任务3半导体基础知识课件.ppt

1、引入：物体分类引入：物体分类根据物体的导电性，可将物体分为：根据物体的导电性，可将物体分为：导体：低价元素，导电导体：低价元素，导电绝缘体：高价元素或高分子元素，不导电绝缘体：高价元素或高分子元素，不导电半导体：半导体：四价元素四价元素，导电能力介于以上二者之间，导电能力介于以上二者之间3.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 热敏性热敏性 光敏性光敏性 掺杂性掺杂性GeSi现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，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。的最外层电子（价电子）都是四个。一、本征半导体一、本征半导体1、定义：化学成分、定义：化学成分完全纯净

2、完全纯净的半导体制成的半导体制成单晶体单晶体结构。结构。2、共价键结构、共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子硅和锗的共硅和锗的共价键结构价键结构3.1 半导体的导电特性半导体的导电特性3、理解理解本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理温度为温度为0K时，无自由电子，不导电时，无自由电子，不导电常温常温300K时，少数自由电子时，少数自由电子本征激发本征激发+4+4+4+4本征半导体中有两种载流载流子子：自由电子和空穴自由电子和空穴，二者总是成对出现温度温度越高，载流子的浓度越越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力

3、高，本征半导体的导电能力越强越强载流子的产生与复合动载流子的产生与复合动态平衡温度一定，浓度态平衡温度一定，浓度一定一定3.1 半导体的导电特性半导体的导电特性二、杂质半导体二、杂质半导体本征半导体本征半导体特点特点？1、电子浓度、电子浓度=空穴浓度；空穴浓度；2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！、载流子少，导电性差，温度稳定性差！(1)N型半导体(2)P型半导体在本征半导体中掺入微量元素杂质半导体在本征半导体中掺入微量元素杂质半导体3.1 半导体的导电特性半导体的导电特性(1)N型半导体掺掺 杂杂：掺入：掺入少量少量五价杂质元素（如：磷）五价杂质元素（如：磷）+4+4+5+4多余多余电子电

4、子磷原子磷原子特特 点点：多多数载流数载流子子：自由自由电子电子（主要由主要由杂质原子提供）杂质原子提供）少少数载流数载流子子：空穴：空穴（由本征激发形成）（由本征激发形成）(2(2）P型半导体型半导体（空穴型半导体）空穴型半导体）掺掺 杂杂：掺入：掺入少量少量三价杂质元素（如：硼）三价杂质元素（如：硼）特特 点点：多子多子：空穴空穴（主要由主要由杂质原子提供）杂质原子提供）少子少子：自由电子：自由电子（由热激发形成）由热激发形成）+4+4+3+4杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体(3)杂质对半导体导电性的影响1.杂质半导体中杂质半导体中的移

5、动能形成电流。的移动能形成电流。2.掺入杂质越多，多子浓度越掺入杂质越多，多子浓度越 ，少子浓，少子浓度越度越。3.当温度升高时，多子的数量当温度升高时，多子的数量 ，少子的，少子的数量数量。影响很大影响很大起导电作用的主要是起导电作用的主要是多子多子。多子的数量主要与。多子的数量主要与杂质浓度杂质浓度有关，近似认为多子与杂质浓度相等，有关，近似认为多子与杂质浓度相等，受温度影响受温度影响小小。少子浓度对少子浓度对温度温度敏感，影响半导体性能。敏感，影响半导体性能。(3)杂质对半导体导电性的影响小结小结 1、半导体的导电能力与、半导体的导电能力与、和和 有关。有关。2、在一定温度下，本征半导体

6、因、在一定温度下，本征半导体因而而产生产生，故其有一定的导电能力。，故其有一定的导电能力。3、本征半导体的导电能力主要由、本征半导体的导电能力主要由决定；杂决定；杂质半导体的导电能力主要由质半导体的导电能力主要由决定。决定。4、P型半导体中型半导体中是多子，是多子，是是少子。少子。N型半导体中型半导体中是多子，是多子，是少是少子。子。本征激发本征激发自由电子和空穴对自由电子和空穴对温度温度掺杂浓度掺杂浓度空穴空穴自由电子自由电子自由电子自由电子空穴空穴温度温度 光强光强杂质浓度杂质浓度P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的

7、结果是使空间电荷区加宽，使内电场越荷区加宽，使内电场越强。强。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也叫耗尽层。也叫耗尽层。三、三、PN结结漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E当扩散和漂移达到动态平衡时，空间电荷区的宽度基当扩散和漂移达到动态平衡时，空间电荷区的宽度基本不变。扩散电流与漂移电流大小相等方向相反。本不变。扩散电流与漂移电流大小相等方向相反。三、三、PN结结1 1、PN结的形成结的形成浓度差浓度差 多子扩散多子扩散空间电荷区空间电荷区(杂质离

