第1讲半导体器件学习教案

1、会计学1第第1讲半导体器件讲半导体器件第一页，共35页。硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构(jigu)共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除去表示除去(ch q)(ch q)价电子后的原子价电子后的原子完全纯净的、结构完全纯净的、结构(jigu)完整的半导体晶体，称完整的半导体晶体，称为本征半导体。本征半导体的导电能力很弱。为本征半导体。本征半导体的导电能力很弱。第1页/共35页第二页，共35页。5.1.2杂质杂质(zzh)半导半导体体在本征半导体中掺入某些在本征半导体中掺入某些(mu xi)微量的杂微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。质，就会使半导体的导

2、电性能发生显著变化。N型半导体（主要载流子为电子型半导体（主要载流子为电子(dinz)，电子，电子(dinz)半导体）半导体）P型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）第2页/共35页第三页，共35页。N型半导体型半导体多余多余(duy)电子电子磷原子磷原子(yunz)硅原子硅原子(yunz)+N型硅表型硅表示示SiPSiSi硅或锗硅或锗 +少量磷少量磷 N型半导型半导体体第3页/共35页第四页，共35页。空穴空穴(kn xu)P型半导体型半导体硼原子硼原子(yunz)P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子(yunz)空穴被认为带一个单位的正电荷，

3、并且空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动可以移动硅或锗硅或锗 +少量硼少量硼 P型半导体型半导体第4页/共35页第五页，共35页。杂质杂质(zzh)半导体的示意表示法半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体第5页/共35页第六页，共35页。5.2.1 PN 结的形成结的形成(xngchng)在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造(zhzo)P型半导体和型半导体和N型半导体，经过载流子型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。结。5.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管第6页/共35页第七页

4、，共35页。P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动(yndng)第7页/共35页第八页，共35页。扩散扩散(kusn)的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运结处载流子的运动动内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移(pio y)运动越强，而漂移运动越强，而漂移(pio y)使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。第8页/共35页第九页，共35页。漂移运动P P型半导体型半

5、导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运结处载流子的运动动所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到(d do)平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。第9页/共35页第十页，共35页。5.2.2 PN结的单向结的单向(dn xin)导电性导电性 PN结加上正向电压、正向偏置结加上正向电压、正向偏置(pin zh)的意思都是：的意思都是： P区加正、区加正、N区加负电区加负电压。压。 PN结加上反向电压、反向偏置结加上反向电压、反向偏置(pin zh)的意

6、思都是：的意思都是： P区加负、区加负、N区加正电压。区加正电压。第10页/共35页第十一页，共35页。PN结正向结正向(zhn xin)偏置偏置+内电场减弱，使扩散加强内电场减弱，使扩散加强(jiqing)，扩散扩散飘移，正向电流大飘移，正向电流大空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+_正向电流正向电流第11页/共35页第十二页，共35页。PN结反向结反向(fn xin)偏置偏置+空间电荷区变厚空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散停止内电场加强，使扩散停止(tngzh)，有少量飘移，反向电流很小有少量飘移，反向电流很小反向反向(fn xin)饱和电流饱和电流很小，很小， A级级第12页/共

7、35页第十三页，共35页。5.2.3 半导体二极管半导体二极管(1)、基本、基本(jbn)结构结构PN结加上管壳和引线结加上管壳和引线(ynxin)，就成为半导体二极，就成为半导体二极管。管。PNPN符号符号阳极阳极阴极阴极第13页/共35页第十四页，共35页。(2)、伏安、伏安(f n)特性特性UI导通压降导通压降: : 硅管硅管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿(j chun)电压电压U(BR)死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.2V。UIE+-反向漏电流反向漏电流（很小，（很小， A级级）第14页/共35页第十五页，共35页。例例1：二极管：死区电压：二

8、极管：死区电压(diny)=0 .5V，正，正向压降向压降 0.7V(硅二极管硅二极管) 理想二极管：死区电压理想二极管：死区电压(diny)=0 ，正向，正向压降压降=0 RLuiuOuiuott二极管半波整流二极管半波整流第15页/共35页第十六页，共35页。5.3 稳压稳压(wn y)二极管二极管IZmax稳压二极管符号稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲稳压二极管特性曲线线IZmin当稳压二极管工当稳压二极管工作作(gngzu)在反在反向击穿状态下向击穿状态下,当当工作工作(gngzu)电电流流IZ在在Izmax和和 Izmin之间时之间时,其两其两端电压近似为常端电压近似为常数

9、数正向正向(zhn xin)同二极同二极管管稳定稳定电流电流稳定稳定电压电压第16页/共35页第十七页，共35页。例：稳压例：稳压(wn y)二极管的应用二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技术稳压二极管技术(jsh)数据为：稳压值数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻，负载电阻RL=2k，输入电压，输入电压ui=12V，限流电阻，限流电阻R=200 。若负载电阻变化范围为。若负载电阻变化范围为1.5 k 4 k ，是否还能稳压？，是否还能稳压？第17页/共35页第十八页，共35页。RLuiuORDZiiziLUZUZW=10V ui

