北邮模电第一讲半导体器件基础概要

北邮模电第一讲-半导体器件基础概要北邮模电第一讲-半导体器件基础概要北邮模电第一讲-半导体器件基础概要参考书目《模拟电子技术基础》，董诗白等，高等教育出版社，面向21世纪课程教材《电子技术基础》,康华光,高教出版社《电子线路基础》,高文焕,高教出版社2020/12/192北邮模电第一讲-半导体器件基础概要北邮模电第一讲-半导体器件1参考书目《模拟电子技术基础》，董诗白等，高等教育出版社，面向21世纪课程教材《电子技术基础》,康华光,高教出版社《电子线路基础》,高文焕,高教出版社2024/4/22参考书目《模拟电子技术基础》，董诗白等，高等教育出版社，面向主要内容1.1半导体及其特性1.2PN结及其特性1.3半导体二极管1.4半导体三极管及其工作原理1.5三极管的共射特性曲线及主要参数2024/4/23主要内容1.1半导体及其特性1.2PN结及其特性1.3本征半导体及其特性导体(Conductor)电导率＞105

铝、金、钨、铜等金属，镍铬等合金。半导体(Semiconductor)电导率10-9~102硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化镓、重掺杂多晶硅绝缘体(Insulator)电导率10-22~10-14二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等2024/4/24本征半导体及其特性导体(Conductor)电导率2、半导体性能半导体三大特性搀杂特性热敏特性光敏特性本征半导体晶格完整（金刚石结构）纯净（无杂质）的半导体2024/4/252、半导体性能半导体三大特性搀杂特性热敏特性光敏特性本征半导1、硅、锗原子的简化模型半导体元素：均为四价元素GeSi+42024/4/261、硅、锗原子的简化模型半导体元素：均为四价元素GeSi+4半导体结构的描述两种理论体系共价键结构能级能带结构2024/4/27半导体结构的描述两种理论体系2024/4/17共价键结构（平面图）+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴价电子形成共价键后，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2024/4/28共价键结构（平面图）+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由半导体中的载流子载流子(Carrier)指半导体结构中获得运动能量的带电粒子。有温度环境就有载流子。绝对零度（-2730C）时晶体中无自由电子。2024/4/29半导体中的载流子载流子(Carrier)指半导体结构中获得热激发（本征激发）本征激发

和温度有关会成对产生电子空穴对---自由电子(FreeElectron)---空穴(Hole)两种载流子（带电粒子）是半导体的重要概念。2024/4/210热激发（本征激发）本征激发和温度有关2024/4/110本征激发与复合合二为一一分为二本征激发复合2024/4/211本征激发与复合合二为一一分为二本征激发复合2024杂质半导体(ImpuritySemiconductor)杂质半导体：在纯净半导体中掺入杂质所形成。杂质半导体分两大类：N型(Ntype)半导体P型(Ptype)半导体2024/4/212杂质半导体(ImpuritySemiconduct1、N型半导体施主杂质(Donorimpurities)

：掺入五价元素，如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)。正离子状态：失去多余电子后束缚在晶格内不能移动。2024/4/2131、N型半导体施主杂质(Donorimpurities)图示：N型半导体结构示意图五价原子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+52024/4/214图示：N型半导体结构示意图五价自由+4+4+4+4+4+41、N型半导体自由电子数=空穴数+施主杂质数少子(Minority)：空穴(Hole)多子(Majority)：自由电子(FreeElectron)N型半导体：电子型半导体2024/4/2151、N型半导体自由电子数=空穴数+施主杂质数少2、P型半导体受主杂质(Acceptorimpurities)

