半导体器件概论

半导体器件概论第一页，共八十页，2022年，8月28日1

课程名称：模拟与数字电子技术教材：电子技术（电工学II比电工技术难但更有趣）史仪凯主编绪论一、内容体系：

1、模拟电子技术（教材第1～5章）

重点：第2、4两章2、数字电子技术（教材第6～9章）

重点：第6、7两章

3、电工电子应用技术（电工学Ⅲ）第6章电力电子技术基础电子技术又可分为“信息电子技术”与“电力电子技术”二、课时分配：讲课52，实验18第二页，共八十页，2022年，8月28日2三、讲授、学习方法： 从管到路，管为路用，从小到大，逐步扩展。

核心器件→典型环节→基本单元→应用系统模电部分：以分立元件为基础；以集成电路为重点。数电部分：以SSIC为入门；以MSIC为重点，适当引 入LSIC*。四、对课程内容的要求：

了解内部机理，理解外部特性，熟悉主要参数，设计简单电路，分析典型系统。

定性分析，定量估算第三页，共八十页，2022年，8月28日3主要参考书

1、《电工学上册－电子技术》秦曾煌主编 高等教育出版社（第5或6版）

2、《电子技术－典型题解析及自测试题》 史仪凯等编西北工业大学出版社3、《电工学·电子技术－导教·导学·导考》

朱建坤编西北工业大学出版社第四页，共八十页，2022年，8月28日4第一章半导体器件§1.1半导体的基本知识§1.2

PN结及半导体二极管§1.3特殊二极管§1.4半导体三极管§1.5场效应晶体管第五页，共八十页，2022年，8月28日5§1.1半导体的基本知识1.1.1导体、半导体和绝缘体自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡胶、陶瓷、塑料和石英。另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。第六页，共八十页，2022年，8月28日6

半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。比如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 兴利－－热敏、光敏元件 除弊－－加散热片、加黑色塑封以避光往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。这一特性的利用揭开了电子技术发展史上新的一页！第七页，共八十页，2022年，8月28日71.1.2本征半导体现代电子技术中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi第八页，共八十页，2022年，8月28日8硅和锗的晶体结构通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。第九页，共八十页，2022年，8月28日9硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子第十页，共八十页，2022年，8月28日10共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子（价电子），常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力非常弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4第十一页，共八十页，2022年，8月28日11本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。第十二页，共八十页，2022年，8月28日12+4+4+4+4本征半导体的导电机理自由电子空穴束缚电子（价电子）第十三页，共八十页，2022年，8月28日13本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引临近的价电子（不是自由电子）来填补。填补的结果相当于空穴的迁移超女快男的演唱会，玉米花生前移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动（为什么？），因此可以认为空穴是带正电荷的载流子。第十四页，共八十页，2022年，8月28日14本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。（与金属比？）自由电子和空穴成对产生与消失（复合）温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。第十五页，共八十页，2022年，8月28日151.1.3杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质—掺杂，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。第十六页，共八十页，2022年，8月28日16N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个价电子，这个价电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。第十七页，共八十页，2022年，8月28日17+4+4+5+4N型半导体多余电子－准自由电子磷原子第十八页，共八十页，2022年，8月28日18N型半导体N型半导体中的载流子的来源？1、由施主原子提供的准自由电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。注意：由于掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，由施主原子提供的准自由电子浓度远大于原本征半导体空穴浓度；而自由电子增多又增加了复合的机会，故掺杂后N型半导体中的空穴数比原本征半导体中的空穴数小得多。因此，N型半导体中的空穴比自由电子少得多！故N型半导体中的自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。第十九页，共八十页，2022年，8月28日19

P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴很容易吸引邻近价电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。第二十页，共八十页，2022年，8月28日20+4+4+3+4空穴P型半导体硼原子第二十一页，共八十页，2022年，8月28日21总结1、N型半导体中自由电子是多子（其中大部分是由掺杂提供的，本征半导体中受激产生的自由电子只占少数）

