-半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)童詩白、華成英主編,主講人：葉雙智能與信息工程學(xué)院 電子技術(shù)教研室,第一章 常用半導(dǎo)體器件,§1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識,§1.2 半導(dǎo)體二極管,§1.3 晶體三極管,§1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識,一、本征半導(dǎo)體,二、雜質(zhì)半導(dǎo)體,三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?四、PN結(jié)的電容效應(yīng),一、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)稱為半導(dǎo)體。,1、什么是半導(dǎo)體？

2、特性，什么是本征半導(dǎo)體？,導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。,絕緣體－－惰性氣體、橡膠、塑料等，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)到一定程度時才可能導(dǎo)電。,半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價元素，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。,半導(dǎo)體的特性：,1、摻雜特性,2、熱敏特性,3、光敏特性,本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。

3、,2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu),由于熱運(yùn)動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子,自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴,自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復(fù)合。,共價鍵,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)動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。,外加電場時，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)動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。,本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性很差,3、本征半導(dǎo)

4、體中的兩種載流子,運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。,溫度升高，熱運(yùn)動加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。 熱力學(xué)溫度0K時不導(dǎo)電。,半導(dǎo)體和導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理是不一樣的,二、雜質(zhì)半導(dǎo)體 1. N型半導(dǎo)體,,磷（P）,雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)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)載流子,2. P型半導(dǎo)體,,硼（B）,多數(shù)載流子,P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，,在雜質(zhì)半導(dǎo)

5、體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？,,,P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,3. 導(dǎo)電性,,,,,+,-,,,,,,+,-,,,雙向?qū)щ娦?三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。氣體、液體、固體均有之。,P區(qū)空穴濃度遠(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。,,,內(nèi)電場,PN 結(jié)的形成,因電場作用所產(chǎn)生的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。,

6、參與擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。,由于擴(kuò)散運(yùn)動使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。,內(nèi)電場,PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通： 耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。,PN結(jié)加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動，有利于漂移運(yùn)動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其

7、截止。,,PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?必要嗎？,正向偏置,反向偏置,清華大學(xué) 華成英 hchya@tsinghua.edu.cn,四、PN 結(jié)的電容效應(yīng),1. 勢壘電容,PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷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，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。,結(jié)

8、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?§2 半導(dǎo)體二極管,一、二極管的組成,二、二極管的伏安特性及電流方程,三、二極管的等效電路,四、二極管的主要參數(shù),六、穩(wěn)壓二極管,五、二極管的應(yīng)用,一、二極管的組成,將PN結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。,小功率二極管,大功率二極管,穩(wěn)壓二極管,發(fā)光二極管,一、二極管的組成,點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。

9、,面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，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。,二、二極管的伏安特性及電流方程,開啟電壓,反向飽和電流,擊穿電壓,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。,mA,,從二極管的伏安特性可以反映出： 1. 單向?qū)щ娦?2. 伏安特性受溫度影響,T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓ →反向飽和

10、電流IS↑，U(BR) ↓T（℃）↑→正向特性左移，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/10℃,三、二極管的等效電路,理想二極管,近似分析中最常用,導(dǎo)通時△i與△u成線性關(guān)系,應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！,1. 將伏安特性折線化,,,,,,,2. 微變等效電路,Q越高，rd越小。,當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。,ui=0時直

11、流電源作用,小信號作用,靜態(tài)電流,四、二極管的主要參數(shù),最大整流電流IF：最大平均值最大反向工作電壓UR：最大瞬時值反向電流 IR：即IS最高工作頻率fM：因PN結(jié)有電容效應(yīng),第四版——P20,討論：解決兩個問題,如何判斷二極管的工作狀態(tài)？什么情況下應(yīng)選用二極管的什么等效電路？,,,uD=V－iR,ID,UD,V與uD可比，則需圖解：,實(shí)測特性,對V和Ui二極管的模型有什么不同？,五、二極管的主要應(yīng)用,1．主要應(yīng)用：整流、限幅、

12、箝位、檢波、鑒頻、電子開關(guān)等,2．應(yīng)用舉例,,,（1）二極管限幅電路,,（2）二極管整流電路,（3）二極管箝位電路,單相半波整流電路,1. 工作原理,u2的正半周，D導(dǎo)通， A→D→RL→B，uO= u2 。,,u2的負(fù)半周，D截止，承受反向電壓，為u2； uO=0。,單相橋式整流電路,u2的正半周 A→D1→RL→D3→B，uO= u2,u2的負(fù)半周 B →D2→RL→D4→ A，uO= -u2,四只管子如何接？,集

13、成的橋式整流電路稱為整流堆。,1. 工作原理,若接反了呢？,,,,,六、穩(wěn)壓二極管,1. 伏安特性,進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流,不至于損壞的最大電流,由一個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,動態(tài)電阻rz＝ΔUZ /ΔIZ,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

14、流電阻！,限流電阻,斜率？,七、其他類型的二極管,發(fā)光二極管,光電二極管,§1.3 晶體三極管,一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號,二、晶體管的放大原理,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,五、主要參數(shù),一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號,多子濃度高,多子濃度很低，且很薄,面積大,晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個PN結(jié)。,中功率管,大功率管,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)載流子濃度：發(fā)射區(qū)載流子濃度最高，集電區(qū)次之，基區(qū)很低。區(qū)的厚度：基