：掺入三价元素，如硼(B)、铝(Al)、铟(In)。负离子状态：易接受其它自由电子2024/4/2162、P型半导体受主杂质(Acceptorimpuriti图示：P型半导体结构示意图三价原子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3空穴空位2024/4/217图示：P型半导体结构示意图三价+4+4+4+4+4+4+4P型半导体空穴数=自由电子数+受主杂质数少子(Minority：自由电子(FreeElectron)多子(Majority)：空穴(Hole)P型半导体：空穴型半导体2024/4/218P型半导体空穴数=自由电子数+受主杂质数少子(杂质半导体的载流子浓度杂质半导体少子浓度主要由本征激发决定的杂质半导体多子浓度由搀杂浓度决定（是固定的）几乎与温度无关对温度变化敏感杂质半导体就整体来说还是呈电中性的2024/4/219杂质半导体的载流子浓度杂质半导体少子浓度主要由本征激发决定的半导体中的电流是由电场力引起的载流子定向运动漂移电流(DriftCurrent)扩散电流(DiffusionCurrent)由载流子浓度、迁移速度、外加电场强度等决定是由载流子浓度不均匀（浓度梯度）造成的扩散电流与浓度本身无关2024/4/220半导体中的电流是由电场力引起的载流子定向运动漂移电流(Dri§1.2PN结及其特性

PN结是构成半导体器件的核心结构。PN结是指使用半导体工艺使N型和P型半导体结合处所形成的特殊结构。PN结是半导体器件的心脏。2024/4/221§1.2PN结及其特性PN结是构成半导体器件的核心结构P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++

扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。势垒区，也称耗尽层。PN结的形成2024/4/222P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N说明：（1）空间电荷区（耗尽层、势垒区、高阻区）内几乎没有载流子，其厚度约为0.5μｍ（2）内电场的大小硅半导体：锗半导体：（3）当两边的掺杂浓度相等时，PN结是对称的当两边的掺杂浓度不等时，PN结不对称（4）从宏观上看，自由状态下，PN结中无电流2024/4/223说明：（1）空间电荷区（耗尽层、势垒区、高阻区）内几乎没有载－－－－++++PN－－－－++++E+_R1、PN结正向偏置——P区加正、N区加负电压内电场外电场变薄内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。正向电流正向导通2024/4/224－－－－++++PN－－－－++++E+_R1、PN结正向内电场外电场+_RE2、PN结反向偏置——P区加负、N区加正电压－－－－++++PN－－－－++++－－－－++++变厚内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子的漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。反向截止2024/4/225内电场外电场+_RE2、PN结反向偏置——P区加负、N三、半导体二极管

PN伏安曲线两种击穿：（1）齐纳击穿（场致激发）（2）雪崩击穿（碰撞激发）UI死区电压硅管0.4V锗管0.1V反向击穿电压UBR导通电压:硅管0.7V锗管0.3V开启电压:硅管0.6V锗管0.2V2024/4/226三、半导体二极管PN伏安曲线两种击穿：（1）齐纳击穿（场致二极管特性的解析式

伏安表达式：常温下则当时，，反向电流基本不变2024/4/227二极管特性的解析式伏安表达式：常温下则当二极管的等效电阻直流等效电阻也称静态电阻：交流等效电阻：常温下2024/4/228二极管的等效电阻直流等效电阻也称静态电阻：交流等效电阻：常温二极管的主要参数

最大整流电流IM：IM是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流反向击穿电压UBR：UBR是二极管反向电流明显增大，超过某个规定值时的反向电压反向电流IS：IS是二极管未击穿时的反向饱和电流。IS愈小，二极管的单向导电性最高工作频率fM：fM是二极管工作的上限频率愈好，IS对温度非常敏感2024/4/229二极管的主要参数最大整流电流IM：IM是二极管长期运行时允例1:

二极管电路分析理想二极管的特性（1）反向击穿电压远大于外加信号电压（2）反向电流为零（3）导通压降为零uiuott2024/4/230例1:二极管电路分析理想二极管的特性（1）反向击穿电压远大例2:

二极管“与”门(UD=0.3V)2024/4/231例2:二极管“与”门(UD=0.3V)2024/4/UI-IZ-IZM

UZ

IZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。五、稳压二极管+-2024/4/232UI-IZ-IZMUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。（3）最大稳定电流IZM（5）最大允许功耗2、稳压二极管的参数:（1）稳定电压