；空穴是少子。2、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。3、少子的迁移虽然也能形成电流，但由于它们数量很少，起导电作用的主要是多子。近似认为多子浓度与杂质浓度相等。第二十二页，共八十页，2022年，8月28日22杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体第二十三页，共八十页，2022年，8月28日23§1.2PN结及半导体二极管1.2.1PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。第二十四页，共八十页，2022年，8月28日24P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动由载流子浓度差而产生，使多子越过PN结流向对方。由内电场而产生，使少子越过PN结流向对方。二者产生的电流方向相反第二十五页，共八十页，2022年，8月28日25扩散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型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场就越强，漂移运动就加强，而漂移使空间电荷区变薄。第二十六页，共八十页，2022年，8月28日26漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，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。第二十七页，共八十页，2022年，8月28日27－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0第二十八页，共八十页，2022年，8月28日281、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P中的电子和N中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。请注意第二十九页，共八十页，2022年，8月28日291.2.2PN结的单向导电性

PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。

PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。第三十页，共八十页，2022年，8月28日30PN结正向偏置－－－－++++内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。第三十一页，共八十页，2022年，8月28日31PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。第三十二页，共八十页，2022年，8月28日321.2.3半导体二极管(1)、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳触丝线基片点接触型一般为锗管，适于高频、小功率。第三十三页，共八十页，2022年，8月28日33PN结面接触型一般为硅管，适于低频、中、大功率。PN第三十四页，共八十页，2022年，8月28日34(2)、伏安特性反向击穿电压U(BR)UImAμA反向电流特点：1随温度上升而快速增长2U<U(BR)时其值基本不变死区电压：硅管0.6V,锗管0.1～0.2V。导通压降:硅管0.6~0.8V,锗管0.2~0.3V。第三十五页，共八十页，2022年，8月28日35(3)、主要参数（1）最大整流电流IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的反向工作峰值电压URWM一般是UBR的一半。第三十六页，共八十页，2022年，8月28日36（3）反向峰值电流IRM指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。第三十七页，共八十页，2022年，8月28日37（4）微变电阻（动态电阻）rDiDvDIDVDQiDvDrD是二极管特性曲线工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是Q点的动态电阻。第三十八页，共八十页，2022年，8月28日38 二极管究竟等效为何种元件，取决于它的外部工作条件---外加的电压，有时还和频率有关。 当外加电压远高于其导通电压时，二极管表现为理想开关特性；——？ 当电压远小于导通电压时则二极管表现为动态电阻，该电阻的阻值随工作电压不同而改变。

*当所加电压的频率较高时则还要考虑其结电容的影响。第三十九页，共八十页，2022年，8月28日39二极管的应用

主要是利用它的单向导电性，包括整流、限幅、保护等。下面先通过例题简单介绍，以后经常会在电路中遇到它的各种应用。第四十页，共八十页，2022年，8月28日40微分电路例：二极管的应用之一：检波RRLuiuRuotttuiuRuo第四十一页，共八十页，2022年，8月28日41含二极管电路分析方法：

先假设它导通（看作短路）或截止（看作开路），然后再按已学电路分析方法分析，若分析结果（二极管两端电压与电流）与原假设（导通或截止）的条件（正偏、零偏或反偏）矛盾，则再做相反假设，重新分析。二极管的其他应用： 限幅、续流、钳位（见教材P7～9，自学）第四十二页，共八十页，2022年，8月28日42§1.3特殊二极管1.3.1稳压（二极）管顾名思义“稳定电压”？UIUZIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-特点：1反向工作2反向击穿可逆3反向特性曲线陡4反向击穿电压低mAmA第四十三页，共八十页，2022年，8月28日43稳压二极管的参数（1）稳定电压UZ（2）电压温度系数U（%/℃）稳压值受温度变化影响的的系数。可取正负两种值。（6V左右U≈0，最好）（3）动态电阻第四十四页，共八十页，2022年，8月28日44（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流

