电子技术基础半导体基础知识

1、电子技术基础课件半导体基础知识第1页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2.1半导体的基础知识2.1.1本征半导体2.1.2杂质半导体2.1.3PN结第2页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五 本征半导体半导体 本征半导体 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子 自由运动的带电粒子。共价键 相邻原子共有价电子所形成的束缚。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。元素半导体：硅、锗化合物半导体：砷化镓掺杂：硼、磷等第3页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五半导体的重要物理特性是它的电导率，电导率与材料内单位体积中含的电荷载流子的数量有关。第4页，共

2、83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五硅(锗)的原子结构简化模型惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动第5页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五本征激发：复 合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂 移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。第6页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动 结论

3、：1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。第7页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2.1.2 杂质半导体一、N 型半导体和 P 型半导体N 型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数 电子数第8页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2.1.2 杂质半导体一、N 型半导体和 P 型半导体P 型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴 多子电子 少子载流子数 空穴数第9页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五二、

4、杂质半导体的导电作用IIPINI = IP + INN 型半导体 I INP 型半导体 I IP第10页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五三、P 型、N 型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数载流子PN第11页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2.1.3 PN 结一、PN 结(PN Junction)的形成1. 载流子的浓度差引起多子的扩散2. 复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层) 空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。内建电场第12页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五3. 扩散和漂移达到动

5、态平衡扩散电流 等于漂移电流， 总电流 I = 0。二、PN 结的单向导电性1. 外加正向电压(正向偏置) forward bias第13页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五P 区N 区内电场外电场外电场使多子向 PN 结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。 IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流 IF 。IF = I多子 I少子 I多子2. 外加反向电压(反向偏置) reverse bias P 区N 区内电场外电场外电场使少子背离 PN 结移动， 空间电荷区变宽。IRPN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反

6、向电流 IRIR = I少子 0第14页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五三、PN 结的伏安特性反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当 T = 300(27C)：UT = 26 mVOu /VI /mA正向特性反向击穿加正向电压时加反向电压时iIS第15页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2.2半导体二极管1.2.1 半导体二极管的结构和类型1.2.2 二极管的伏安特性1.2.3 二极管的主要参数第16页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2.2.1 半导体二极管的结构和类型构成：PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Di

7、ode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型第17页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五点接触型正极引线触丝N 型锗片外壳负极引线负极引线 面接触型N型锗PN 结 正极引线铝合金小球底座金锑合金正极引线负极引线集成电路中平面型PNP 型支持衬底第18页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五第19页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2.2.2 二极管的伏安特性一、PN 结的伏安方程反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当 T = 300(27C)：UT = 26 mV第

8、20页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五二、二极管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性Uth死区电压iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V(硅管)(锗管)U UthiD 急剧上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V硅管 0.7 V(0.1 0.3) V锗管 0.2 V反向特性ISU (BR)反向击穿U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A(硅) 几十 A (锗)U U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)第21页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因： 齐纳击穿：(Zener)反向电

9、场太强，将电子强行拉出共价键。 (击穿电压 6 V，正温度系数)击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。第22页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.0400.40.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.020第23页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五二极管的电阻根据电阻的定义R=U/I，可见二极管电阻是随电压变化的，所以是非线性电阻。0iD / mAuD / V但若把电流控制在某小区域变化，这时的微变电阻则可看作线性的。第24页

10、，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五温度对二极管特性的影响iD / mAT 升高时，UD(on)以 (2 2.5) mV/ C 下降604020 0.0200.42550uD / V20C90C第25页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2.2.3 二极管的主要参数1. IF 最大整流电流(最大正向平均电流)2. URM 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2 3. IR 反向电流(越小单向导电性越好)4. fM 最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU (BR)I FURMO第26页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五影响工作频率

11、的原因 PN 结的电容效应 结论：1. 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。 高频时，因容抗减小，使结电容分流，导致单向 导电性变差。2. 结面积小时结电容小，工作频率高。第27页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2.3二极管电路的 分析方法1.3.1 理想二极管及二极管 特性的折线近似1.3.2 图解法和微变等效电路法第28页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2.3.1 理想二极管及二极管特性的折线近似一、理想二极管特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD = 0；反偏截止， iD = 0 U(BR) = 第29页，共83页，2022年，5

