarrier少數(shù)載流子Minoritycarrier2.P型半導(dǎo)體(P-typesemiconductor)在硅或鍺晶體中摻入少量的3價(jià)雜質(zhì)元素，+3+4+4+4+4+4+4+4+4空位+3+4+4+4+4+4+4+4+4空穴多數(shù)載流子少數(shù)載流子三、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.PN結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)-++++++++++++-----------空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)Uho又稱耗盡層，即PN結(jié)。最終擴(kuò)散(diffusion)運(yùn)動(dòng)與漂移(drift)運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，PN結(jié)中總電流為零。內(nèi)電場(chǎng)又稱阻擋層，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，卻有利于漂移運(yùn)動(dòng)。硅約為（0.6~0.8）V鍺約為（0.2~0.3）V擴(kuò)散漂移-++++++++++++-----------2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦约诱螂妷赫螂娏魍怆妶?chǎng)削弱了內(nèi)電場(chǎng)有利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，不利于漂移運(yùn)動(dòng)?？臻g電荷區(qū)變窄+-U-++++++++++++-----------RE耗盡層內(nèi)電場(chǎng)Uho-U外電場(chǎng)I加反向電壓稱為反向接法或反向偏置（簡(jiǎn)稱反偏）+-U-++++++++++++-----------RE內(nèi)電場(chǎng)

外電場(chǎng)Uho+U

空間電荷區(qū)外電場(chǎng)增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)有利于漂移運(yùn)動(dòng)，不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。I動(dòng)畫結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕赫驅(qū)ǎ聪蚪刂?。反向電?.半導(dǎo)體三極管任務(wù)目標(biāo)：1.熟悉三極管的結(jié)構(gòu)；2.掌握三極管中載流子的運(yùn)動(dòng)和電流分配關(guān)系；

3.熟悉三極管的特性曲線；4.掌握三極管的主要參數(shù)。半導(dǎo)體三極管晶體管(transistor)

雙極型三極管或簡(jiǎn)稱三極管制作材料：分類：它們通常是組成各種電子電路的核心器件。雙極型又稱為：硅或鍺NPN型PNP型一、三極管的結(jié)構(gòu)三個(gè)區(qū)發(fā)射區(qū)：雜質(zhì)濃度很高基區(qū)：雜質(zhì)濃度低且很薄集電區(qū)：無(wú)特別要求發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)cbeNPN型三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)兩個(gè)PN結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)三個(gè)電極發(fā)射極

e基極

b集電極

c集電極

ccollector基極

bbase發(fā)射極

eemitterNPNRbRcEBECecb發(fā)射極電流二、三極管中載流子的運(yùn)動(dòng)和電流分配關(guān)系發(fā)射:發(fā)射區(qū)大量電子向基區(qū)發(fā)射。2.復(fù)合和擴(kuò)散：電子在基區(qū)中復(fù)合擴(kuò)散。3.收集：集電區(qū)將擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子收集到集電極。同時(shí)形成反向飽和電流ICBO。IEICIBICNIENIBNICBO集電極電流基極電流RbRcEBECecbIEICIBICNIENIBNICBOIC

=

ICN+

ICBOIE

=

ICN+

IBNIEN

=

ICN+

IBNIE

=

IENIE

=

IC+

IB整理以上公式得：IB

=

IBN-

ICBOβ≈ICIBIE

=

IC+

IB當(dāng)ICEO

<<

IC時(shí)，可得β稱為共射直流電流放大系數(shù)。ICEO

=（

1+β）ICBOICEO稱為穿透電流。IE=IC+IBIC

≈βIBIE=（1+β）IBβ=ΔICΔIBβ：共射交流電流放大系數(shù)。三、三極管的特性曲線1.輸入特性IB=f（UBE）UCE=

常數(shù)UCE=0VUCE=2V當(dāng)UCE大于某一數(shù)值后，各條輸入特性十分密集，通常用UCE

>1

時(shí)的一條輸入特性來(lái)代表。UBE/ViB/μAO

三極管的輸入特性UBEib+-UCE=0VBBRbbec

三極管的輸入回路2.輸出特性iC/mAOuCE/ViB=80μА6040200IC=f(UCE)IB=常數(shù)飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)：IB≤0的區(qū)域，IC

≈0，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都反偏。2.