Izmax、Izmin。（结合伏安特性讲二者作用）（5）最大允许功耗第四十五页，共八十页，2022年，8月28日45Uo→IZ→IR→Uo＝（Ui－IR）？稳压（二极）管稳压电路 在电路中稳压管与适当的电 阻配合才能起到稳压作用。UoUiIRIZUZRL第四十六页，共八十页，2022年，8月28日46练习与思考：、、1.5.1

作业：

作业集题目：1.1、1.2、1.3、1.4

（交作业要求：全部都交，下周的本节课前交。）

课后看书：

第1章除1.4节以外的所有内容第四十七页，共八十页，2022年，8月28日47*1.3.2光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加注意小箭头方向！第四十八页，共八十页，2022年，8月28日48*

1.3.3发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。注意小箭头方向！第四十九页，共八十页，2022年，8月28日49

§1.4半导体三极管（简称晶体管）

——电子技术最核心的基本元件作用：

（电流）放大第五十页，共八十页，2022年，8月28日501.4.1基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型第五十一页，共八十页，2022年，8月28日51BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高结构上(不对称）的这种特征是放大的内部条件。第五十二页，共八十页，2022年，8月28日52BECNNP基极发射极集电极发射结集电结第五十三页，共八十页，2022年，8月28日531.4.2电流放大原理BECNNPEBRBEc发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。IE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE1进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数“扩散”到集电结。第五十四页，共八十页，2022年，8月28日54BECNNPEBRBEcIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBO从基区扩散来的电子作为集电结基区一侧的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。IC=ICE+ICBOICEIBE2ICEEC>EB第五十五页，共八十页，2022年，8月28日55IB=IBE-ICBOIBEIB3BECNNPEBRBEcIEICBOICEIC=ICE+ICBOICEIBE第五十六页，共八十页，2022年，8月28日564ICE与IBE之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏,集电结反偏（这是放大的外部条件）

；即：︱UBE︱<︱UCE︱并且对NPN型管满足UBE>0，UCE>0； 对PNP型管满足UBE<0，UCE<0。第五十七页，共八十页，2022年，8月28日57BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管图中所示各电流方向既是正方向，又是放大工作状态下的实际方向，不得改变各电流标示方向！旧符号带圆圈第五十八页，共八十页，2022年，8月28日581.4.3特性曲线ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

实验线路输入端IB、

UBE输出端IC、

UCE

名词解释：四端（二端口)网络共射极接法第五十九页，共八十页，2022年，8月28日59注意：1、各电流与电压的符号与方向及其含义；2、统一按规范的电流与电压的符号来标注;3、对PNP型管子，电源极性与NPN型管子 相反，UBE<0UCE<0;（双下标不可对调）4、为满足放大的外部条件， 须保证︱UBE︱<︱UCE︱第六十页，共八十页，2022年，8月28日601、输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。第六十一页，共八十页，2022年，8月28日612、输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC几乎与UCE无关，只与IB有关，IC=IB。第六十二页，共八十页，2022年，8月28日62IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，称为饱和区。第六十三页，共八十页，2022年，8月28日63IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。第六十四页，共八十页，2022年，8月28日643、主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：（1）电流放大倍数和第六十五页，共八十页，2022年，8月28日65工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：第六十六页，共八十页，2022年，8月28日66例：UCE=6V时：IB=40AIC=1.5mAIB=60AIC=2.3mA在以后的计算中，一般作近似处理：=第六十七页，共八十页，2022年，8月28日67（2）集-基极反向截止电流ICBOAICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。第六十八页，共八十页，2022年，8月28日68（3）集-射极反向截止电流ICEO（穿透电流）AICEOICEO≈（1＋）

ICBO第六十九页，共八十页，2022年，8月28日69（4）集电极最大电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。所以集电极电流应为：IC=IB+ICEO而ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。第七十页，共八十页，2022年，8月28日70（5）集-射极反向击穿电压当集---射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。第七十一页，共八十页，2022年，8月28日71（6）集电极最大允许功耗PCM集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：PC=ICUCE必定导致结温上升，所以PC有限制。PCPCM第七十二页，共八十页，2022年，8月28日72ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区（SOA）第七十三页，共八十页，2022年，8月28日73输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且IC=