模电第一部分 半导体器件基础

第一部分半导体器件基础一、半导体基础知识二、晶体二极管三、晶体三极管

第一讲半导体基础知识一、半导体的特性

半导体的导电性能随着温度的变化而发生显著的变化。

半导体的导电性能随着光照强度的变化而发生显著的变化。

半导体的导电性能随着微量杂质的掺入而发生显著的变化。1、热敏性：2、光敏性：3、掺杂性：二、本征半导体的导电特性

非常纯净的半导体称为本征半导体。常用的有硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。用得最多的就是硅和锗。1、本征半导体的晶体结构+4+4+4●●+4+4+4+4+4+4●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●+4惯性核价电子

硅和锗原子结构简化模型及共价键结构示意图+4+4+4●●+4+4+4+4+4+4●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

共价键中的价电子被束缚在两原子之间，不给予额外的能量是不能自由移动的。在绝对零度和无外界激发时，本征半导体中没有可移动的带电粒子，相当于绝缘体。２、本征激发

在室温或光照条件下，本征半导体中产生自由电子——空穴对的过程。+4+4+4●●+4+4+4+4+4+4●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●由于热激发而产生的自由电子自由电子移走后留下的空穴

ａ、自由电子与空穴同生同灭，数量相等。

ｂ、自由电子和空穴都是载流子。

ｃ、载流子的浓度与温度成指数关系。本征激发的特征：三、杂质半导体的导电特性

在本征半导体中掺入微量杂质后所形成的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同可分为N型半导体和P型半导体。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）后形成的半导体。

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）后形成的半导体。

三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空位。邻近共价键中的价电子填补此空位时，在原共键中便留下一个空穴。

在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成

自由电子是少数载流子，由热激发形成。

空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。1、P型半导体的形成及特性2、N型半导体的形成及特性

五价杂质原子与周围硅原子形成共价键，还多余一个价电子，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。

在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。四、PN结的形成及特性1、PN结的形成PNε载流子浓度差多子的扩散出现空间电荷区产生了内电场促使少子漂移阻碍多子的扩散

当扩散与漂移达到动态平衡时，在交界面附近就形成了一个空间电荷区，即PN结。PN2、PN结的特性

a、单向性正偏时电流大，反偏时电流小。正偏时电阻小，反偏时电阻大。注意：①、正向电流IF=扩散电流—漂移电流。②、IR很小具有饱和性用IS表示。PNIRREPNIFRE

b、击穿性反向电压增加到某个数值时，反向电流突然增加，这种现象称为击穿。击穿时所对应的电压称为反向击穿电压，用VBR表示。根据击穿机理不同，击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。雪崩击穿机理：反向电压↑→内电地场↑→载流子的动能↑→将中性原子中的价电子撞出来→IR↑。齐纳击穿机理：反向电压↑→内电地场↑→将中性原子中的价电子拉出来→IR↑

PN结的击穿并不意味着损坏。注意：如果超过就是热击穿，热击穿是不可逆的；如果没有超过就是电击穿，电击穿是可逆的。

PN结是否损坏决定于击穿后电流与电压的乘积是否超过PN结容许的耗散功率。

c、电容性

如果给PN结加上变化的电压，PN结将呈现电容效应。（电压变化时有电荷的堆积与泄放的过程）①、势垒电容CBCB是由空间电荷的积累引起的

当外加正向电压增加时，PN结变窄，空间电荷量减少，相当于PN结放电。PNIFRE

当外加正向电压减少时，PN结变宽，空间电荷量增加，相当于PN结充电。外加反偏电压变化时也具有相同的效应。理论推导得：式中ε是介质常数，A是PN结的面积，d是PN结的宽度。②、扩散电容CD

CD是PN结正向电压变化时，多数载流子在扩散过程中积累引起的。PN结正偏时，多数载流子扩散到对方成为对方区域中的“少子”。这些少子在正偏电压变化时，也有堆积与泄放的过程。根据理论分析不对称结的CD为：VT为温度的电压当量，常温时为26mv；τ为非平衡少子的寿命；I为正向电流。注意：1、CB和CD在结构上都是和PN结并联的，正偏时CD＞＞CB，CD起作用；反偏时CB起作用。2、CB和CD的存在都是破坏单向性的。

