半导体基础知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,华成英,第一章 半导体二极管和三极管,第一章 半导体二极管和三极管,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 晶体三极管,1 半导体基础知识,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、,PN,结的形成及其单向导电性,四、,PN,结的电容效应,一、,本征半导体,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,1、什么是半导体？什么是本征半导体？,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,无杂质,稳定的结构,2、本征半导体的结构,由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。,共价键,一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,动态平衡,两种载流子,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。,为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？,3、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。,热力学温度0K时不导电。,二、杂质半导体,1.,N,型半导体,磷（P）,杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。,多数载流子,空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？,2.,P,型半导体,硼（B）,多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，,在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？,三、,PN,结的形成及其单向导电性,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,扩散运动,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。,PN,结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,漂移运动,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,PN,结加正向电压导通：,耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,PN,结加反向电压截止：,耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。,PN,结的单向导电性,必要吗？,四、,PN,结的电容效应,1. 势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容,C,b,。,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容,C,d,。,结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,问题,为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？,为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？,为什么半导体器件有最高工作频率？,2 半导体二极管,一、二极管的组成,二、二极管的伏安特性及电流方程,三、二极管的等效电路,四、二极管的主要参数,五、稳压二极管,一、二极管的组成,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压,二极管,发光,二极管,一、二极管的组成,点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。,面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。,平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。,二、二极管的伏安特性及电流方程,材料,开启电压,导通电压,反向饱和电流,硅Si,0.5V,0.50.8V,1,A,以下,锗Ge,0.1V,0.10.3V,几十,A,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的,电压当量,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,利用,Multisim,测试二极管伏安特性,从二极管的伏安特性可以反映出：,1. 单向导电性,2.,伏安特性受温度影响,T,（）在电流不变情况下管压降,u,反向饱和电流,I,S,，,U,(BR),T,（）正向特性左移,，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,三、二极管的等效电路,理想,二极管,近似分析中最常用,理想开关,导通时,U,D,0截止时,I,S,0,导通时,U,D,U,on,截止时,I,S,0,导通时,i,与,u,成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,1. 将伏安特性折线化,？,100V？5V？1V？,2. 微变等效电路,Q,越高，,r,d,越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,u,i,=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,四、二极管的主要参数,最大整流电流,I,F,：最大平均值,最大反向工作电压,U,R,：最大瞬时值,反向电流,I,R,：即,I,S,最高工作频率,f,M,：因PN结有电容效应,第四版P20,讨论：,解决两个问题,如何判断二极管的工作状态？,什么情况下应选用二极管的什么等效电路？,u,D,=,V,iR,Q,I,D,U,D,V,与,u,D,可比，则需图解：,实测特性,对,V,和,U,i,二极管,的模型有什么不同？,五、稳压二极管,1. 伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,2. 主要参数,稳定电压,U,Z,、稳定电流,I,Z,最大功耗,P,ZM,I,ZM,U,Z,动态电阻,r,z,U,Z,/,I,Z,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,限流电阻,斜率？,1.3,晶体三极管,一、晶体管的结构和符号,二、晶体管的放大原理,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,一、晶体管的结构和符号,多子浓度高,多子浓度很低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,小功率管,中功率管,大功率管,为什么有孔？,二、晶体管的放大原理,扩散运动形成发射极电流,I,E,，复合运动形成基极电流,I,B,，漂移运动形成集电极电流,I,C,。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,电流分配：,I,E,I,B,I,C,I,E,扩散运动形成的电流,I,B,复合运动形成的电流,I,C,漂移运动形成的电流,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,为什么,U,CE,增大曲线右移？,对于小功率晶体管，,U,CE,大于1V的一条输入特性曲线可以取代,U,CE,大于1V的所有输入特性曲线。,为什么像PN结的伏安特性？,为什么,U,CE,增大到一定值曲线右移就不明显了？,1. 输入特性,2. 输出特性,是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下 ?,对应于一个,I,B,就有一条,i,C,随,u,CE,变化的曲线。,为什么,u,CE,较小时,i,C,随,u,CE,变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？,饱和区,放大区,截止区,晶体管的三个工作区域,晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流,i,C,几乎仅仅决定于输入回路的电流,i,B,，即可将输出回路等效为电流,i,B,控制的电流源,i,C,。,状态,u,BE,i,C,u,CE,截止,U,on,I,CEO,V,CC,放大,U,on,i,B,u,BE,饱和,U,on,i,B,u,BE,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,直流参数,： 、 、,I,CBO,、,I,CEO,c-e间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，,P,CM,i,C,u,CE,安全工作区,交流参数：,、,、,f,T,（使,1,的信号频率）,极限参数,：,I,CM,、,P,CM,、,U,（,BR,）,CEO,讨论一,由图示特性求出,P,CM,、,I,CM,、,U,（BR）CEO,、,。,2.7,u,CE,=1V时的,i,C,就是,I,CM,U,（BR）CEO,讨论二：,利用Multisim测试晶体管的输出特性,利用Multisim分析图示电路在V2小于何值时晶体管截止、大于何值时晶体管饱和。,讨论三,以V2作为输入、以节点1作为输出，采用直流扫描的方法可得！,约小于0.5V时截止,约大于1V时饱和,描述输出电压与输出电压之间函数关系的曲线，称为电压传输特性。,