15、區(qū)很薄。結(jié)的厚度：集電結(jié)較發(fā)射結(jié)厚。,發(fā)射結(jié)：外加（較?。┲绷髡颍ㄆ茫╇妷海ü韫?.7V，鍺管0.2V）。集電結(jié)：外加（較大）直流反向（偏置）電壓（一般幾伏以上）。,二、晶體管的放大原理,擴(kuò)散運(yùn)動形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運(yùn)動形成基極電流IB，漂移運(yùn)動形成集電極電流IC。,少數(shù)載流子的運(yùn)動,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

16、擴(kuò)散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū),基區(qū)空穴的擴(kuò)散,電流分配： IE＝IB＋I(xiàn)C IE－擴(kuò)散運(yùn)動形成的電流 IB－復(fù)合運(yùn)動形成的電流 IC－漂移運(yùn)動形成的電流,穿透電流,集電結(jié)反向電流,直流電流放大系數(shù),交流電流放大系數(shù),,,,為什么基極開路集電極回路會有穿透電流？,,三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性,A,A,為什么UCE增大曲線右移？,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

17、？,1. 輸入特性,對于小功率晶體管，UCE等于1V的一條輸入特性曲線可以取代UCE大于1V的所有輸入特性曲線。,2. 輸出特性,對應(yīng)于一個IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。,,為什么uCE較小時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？,飽和區(qū),放大區(qū),截止區(qū),,分成三個區(qū)域，它們的特點(diǎn)是：截止區(qū)：IB≦0的區(qū)域。 特點(diǎn)：①發(fā)射結(jié)電壓小于開啟電壓或反偏；集電結(jié)反向偏壓。 ②IB

18、=0，IC=ICE0。放大區(qū)：曲線間距均勻的區(qū)域。 特點(diǎn)：①發(fā)射結(jié)外加正向電壓為導(dǎo)通電壓；集電結(jié)為反向偏壓，且數(shù)值較大。 ②IB>0，IC>0,IC=βIB, ΔiC=βΔiB飽和區(qū):臨界飽和線以左的區(qū)域. 特點(diǎn): ①發(fā)射結(jié)正向偏壓(大于或等于導(dǎo)通電壓),集電結(jié)正向偏壓。 ②IB>0，IC>0,但I(xiàn)C不受IB控制。 ③UCES≦0.3V。

19、,晶體管的三個工作區(qū)域,晶體管工作在放大狀態(tài)時，輸出回路的電流 iC幾乎僅僅決定于輸入回路的電流 iB，即可將輸出回路等效為電流 iB 控制的電流源iC 。,四、溫度對晶體管特性的影響,五、主要參數(shù),直流參數(shù)： 、 、ICBO、 ICEO,c-e間擊穿電壓,最大集電極電流,最大集電極耗散功率，PCM＝iCuCE,安全工作區(qū),交流參數(shù)：β、α、fT（使β＝1的信號頻率）,極限參數(shù)：ICM、PCM、U（BR）CEO,清華大學(xué) 華成

20、英 hchya@tsinghua.edu.cn,討論一,由圖示特性求出PCM、ICM、U （BR）CEO 、β。,uCE=1V時的iC就是ICM,U（BR）CEO,六、晶體管電路的基本問題和分析方法,三種工作狀態(tài),放大,I C = ? IB,發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏,飽和,I C ? ? IB,兩個結(jié)正偏,ICS = ? IBS 集電結(jié)零偏,臨界,截止,IB = 0, IC = 0,兩個結(jié)反偏,判斷導(dǎo)通還是截止：,U

21、BE > U(on) 則導(dǎo)通,以 NPN為 例：,UBE < U(on) 則截止,判斷飽和還是放大：,1. 電位判別法,NPN 管,UC > UB > UE,放大,UE < UC ? UB,飽和,PNP 管,UC < UB < UE,放大,UE > UC ? U B,飽和,2. 電流判別法,IB > IBS 則飽和,IB < IBS 則放大,三極管在線的判斷：工作

22、狀態(tài)、電極、類型、材料,[例1]：測量某NPN型硅BJT各電極對地的電壓值如下，試判別管子工作在什么區(qū)域？（1） UC ＝6V　 　UB ＝0.7V　 UE ＝0V（2） UC ＝6V　 　UB ＝4V　 UE ＝3.6V（3） UC ＝3.6V　 UB ＝4V　 UE ＝3.3V,解：,原則：,,對NPN管而言，放大時UC ＞ UB ＞ UE 對PNP管而言，放大時UC ＜ UB ＜UE,（1）放大區(qū)（2）截止區(qū)（3）飽和

23、區(qū),此管為NPN型,[例2]　某放大電路中BJT三個電極的電流如圖所示。 IA＝-2mA,IB＝-0.04mA,IC＝+2.04mA,試判斷管腳、管型。,解：電流判斷法?！　‰娏鞯恼较蚝蚄CL：IE=IB+ IC,,,,,,,,A,B,C,IA,IB,IC,C為發(fā)射極B為基極A為集電極。管型為NPN管。,例[3]：測得工作在放大電路中幾個晶體管三個電極的電位U1、U2、U3分別為： （1）U1=3.5V、U2=2.8

24、V、　U3=12V （2）U1=3V、　U2=2.8V、　U3=12V （3）U1=6V、　U2=11.3V、　U3=12V （4）U1=6V、　U2=11.8V、　U3=12V判斷它們是NPN型還是PNP型？是硅管還是鍺管？并確定e、b、c。,（1）U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅 （2）U1 b、U2 e、U3 c NPN 鍺 （3）U1 c、U2 b、