第二讲晶体二极管一、结构及符号

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。1、点接触型二极管

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型

3、平面型二极管

往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。2、面接触型二极管

PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型4、二极管的代表符号二、二极管的伏安特性锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性正向特性反向特性反向击穿特性线性段非线性段1、稳压特性（△I大，△V小）稳流特性（△V大，△I小）2、3、死区电压VthSi：0.5VGe:0.1V4、导通电压VFSi：0.6---0.8VGe:0.1---0.3V注意：三、二极管的主要参数1、最大整流电流IF2、最大反向工作电压VR3、反向电流IR4、最高工作频率fM6、交流电阻rd5、直流电阻rD

a、参数的物理意义或定义。

b、参数的测量方法。

c、是质量参数还是特性参数。

d、参数的大小与器件质量间的关系。对于参数应从以下四个方面掌握四、D的等效电路及应用

D是一种非线性器材，要想准确分析二极管电路具有一定的难度，为了简化分析又不至于误差太大，在实际中将根据条件变化采用不同的线性电路进行等效。

1.理想模型正偏时电阻为零，反偏时电阻为无穷大，相当于一个理想开关。适用于电路中的电压比D的压降大得多的情况。经常用于定性分析、估算电路状态时很方便，但误差较大。

2.恒压降模型认为D正偏导通后，管压降为恒定值（VF），相当于一个理想的压控开关，适用于iD≥1mA情况。经常用于定量计算，计算快而且基本符合实际。

3.折线模型认为D的正向压降不是恒定的，而是随着正向电流的变化而变，相当于非理想的压控开关（有导通压降）rD等于折线斜率的倒数最准确的计算，适用于各种情况。

4.小信号模型

二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。常温下（T=300K）适用于D正向通且信号在很小范围内变化的情况。即应用举例

1.静态工作情况分析理想模型恒压模型VDDRVDVDD=10V,R=10K求电路中的电流和二极管上的电压

2.限幅电路限幅，是指输出电压的幅度受到规定电压（限幅电压）的限制。限幅电路有单向限幅和双向限幅电路两种①、单向限幅电路正向限幅电路设输入电压Ui是峰值为10V的正弦波，限幅电压Us=3V，画出Ui

和Uo的波形。R＋－－＋UiUsUo②、双向限幅电路R＋－－＋UiUo3V3V设输入电压Ui是峰值为10V的正弦波，画出Ui和Uo的波形

第三讲晶体三极管一、三极管的结构和符号

半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管二、电流分配关系及放大作用

三极管具有放大作用不仅仅是它有两个PN结，还取决于它的内、外部条件。要想理解三极管的放大作用，首先要明确各区的功能：

发射区的主要功能是发射载流子；基区的主要功能是运输和控制载流子；集电区的主要功能是收集载流子。

要保证三区具有以上功能，在制造晶体管时就要使三区具有以下特点（内部条件）：

发射区的掺杂浓度最高；基区很薄，且掺杂浓度最低；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大。

要使各区的功能能够发挥出来，就必须满足以下的条件（外部条件）：发射结正偏，集电结反偏。IENIEPICBOICNIEICIBVBBVCCIBNRbRc1、晶体管内部载流子的传输过程

a、发射区发射载流子IE=IEN+IEP

b、基区传输与控制载流子IB=IEP+IBN－ICBO=I/B－ICBO

c、集电区的收集载流子IC=ICN+ICBOIENIEPICBOICNIEICIBVBBVCCIBNRbRc2、电流分配关系IC=ICN+ICBO

为了定量描述三个极电流之间的关系，引入共基极的直流电流放大系数=aCNIIEIB=IE－ICIB=（1－α)IE－ICBOIE=IB+IC

为电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般

=0.90.99

IC=αIE+ICBO_根据

IB=（1－α)IE－ICBO

得：IBICBO1－α1－αIE=+代入IC的表达式1－α1－αααIC=IB+ICBO+ICBOIC=βIB+（1+β）ICBO再令

ICEO=(1+)ICBO穿透电流IC=βIB+ICEOIE=（1+β）IB+ICEO

IB=IE一IC

是另一个电流放大系数，同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般

>>11－αα

令

β=①、放大电路的三种组态共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示。3、晶体管的放大作用②、放大作用如果电路输入端有一较小的变化量，输出就有一较大的变化量，则称电路有放大作用。bceRL1k

共射极放大电路VBBVCCIBIEIC+-viv0+-RLecb1k

VEEVCCIBIEIC+-vivo+-共基极放大电路共基极电路：有电压放大，无电流放大。共射极电路：有电压放大，有电流放大。共集电极电路：无电压放大，有电流放大。都有功率放大作用三、晶体管的特性曲线

iB=f(vBE)

vCE=