放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏ΔIC=βΔIB

3.

飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都正偏，UCE較小，IC

基本不隨IB

而變化。當(dāng)UCE=UBE

時(shí)，為臨界飽和；當(dāng)UCE<UBE

時(shí)過(guò)飽和。截止區(qū)動(dòng)畫（a）（b）（c）[例]判斷圖示各電路中三極管的工作狀態(tài)。0.7VVT0.3VRbRcECEBVTRbRcECVT四、三極管的主要參數(shù)2.反向飽和電流β=ΔICΔIBβ≈ICIBβ

共射直流電流放大系數(shù)

集電極和基極之間的反向飽和電流ICBO

集電極和發(fā)射極之間的穿透電流

ICEOICEO=（1+）ICBOβ兩者滿足1.電流放大系數(shù)

共射電流放大系數(shù)β3.極限參數(shù)a.集電極最大允許電流

ICMiC/mAOuCE/V三極管的安全工作區(qū)過(guò)流區(qū)集射反向擊穿電壓U(BR)CEO集基反向擊穿電壓U(BR)CBOICUCE=PCM過(guò)壓區(qū)安全工作區(qū)ICM過(guò)損耗區(qū)U(BR)CEOc.極間反向擊穿電壓b.集電極最大允許耗散功率

PCM下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)五、PNP型三極管PNP型三極管的放大原理與NPN型基本相同，但外加電源的極性相反。~VBBuiRbRcVT+-uoVCC~VBBuiRbRcVT+-uoVCC首頁(yè)3.場(chǎng)效應(yīng)三極管任務(wù)目標(biāo)：1.掌握結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管；2.掌握絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管；3.熟悉場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)。場(chǎng)效應(yīng)三極管的分類：分類：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道N溝道P溝道P溝道一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)N型溝道耗盡層GDSGDSP+P+N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)柵極漏極源極2.工作原理UGS=0UGS<0UGS=UGS(off)⑴

當(dāng)UDS=0

時(shí)，UGS對(duì)耗盡層和導(dǎo)電溝道的影響。ID=0ID=0N型溝道GDSP+P+N型溝道GDSP+P+GDSP+P+IS=IDIDISIDISUGS=0，UDG<|UGS(off)|UGS<0，UDG<|UGS(off)|⑵.當(dāng)UDS＞0

時(shí)，UGS對(duì)耗盡層和ID的影響。NP+P+VGGVDDGDSNP+P+VDDGDS溝道較寬，ID

較大。溝道變窄，

ID

較小。NP+P+IDISVGGVDDP+P+IDISVGGVDDUGS<0，UDG=|UGS(off)|，UGS≤

UP

，UDG

>

|UGS(off)|，ID≈0，導(dǎo)電溝道夾斷。ID更小，導(dǎo)電溝道預(yù)夾斷。3.特性曲線⑴.轉(zhuǎn)移特性曲線ID=f（UGS）|UDS=常數(shù)GDSmAVVIDVGGVDD場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線測(cè)試電路Ｎ溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性

IDSSUP飽和漏極電流UGS/VID/mAO⑵.輸出特性曲線ID=f（UDS）|UGS=常數(shù)預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)|UGS(off)|8VIDSSUGS=0-4-2-6-8ID/mAUDS/VO|UDS-UGS|=|UP|可變電阻區(qū)：恒流區(qū)：又稱飽和區(qū)N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的漏極特性?shī)A斷區(qū)：夾斷電壓擊穿區(qū)：二、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管1.N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管⑴

結(jié)構(gòu)P型襯底N+N+BSGDSiO2鋁SGDBP型襯底N+SGDBN+⑵

工作原理N型溝道UGS>UT時(shí)形成導(dǎo)電溝道VGGUDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響IDP型襯底N+N+SGDBVGGN型溝道VDDUDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響⑶

特性曲線IDOUT2UT預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)恒流區(qū)ID/mAUDS/VOUGS/VID/mAO截止區(qū)2.N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管GDSBP型襯底N+N+SGDBN型溝道++++++耗盡型：UGS

=0

時(shí)有導(dǎo)電溝道。增強(qiáng)型：UGS

=