8、子杂质离子)内电场内电场 促使少子漂移促使少子漂移 阻止多子扩散阻止多子扩散 PN结的实质：PN结=空间电荷区=耗尽层3.1 半导体的导电特性半导体的导电特性三、三、PN结结2 2、PN结的单向导电性结的单向导电性PN 结变窄结变窄 外电场外电场I内电场内电场PN+RI+2 2、PN结的单向导电性结的单向导电性 内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IS+正向导通，反向截止正向导通，反向截止2 2、PN结的单向导电性结的单向导电性IS结构示意图结构示意图一、了解结构类型和符号一、了解结构类型和符号

9、PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路用于检波和变频等高频电路二极管二极管=PN结结+引线引线+管壳。管壳。类型：类型：点接触型、面接触型点接触型、面接触型和和平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳(a )点接触型点接触型PN结面积大，用结面积大，用于低频大电流整流电路于低频大电流整流电路PN 结面积大的用于大功率整结面积大的用于大功率整流，结面积小的用作开关管。流，结面积小的用作开关管。结构示意图结构示意图铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线(b )面接触型面接

10、触型阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅(c)平面型平面型阴极阴极阳极阳极(d )符号符号D符号符号反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+室温附近，温度每升高室温附近，温度每升高1C，正向压降减小，正向压降减小 2-2.5 mV，温度每升高，温度每升高10 C，反向电流增大约一倍，反向电流增大约一倍。指二极管未击穿时的反向电流。指二极管未击穿时的反向电流。愈小愈好。愈小愈好。一般一般几纳安到几微安。几纳安到几微安。4.最高工作频率最高工作频率fM:其值主要决定于其值主要决定于PN结结电容的结结电容的大小。结电容愈大，则大小

11、。结电容愈大，则fM愈低。愈低。死区电压死区电压=0 导通电压导通电压=0vDOiD1、理想二极管、理想二极管vDOiD2、恒压降模型、恒压降模型死区电压死区电压=0.7V导通电压导通电压 0.7V（硅管）（硅管）四、熟练应用二极管的等效电路四、熟练应用二极管的等效电路UIIZIZmax UZ IZ稳压稳压误差误差曲线越陡，曲线越陡，电压越稳电压越稳定。定。+-UZ动态电阻：动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳压越小，稳压性能越好。性能越好。（2）稳定电流稳定电流IZ：稳压管工作在稳压状态时的参考电流，稳压管工作在稳压状态时的参考电流，电流低于此值时稳压效果变坏。电流低于此值时稳压效果变坏。IZ

12、min（4）额定功耗额定功耗maxZZZMIUP稳压二极管的参数稳压二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压 UZ：规定电流下稳压管的反向击穿电压：规定电流下稳压管的反向击穿电压（5）温度系数温度系数（%/）稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻动态电阻ZZIUZr1.1.光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加照度增加 有有正向正向电流流过时发光。电流流过时发光。电光的能量电光的能量转换器件。转换器件。电路中常用做指示或显示及光信息传送。电路中常用做指示或显示及光信息传送。七段显示发光二极管3.3.发光二

13、极管发光二极管符号2022-11-18e：发射区b：基区c：集电区集电集电结结发射结发射结基区基区集电区集电区发射区发射区三极三极:三区三区:两结两结:发射极发射极e e(Emitter),基极基极b b(Base),集电极集电极c c(Collector)发射结发射结集电结集电结NNPBEC两种类型两种类型:NPN和和PNPPNP电路符号电路符号NPN电路符号电路符号BECIBIEICBECIBIEICIE=IC+IB IC=IB IE =(1+)IBIC=IB共射极共射极电流放大倍数电流放大倍数2022-11-182.放大条件放大条件内部内部条件？条件？三区掺杂不同！三区掺杂不同！发射结正

14、偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。对对NPN型：型：VC VB VE对对PNP型：型：VC VB VE 外部外部条件：条件：NPNebc电子空穴IENICNIEPICBOIEICIBIBN空穴流与电流方向相同；空穴流与电流方向相同；电子流与电流方向相反。电子流与电流方向相反。IE=IEN+IEP且IEN IEPIC=ICN+ICBO ICN=IEN-IBN IB=IEP+IBN-ICBO推导ebc两个二极管能否代两个二极管能否代替一个三极管？替一个三极管？不能！不能！晶体管各电极电压与电流的关系曲线。晶体管各电极电压与电流的关系曲线。重点讨论应用最广泛的重点讨论应用最广泛的共发射极共发射

15、极接法的特性曲线接法的特性曲线1.输入特性输入特性UCE 1ViB(A)uBE(V)204060800.40.8UCE=0VUCE=0.5VUCE不变时，呈指数关系曲线不变时，呈指数关系曲线UCE增大时，曲线右移增大时，曲线右移qiB=f(uBE)UCE=const2.输出特性输出特性iC(mA )1234uCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域满此区域满足足IC=IB称为线性称为线性区（放大区（放大区）。区）。当当UCE大于一大于一定的数值时，定的数值时，IC只与只与IB有关，有关，IC=IB。qiC=f(uCE)IB=constIC(mA )1234U

