模电半导体基础知识

模电半导体基础知识1第1页，共91页，2023年，2月20日，星期五作业：按时交，可补交（不批改）。实验：6次，遵守实验室纪律，认真写实验报告。期末考试成绩：期末考试60％＋期中20％＋平时成绩10％+实验10％2第2页，共91页，2023年，2月20日，星期五绪论电子技术基础数字电子技术基础模拟电子技术基础3第3页，共91页，2023年，2月20日，星期五一、什么是电子技术？其发展概况如何？1、定义：又名电子学，它是一门研究各种电子器件、电子电路及其应用的学科。是当代发展最迅速的学科之一。2、发展概况：

1）真空管或电子管时代…

2）晶体管和集成电路时代…

3）超导材料、纳米材料…

（纳米电子学为十大科技之首）4第4页，共91页，2023年，2月20日，星期五3、电子技术发展简介1）电子器件的发展简介1904年发明了真空二极管1906年发明了真空三极管1912年发明了再生式放大器1917年发明了振荡器和超外差式电路1947年发明了晶体管1960年发明了场效应管5第5页，共91页，2023年，2月20日，星期五2）集成电路发展简介1960年发明了小规模的集成电路（SSI）1964年小规模的MOS集成电路1966年中规模的集成电路（MSI）1969年大规模的集成电路（LSI）1975年超大规模的集成电路（VLSI）6第6页，共91页，2023年，2月20日，星期五二、本课程的任务、研究内容

1、掌握各种功能电路的组成原理及其性能特点，具有集成器件应用的设计能力。2、掌握电子技术的基本理论、基本知识、基本技能，为后续课程打好基础。3、研究内容是电子器件（包括组件）、基本电子电路及其构成的应用系统。4、器件电路应用系统

7第7页，共91页，2023年，2月20日，星期五三、课程的特点与学习方法电子技术基础是一门技术基础课，应有工程的观点，采用工程近似的方法简化实际问题。接近工程实际，认真对待模拟电子技术实验课程，巩固理论知识，掌握基本实验技能8第8页，共91页，2023年，2月20日，星期五第一章常用半导体器件1.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.3三极管1.4场效应管1.5晶闸管1.6集成电路中的元件9第9页，共91页，2023年，2月20日，星期五1概念2半导体分类1.1半导体基础知识

10第10页，共91页，2023年，2月20日，星期五导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料。半导体：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。11第11页，共91页，2023年，2月20日，星期五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。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。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。1.掺杂性2.热敏性和光敏性返回12第12页，共91页，2023年，2月20日，星期五一、本征半导体二、杂质半导体半导体分类13第13页，共91页，2023年，2月20日，星期五一、本征半导体

1、本征半导体的晶体结构2、本征半导体中的两种载流子3、本征半导体中的载流子的浓度14第14页，共91页，2023年，2月20日，星期五1、本征半导体的晶体结构GeSi现代电子学中，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。15第15页，共91页，2023年，2月20日，星期五在硅和锗晶体中，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。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。16第16页，共91页，2023年，2月20日，星期五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17第17页，共91页，2023年，2月20日，星期五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，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很弱。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返回18第18页，共91页，2023年，2月20日，星期五2、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。1.载流子、自由电子和空穴19第19页，共91页，2023年，2月20日，星期五+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子20第20页，共91页，2023年，2月20日，星期五2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。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。21第21页，共91页，2023年，2月20日，星期五温度越高，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。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。