UZ（2）稳定电流IZ（4）动态电阻1、特点：反向击穿区非常陡峭。正常工作时处于反向击穿稳压二极管状态，工作点设在陡峭曲线的中间部分。2024/4/233（3）最大稳定电流IZM（5）最大允许功耗2、稳压二极管的参#不加R可以吗？稳压二极管应用当不变时：当不变时：2024/4/234#不加R可以吗？稳压二极管应用当不变时：当一、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§1.4半导体三极管BECIBIEICBECIBIEIC2024/4/235一、基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极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：掺杂浓度较高一、基本结构发射结集电结工作条件：发射结加正向电压集电结加反向电压2024/4/236BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面二、电流放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。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。1、晶体管内部载流子的运动（以NPN型管为例）2024/4/237二、电流放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区BECNNPEBRBECIEIC=ICEICE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。1、晶体管内部载流子的运动（以NPN型管为例）IB二、电流放大原理2024/4/238BECNNPEBRBECIEIC=ICEICE从基区扩散来的二、电流放大原理IBBECNNPEBRBECIEICEIC+-+iB+iC+iE直流放大倍数交流放大倍数2024/4/239二、电流放大原理IBBECNNPEBRBECIEICEIC+二、电流放大原理共基直流电流放大倍数以发射极直流电流IE作为输入电流，以集电极直流电流IC作为输出电流共基交流电流放大倍数2024/4/240二、电流放大原理共基直流电流放大倍数以发射极直流电流IE作为三极管的工作状态放大状态：发射结正偏，集电结反偏。VBB

大于发射结开启电压饱和状态：两个PN结均正偏。集电极电压降低，漂移作用减弱，失去放大能力截止状态：VBB

小于发射结开启电压，发射结反偏或零偏；集电结反偏。IB、IC和IE

都非常小倒置状态：相当于集、发对调使用,不能正常工作2024/4/241三极管的工作状态放大状态：发射结正偏，集电结反偏。VBB五、特性曲线1、实验线路ICmA

AVVUCEUBERBIBECEB输入特性曲线IB=f(UBE)|UCE=常数

输出特性曲线IC=f(UCE)|IB=常数2024/4/242五、特性曲线1、实验线路ICmAAVVUCEUBERBIBUCE1VIB(

A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V锗管UBE0.2~0.3VUCE=0VUCE=0.5V

死区电压硅管0.5V锗管0.2V2、输入特性2024/4/243UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.4IB(

A)UBE(V)204060800.40.8输入特性曲线的特点（1）UCE=0，相当于两个二极管并联运用。（2）UCE≠0时，整个曲线往右移当UCE＞0.5V后，曲线几乎重合（3）有一门限电压──晶体管开始导通时的基极电压（硅管0.5V，锗管0.1V）（4）晶体管正常工作时，发射结的压降变化不大（硅管0.7V，锗管0.3V）（5）输入特性是非线性的2024/4/244IB(A)UBE(V)204060800.40.8输入特性IC(mA)1234UCE(V)3691260AIB=020A40A80A100A2、输出特性2024/4/245IC(mA)1234UCE(V)3691260AIB=IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A★放大区：发射结正偏，集电结反偏。曲线平行等距，曲线的疏密反映了★截止区：发射结反偏，集电结反偏。IC≠βIB，IC=ICEO，此时VBE<0.5v（4）整个曲线可分为三个区★饱和区：发射结正偏，集电结正偏。IC≠βIB,，UCE0.3V输出特性曲线的特点（1）当IB=0时，IC≠0。这时的IC就是ICEO。（2）UCE=0时，IC=0。发射区注入到基区的电子不能被集电区所收集。当UCE＜1V，UCE↑→IC↑。（3）UCE>1V以后，随着UCE的增加，IC几乎不变。曲线几乎平行等距。并且IB越大，曲线越往上移。β的大小。β=ΔIC/ΔIB，IC受IB控制。2024/4/246IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.7mA；

IB=60A,IC=2.5mA。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A2024/4/247例：UCE=6V时：IC(mA)1234UCE(V)36频率参数

fβ──截止频率

fT──特征频率

1βfβmaxfT