12、月20日，4点20分，星期五二、二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD = UD(on)0.7 V (Si)0.2 V (Ge)第30页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五三、二极管的折线近似模型uDiDUD(on)UI斜率1/ rDrD1UD(on)第31页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五UD(on) 硅二极管，R = 2 k，分别用二极管理想模型和恒压降模型求出 VDD = 2 V 和 VDD = 10 V 时 IO 和 UO 的值。第32页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五解VDD = 2 V 理想IO = VDD / R

13、= 2 / 2 = 1 (mA)UO = VDD = 2 V恒压降UO = VDD UD(on) = 2 0.7 = 1.3 (V)IO = UO / R = 1.3 / 2 = 0.65 (mA)VDD = 10 V 理想IO = VDD/ R = 10 / 2 = 5 (mA)恒压降UO = 10 0.7 = 9.3 (V)IO = 9.3 / 2 = 4.65 (mA)VDD 大， 采用理想模型VDD 小， 采用恒压降模型第33页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五 试求电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压 UO 的值。解：假设二极管断开UP = 15 VUP UN

14、二极管导通等效为 0.7 V 的恒压源 PN第34页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五UO = VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V)IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA)I2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA)I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)第35页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五例 2.3.3 二极管构成“门”电路，设 V1、V2 均为理想二极管，当输入电压 UA、UB 为低电压 0 V 和高电压 5 V 的不同

15、组合时，求输出电压 UO 的值。0 V正偏导通5 V正偏导通0 V第36页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五输入电压理想二极管输出电压UAUBV1V20 V0 V正偏导通正偏导通0 V0 V5 V正偏导通反偏截止0 V5 V0 V反偏截止正偏导通0 V5 V5 V正偏导通正偏导通5 V第37页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五 ui = 2 sin t (V)，分析二极管的限幅作用。ui 较小，宜采用恒压降模型ui 0.7 VV1、V2 均截止uO = uiuO = 0.7 Vui 0.7 VV2 导通 V截止ui 0.7 VV1 导通 V2 截止uO

16、= 0.7 V第38页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五思考题: V1、V2 支路各串联恒压源，输出波形如何？(可切至 EWB )OtuO/ V0.7Otui / V2 0.7第39页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五uiudRidrd三、小信号电路分析法对于交流信号电路可等效为 ui = 5sint (mV)，VDD= 4 V，R = 1 k， 求 iD 和 uD。解 1. 静态分析令 ui = 0，取 UQ 0.7 VIQ = (VDDUQ) / R = 3.3 mA第40页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2. 动态分析rd =

17、 26 / IQ = 26 / 3.3 8 ()Idm= Udm/ rd= 5 /8 0.625 (mA)id = 0.625 sint3. 总电压、电流= (0.7 + 0.005 sint ) V= (3.3 + 0.625 sint ) mA第41页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2.4特殊二极管2.4.1 稳压二极管2.4.2 光电二极管第42页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2.4.1 稳压二极管一、伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ /mAuZ/VOUZ IZmin IZmaxUZIZ IZ特性第43页，共83页，2022年，5月20日，

18、4点20分，星期五二、主要参数1. 稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。2. 稳定电流 IZ 越大稳压效果越好， 小于 Imin 时不稳压。3. 最大工作电流 IZM 最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4. 动态电阻 rZrZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。几 几十 第44页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五5. 稳定电压温度系数 CTV一般，UZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数；4 V UZ 7 V，CTV 很小。第45页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五 分析简单稳压电路的工作

19、原理， R 为限流电阻。IR = IZ + ILUO= UI IR RUIUORRLILIRIZ第46页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2.4.2 发光二极管与光敏二极管一、发光二极管 LED (Light Emitting Diode)1. 符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十 mA， 导通电压 (1 2) V符号u /Vi /mAO2特性第47页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2. 主要参数电学参数：I FM ，U(BR) ，IR光学参数：峰值波长 P，亮度 L，光通量 发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型： 普通 LED ，不可见光：红

20、外光点阵 LED七段 LED ,第48页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五第49页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五二、光敏二极管1符号和特性符号特性uiO暗电流E = 200 lxE = 400 lx工作条件：反向偏置2. 主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片第50页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2.5双极型半导体三极管2.5.1 晶体三极管2.5.2 晶体三极管的特性曲线2.5.3 晶体三极管的主要参数第51页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五(Semi