16、CE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中:IB=0,IC0,UBEIC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。qiC=f(uCE)IB=const输出特性三个区域的特点输出特性三个区域的特点:(1)放大区：放大区：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。即：即：IC=IB,且且 IC=IB(2)饱和区：饱和区：发射结正偏，集电结正偏。发射结正偏，集电结正偏。即：即：UCE UBE，IBIC，UCE 0.3V(3)截止区：截止区：UBE 死区电压且集电结反偏，死区电压且集电结反偏，此时此时 IB=0，IC=ICEO 0 应当指出，当应当指出

17、，当uCE增大到某一值时，增大到某一值时，iC将急剧增将急剧增加，这时三极管发生击穿。加，这时三极管发生击穿。例例1 1：测量三极管三个电极对地电位如图。试判断：测量三极管三个电极对地电位如图。试判断三极管的工作状态。三极管的工作状态。放大截止饱和1.1.电流放大系数电流放大系数共射直流放大系数共射直流放大系数共射交流电流放大系数共射交流电流放大系数constUBCCEII当当ICBO和和ICEO很小时，很小时，BCII53704051BC.II 400400605132BC .II ICBO A+EC AICEOIB=0+ICEO=（1+）ICBO 32ICMU(BR)CEO安全工作区安全工

18、作区ICUCEOq结型场效应管结型场效应管JFETqN N沟道结型场效应管沟道结型场效应管qP P沟道结型场效应管沟道结型场效应管q绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSq增强型增强型qN 沟道增强型沟道增强型MOS管管qP 沟道增强型沟道增强型MOS管管q耗尽型耗尽型qN 沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管qP沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管一、结型场效应管一、结型场效应管JFETJFET1、结构及电路符号结构及电路符号N基底基底：N型半导体型半导体PP两边是两边是P区区S源极源极D漏极漏极导电沟道导电沟道G(栅极栅极)DGSN沟道结型场效应管沟道结型场效应管P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DG

19、SPG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极NN2、工作原理（以、工作原理（以N沟道为例）沟道为例）uDS=0V时时NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDPN结反偏，结反偏，|uGS|越大则耗尽层越越大则耗尽层越宽，导电沟道越宽，导电沟道越窄。窄。UDS=0时时NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDNDPPuGS达到一定值时达到一定值时（夹断电压夹断电压UGS(off)）,耗尽区碰到一起，耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，间被夹断，这时，即使即使UDS 0V，漏极，漏极电流电流ID=0A。NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDUGS(off)uGS0时时当当uDS=0时，时，iD=0。

20、NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDDPPNuDSiD 靠近漏极处的耗尽靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。布。UGS(off)uGS0时时NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDNDPP当当uDS,使使uGD=uG S-uDS=UGS（off)时，时，在靠漏极处夹断在靠漏极处夹断预夹断。预夹断。UGS(off)uGS0时时NGSDVDDVGG（uGS）NNPPIDNDPPuDS再再，预夹断点下移。，预夹断点下移。UGS(off)uGS0 N沟道沟道增强型增强型MOS管只管只能工作在能工作在UGS UGS(th)0三、场效应管的主要参数三、场效应管的

21、主要参数直流参数直流参数交流参数交流参数极限参数极限参数夹断电压夹断电压UGS(off)夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FET的参数，当的参数，当UGS=UGS(off)时时,漏极电流为零。漏极电流为零。饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应管当耗尽型场效应管当UGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。直流输入电阻直流输入电阻RGS(DC)栅源间所加的恒定电压栅源间所加的恒定电压UGS与栅极电流与栅极电流IG之比。之比。结型场效应管结型场效应管RGS(DC)约大于约大于107，MOS管管RGS(DC)约是约是1091015。（1）直流参数）直流参数开启电压开启电压UGS(th)

22、开启电压是开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值开启电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。低频跨导低频跨导gm：数值大小反映了：数值大小反映了uGS对对iD控制作用的强弱。控制作用的强弱。常数DSUGSDmuiggm是转移特性曲线上某一点的切线斜率，由于转移是转移特性曲线上某一点的切线斜率，由于转移特性曲线的非线性，特性曲线的非线性，iD越大，越大，gm也越大。也越大。（2）交流参数）交流参数极间电容：极间电容：Cgs栅极与源极间电容栅极与源极间电容 Cgd 栅极与漏极间电容栅极与漏极间电容 Cds 漏极与源极间电容漏极与源极间电容最大漏极电流最大漏极电流 IDB：管子正常工作时漏极电流的上限值。：管子正常工作时漏极电流的上限值。（3）极限参数）极限参数击穿电压：击穿电压：a.漏源击穿电压漏源击穿电压U(BR)DS：使：使ID开始剧增时的开始剧增时的UDS。b.栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR)GSJFET：使：使PN结反向击穿的栅源电压结反向击穿的栅源电压MOS：使：使SiO2绝缘层击穿的电压绝缘层击穿的电压最大耗散功率最大耗散功率PDM：决定于管子允许的温升：决定于管子允许的温升PDMIDM U(BR)DS四、场效应管与晶体管的比较