10、=12VR=200 Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k (1.5 k 4 k ) iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA）RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA）RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）负载变化负载变化, ,但但i iZ Z仍在仍在12mA12mA和和2mA2mA之间之间, ,所以稳压管仍能起稳压作用所以稳压管仍能起稳压作用第18页/共3

11、5页第十九页，共35页。5.4 半导体三极管半导体三极管5.4.1 基本基本(jbn)结构结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型第19页/共35页第二十页，共35页。BECNPN型三极管型三极管BECPNP型三极管型三极管三极管符号三极管符号(fho)NPNCBEPNPCBE第20页/共35页第二十一页，共35页。BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂掺杂(chn z)浓度低浓度低集电区：集电区：面积面积(min j)较大较大发射区：掺发射区：掺杂浓度杂浓度(nngd)较高较高第21页/

12、共35页第二十二页，共35页。发射结发射结集电结集电结BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极+ + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + + + 第22页/共35页第二十三页，共35页。5.4.2 电流电流(dinli)放放大原理大原理BECNNPEBRBEc发射结发射结正偏，正偏，发射区发射区电子不电子不断断(bdun)向基向基区扩散区扩散，形成，形成发射极发射极电流电流IE。IE1进入进入(jnr)P区的电子少部区的电子少部分与基区

13、的空分与基区的空穴复合，形成穴复合，形成电流电流IB ，多，多数扩散到集电数扩散到集电结。结。IB 第23页/共35页第二十四页，共35页。BECNNPEBRBEcIE从基区扩从基区扩散来的电散来的电子漂移进子漂移进入集电结入集电结而被收集而被收集(shuj)，形成，形成ICn。IC2ICnIB要使三极管能放大要使三极管能放大(fngd)电流，必须使电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。IBnICBO第24页/共35页第二十五页，共35页。IB = IBn -ICBOIC = ICn + ICBOIE = ICn + IBn = IC + IB第25页/共35页第二十六页

14、，共35页。静态静态(jngti)电流放电流放大倍数大倍数静态电流放大倍数静态电流放大倍数(bish)，动态电流，动态电流放大倍数放大倍数(bish) = IC / IBIC = IB动态电流动态电流(dinli)放大倍数放大倍数IB ： IB + IBIC ： IC + IC = IC / IB一般认为：一般认为： = = ，近似为一常数，近似为一常数， 值范围：值范围：20100 IC = IB第26页/共35页第二十七页，共35页。5.4.3 特性特性(txng)曲线曲线ICmA AVVUCEUBERBIBUSCUSB 实验线路实验线路(共发射极接法共发射极接法)CBERC第27页/共3

15、5页第二十八页，共35页。 IB 与与UBE的关系的关系(gun x)曲线（同二曲线（同二极管）极管）（1）输入）输入(shr)特性特性IB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V 死区电压死区电压(diny)，硅管硅管0.5V工作压降：工作压降： 硅管硅管UBE 0.7V第28页/共35页第二十九页，共35页。（2）输出特性）输出特性(IC与与UCE的关系的关系(gun x)曲线曲线)IC(mA )1234UCE(V)3691240 A60 AQQ = IC / IB =2 mA/ 40 A=50 = IC / IB =(3-2)mA/(60-40) A=50 = IC

16、/ IB =3 mA/ 60 A=50第29页/共35页第三十页，共35页。输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A当当UCE大于一定的数大于一定的数值时，值时，IC只与只与IB有关有关(yugun)，IC=IB , 且且 IC = IB 。此区域称为线性放。此区域称为线性放大区。大区。此区域中此区域中UCEUBE,集电结集电结正偏，正偏，IBIC，UCE0.3V称为称为(chn wi)饱和区饱和区。此区域中此区域中 : IB=0 , IC=ICEO , UBEIC 。BE结结正偏，正偏，BC结正偏结正偏 ，即，即UCEUB

17、E （UCE0.3V ，UBE0.7V） (3) 截止区截止区 UBE 死区电压，死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0（ ICEO穿透电流，很小，穿透电流，很小， A 级）级） 第31页/共35页第三十二页，共35页。例：例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当当USB = -2V，2V，5V时时，晶体管的静态工作晶体管的静态工作(gngzu)点点Q位位于哪个区？于哪个区？USB =-2V， IB=0 ， IC=0，Q位于位于(wiy)截止区截止区 USB =2V， IB= (USB -UBE)/ RB =(2-0.7)/70=0.019 mA IC= IB =500.019=0.95 mA ICS =