21、conductor Transistor)2.5.1 晶体三极管一、结构、符号和分类NNP发射极 E基极 B集电极 C发射结集电结 基区 发射区 集电区emitterbasecollectorNPN 型PPNEBCPNP 型ECBECB第52页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五分类：按材料分： 硅管、锗管按功率分： 小功率管 1 W中功率管 0.5 1 W第53页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五1. 三极管内部载流子的传输过程1) 发射结BE正偏，发射区多子电子向基区扩散，形成发射极电流 IE。I CNIEI BN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区

22、少子漂移(ICBO)I CBOIBIBN IB + ICBO即：IB = IBN ICBO 2)电子到达基区后多数向 BC 结方向扩散被集电结内强电场吸引，使其快速漂移过集电结，形成 ICN。少数与空穴复合，形成 IBN 。二、电流放大原理第54页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五I CNIEI BNI CBOIB 3) 集电区收集漂移过来的载流子形成集电极电流 ICICI C = ICN + ICBO 第55页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2. 三极管的电流分配关系当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即

23、：IB = I BN ICBO IC = ICN + ICBO穿透电流第56页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五IE = IC + IB通常穿透电流都很小第57页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五3. 三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏4. 满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极第58页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五实现电路:第59页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2.5.2 晶体三极管的特性曲线一

24、、输入特性输入回路输出回路与二极管特性相似第60页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五O特性基本重合(电流分配关系确定)特性右移(因集电结开始吸引电子)导通电压 UBE(on)硅管： (0.6 0.8) V锗管： (0.2 0.3) V取 0.7 V取 0.2 V第61页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五二、输出特性iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321截止区： IB 0 IC = ICEO 0条件：两个结反偏截止区ICEO第62页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五iC

25、 / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 43212. 放大区：放大区截止区条件： 发射结正偏 集电结反偏特点： 水平、等间隔ICEO第63页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 43213. 饱和区：uCE u BEuCB = uCE u BE 0条件：两个结正偏特点：IC IB临界饱和时： uCE = uBE深度饱和时：0.3 V (硅管)UCE(SAT)=0.1 V (锗管)放大区截止区饱和区ICEO第64页，共83页，20

26、22年，5月20日，4点20分，星期五三、温度对特性曲线的影响1. 温度升高，输入特性曲线向左移。温度每升高 1C，UBE (2 2.5) mV。温度每升高 10C，ICBO 约增大 1 倍。OT2 T1第65页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2. 温度升高，输出特性曲线向上移。iCuCE T1iB = 0T2 iB = 0iB = 0温度每升高 1C， (0.5 1)%。输出特性曲线间距增大。O第66页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五2.5.3 晶体三极管的主要参数一、电流放大系数1. 共发射极电流放大系数iC / mAuCE /V50 A40 A

27、30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321 直流电流放大系数 交流电流放大系数一般为几十 几百Q第67页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 43212. 共基极电流放大系数 1 一般在 0.98 以上。 Q二、极间反向饱和电流CB 极间反向饱和电流 ICBO，CE 极间反向饱和电流 ICEO。第68页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五三、极限参数1. ICM 集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。2. PCM 集电极最大允许功率损耗PC

28、 = iC uCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全 工 作 区第69页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五U(BR)CBO 发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。3. U(BR)CEO 基极开路时 C、E 极间反向击穿电压。U(BR)EBO 集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压。U(BR)CBO U(BR)CEO U(BR)EBO第70页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五小 结第 2 章第71页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五一、两种半导体和两种载流子两种载流子的运动电子 自由电子空穴 价电子两 种半导体N

29、 型 (多电子)P 型 (多空穴)二、二极管1. 特性 单向导电正向电阻小(理想为 0)，反向电阻大()。第72页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五iDO uDU (BR)I FURM2. 主要参数正向 最大平均电流 IF反向 最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿)反向饱和电流 IR (IS)(受温度影响)IS第73页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五3. 二极管的等效模型理想模型 (大信号状态采用)uDiD正偏导通 电压降为零 相当于理想开关闭合反偏截止 电流为零 相当于理想开关断开恒压降模型UD(on)正偏电压 UD(on) 时导通 等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开UD(on) = (0.6 0.8) V估算时取 0.7 V硅管：锗管：(0.1 0.3) V0.2 V折线近似模型相当于有内阻的恒压源 UD(on)第74页，共83页，2022年，5月20日，4点20分，星期五4. 二极管的分析方法模型法微变等效电路法5. 特殊二极管工作条件主要用途稳压二极管反 偏稳 压发光二极管正 偏发 光光敏二极管反 偏光电转换第75页，共83页，2022年，5月20日，