2.空穴移动产生的电流。（在本征半导体中自由电子和空穴成对出现，同时又不断的复合）返回22第22页，共91页，2023年，2月20日，星期五二、杂质半导体1、N型半导体2、P型半导体3、PN结（重点）在本征半导体中掺入某些微量的杂质，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。23第23页，共91页，2023年，2月20日，星期五一、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，使其取代晶格中硅原子的位置。返回24第24页，共91页，2023年，2月20日，星期五+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。25第25页，共91页，2023年，2月20日，星期五二、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，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。26第26页，共91页，2023年，2月20日，星期五三、杂质半导体的符号－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体返回27第27页，共91页，2023年，2月20日，星期五3、PN结1、PN结的形成2、PN结的单向导电性3、PN结的伏安特性4、PN结的电容效应28第28页，共91页，2023年，2月20日，星期五总结2.N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。3.P型半导体中空穴是多子，电子是少子。1.本征半导体中受激产生的电子很少。返回29第29页，共91页，2023年，2月20日，星期五PN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。30第30页，共91页，2023年，2月20日，星期五P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动(浓度差产生)内电场E漂移运动（电场力作用）扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。31第31页，共91页，2023年，2月20日，星期五漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，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。32第32页，共91页，2023年，2月20日，星期五－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV033第33页，共91页，2023年，2月20日，星期五1.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴.N区

中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.P区中的电子和N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。小结返回34第34页，共91页，2023年，2月20日，星期五(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区

外电场的方向与内电场方向相反。

外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流

PN结的单向导电性35第35页，共91页，2023年，2月20日，星期五(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区

外电场的方向与内电场方向相同。

外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IRPN

在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。

36第36页，共91页，2023年，2月20日，星期五

PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；

PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。返回37第37页，共91页，2023年，2月20日，星期五

3、PN结的伏安特性38第38页，共91页，2023年，2月20日，星期五1.2

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。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：阳极+阴极-39第39页，共91页，2023年，2月20日，星期五2、伏安特性UI死区电压(开启电压)硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR反向击穿电流Is40第40页，共91页，2023年，2月20日，星期五3.主要参数1.最大整流电流IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。3.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。手册上给出的最高反向工作电压UR一般是UBR的一半。2.反向工作峰值电压UR保证二极管不被击穿时的反向峰值电压。41第41页，共91页，2023年，2月20日，星期五4.反向电流IR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，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。二极管工作的上限频率，超过此值，由于结电容的作用，不能很好的体现单向导电性。5.最高工作频率fM42第42页，共91页，2023年，2月20日，星期五UIUon4二极管的等效电路43第43页，共91页，2023年，2月20日，星期五二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。44第44页，共91页，2023年，2月20日，星期五5.

稳压二极管

稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样。UI45第45页，共91页，2023年，2月20日，星期五

图稳压二极管的伏安特性

(a)符号(b)伏安特性(b)(a)46第46页，共91页，2023年，2月20日，星期五

从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。

(1)稳定电压UZ—(2)动态电阻rZ——

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。

其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。

rZ=UZ/IZ47第47页，共91页，2023年，2月20日，星期五

(4)最大耗散功率

PZM

——

稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为

PZ=VZIZ，由

PZM和VZ可以决定IZmax。

(3)最大稳定工作电流

IZmax和最小稳定工作电流IZmin—————48第48页，共91页，2023年，2月20日，星期五(5)稳定电压温度系数——VZ

温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当VZ

＞7

V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。当VZ＜4

V时，VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。当4

V＜VZ

＜7

V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。49第49页，共91页，2023年，2月20日，星期五

稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。(c)稳压二极管工作50第50页，共91页，2023年，2月20日，星期五稳压二极管的应用举例例2在图1.1.13中，已知稳压二极管的UVDZ=6.3V,当UI=±20V，R=1kΩ时，求UO。已知稳压二极管的正向导通压降UF=0.7V。解当UI=+20V,VDZ1反向击穿稳压，UVDZ1=6.3V，VDZ2正向导通，UF2=0.7V，则UO=+7V；同理，UI=-20V,UO=-7V。例1书p661.751第51页，共91页，2023年，2月20日，星期五uoiZDZRiLiuiRL例2稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax——方程1要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。求：电阻R和输入电压ui的正常值。52第52页，共91页，2023年，2月20日，星期五令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：53第53页，共91页，2023年，2月20日，星期五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54第54页，共91页，2023年，2月20日，星期五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。返回55第55页，共91页，2023年，2月20日，星期五一、三极管的结构及类型二、晶体管的电流放大作用三、晶体管的共射特性放大曲线四、晶体管的主要参数五、温度对晶体管特性及参数的影响1.3半导体三极管56第56页，共91页，2023年，2月20日，星期五一基本结构三极管是由两个PN结、3个杂质半导体区域组成的，因杂质半导体有P、N型两种，所以三极管的组成形式有NPN型和PNP型两种。57第57页，共91页，2023年，2月20日，星期五BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型58第58页，共91页，2023年，2月20日，星期五BECNNP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59第59页，共91页，2023年，2月20日，星期五BECNNP基极发射极集电极发射结集电结60第60页，共91页，2023年，2月20日，星期五BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管符号61第61页，共91页，2023年，2月20日，星期五注意，PNP型和NPN型三极管表示符号的区别是发射极的箭头方向不同，这个箭头方向表示发射结加正向偏置时的电流方向。使用中要注意电源的极性，确保发射结永远加正向偏置电压，三极管才能正常工作。

三极管根据基片的材料不同，分为锗管和硅管两大类，目前国内生产的硅管多为NPN型（3D系列），锗管多为PNP型（3A系列）；从频率特性分，可分为高频管和低频管；从功率大小分，可分为大功率管、中功率管和小功率管，等等。实际应用中采用NPN型三极管较多，所以下面以NPN型三极管为例加以讨论，所得结论对于PNP三极管同样适用。返回62第62页，共91页，2023年，2月20日，星期五ICmAAVVUCEUBERBIBECEB1、一个实验二

晶体管的电流放大作用BECmA63第63页，共91页，2023年，2月20日，星期五结论:1.IE=IC+IB3.要使晶体管放大,发射结必须正偏,集电结必须反偏。64第64页，共91页，2023年，2月20日，星期五2、电流放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE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。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。65第65页，共91页，2023年，2月20日，星期五BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。66第66页，共91页，2023年，2月20日，星期五IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBEIE=IC+IB67第67页，共91页，2023年，2月20日，星期五ICE与IBE之比称为电流放大倍数

返回68第68页，共91页，2023年，2月20日，星期五

iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。

iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E两电极取出。

输入特性曲线——iB=f(vBE)

vCE=const

输出特性曲线——

iC=f(vCE)

iB=const本节介绍三极管的特性曲线，即三双极型半导体三极管的特性曲线IEIBRBUBICUCCRC＋--＋UBEUCE69第69页，共91页，2023年，2月20日，星期五1.输入特性曲线IB

=f(UBE)UCE=常数IEIBRBUBICUCCRC＋--＋UBEUCE70第70页，共91页，2023年，2月20日，星期五UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。输入特性曲线IB

=f(UBE)UCE=常数71第71页，共91页，2023年，2月20日，星期五2、输出特性特性曲线IC

=g

(UCE)|IB=

常数IEIBRBUBICUCCRC＋--＋UBEUCE72第72页，共91页，2023年，2月20日，星期五输出特性曲线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只与IB有关，IC=IB。IC

=g

(UCE)|IB=

常数73第73页，共91页，2023年，2月20日，星期五IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。74第74页，共91页，2023年，2月20日，星期五IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。75第75页，共91页，2023年，2月20日，星期五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

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

返回76第76页，共91页，2023年，2月20日，星期五四、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：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：1.电流放大倍数和

77第77页，共91页，2023年，2月20日，星期五例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：=78第78页，共91页，2023年，2月20日，星期五2.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。79第79页，共91页，2023年，2月20日，星期五BECNNPICBOICEO=

IBE+ICBO

IBEIBEICBO进入N区，形成IBE。根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。集电结反偏有ICBO3.集-射极反向截止电流ICEOICEO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。80第80页，共91页，2023年，2月20日，星期五4.集电极最大允许功耗PCM集电极电流IC

流过三极管，所发出的功率为：PC=ICUCE必定导致结