北邮模电半导体器件基础解读课件.ppt

1、2019/4/16 1 电子电路基础电子电路基础第一讲 半导体器件基础半导体器件基础 2019/4/16 2 参考书目参考书目?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 2019/4/16 3 主要内容主要内容?1.1 半导体及其特性?1.2 PN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 2019/4/16 4 本征半导体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(Semic

2、onductor)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 2019/4/16 5 2、半导体性能、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 2019/4/16 6 1 1、硅、锗原子的简化模型、硅、锗原子的简化模型 半导体元素：均为四价元素 Ge Si+4 2019/4/16 7 半导体结构的描述半导体结构的描述?两种理论体系?共价键 结构?能级能带 结构 2019/4/16 8 共价键结构（平面图）共

3、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 2019/4/16 9 半导体中的载流子半导体中的载流子?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。2019/4/16 10 热激发（本征激发）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电子空穴对-自由电子(Free Electron)-空 穴(Hole)?两种载流子（带电粒子）是半导体的重要概念。20

4、19/4/16 11 本征激发与复合 合二为一 一分为二 本征激发 复 合 2019/4/16 12 杂质半导体杂质半导体 (Impurity Semiconductor)?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(N type)半导体?P型(P type)半导体 2019/4/16 13 1、N型半导体?施主杂质(Donor impurities)：?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。2019/4/16 14 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

5、+4+5 2019/4/16 15 1、N型半导体 自由电子数=空空 穴穴 数数+施主杂质数 少子(Minority)：空 穴(Hole)多子(Majority)：自由电子(Free Electron)?N型半导体：电子型半导体 2019/4/16 16 2、P型半导体?受主杂质(Acceptor impurities)：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 2019/4/16 17 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 2019/4/16 18 P型半导体型半导体 空 穴 数=自由电子数+受主

6、杂质数 少子(Minority：自由电子(Free Electron)多子(Majority)：空 穴(Hole)P型半导体：空穴型半导体 2019/4/16 19 杂质半导体的载流子浓度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 2019/4/16 20 半导体中的电流半导体中的电流 是由电场力引起的载流子定向运动 漂移电流漂移电流(Drift Current)扩散电流(Diffusion Current)由载流子浓度、迁移速度、外加电场强度等决定 是由载流

7、子浓度不均匀（浓度梯度）造成的 扩散电流与浓度本身无关 2019/4/16 21 1.2 PN1.2 PN结及其特性结及其特性?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。2019/4/16 22 P型半导体 N型半导体+扩散运动 内电场内电场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结的形成结的形成 2019/4/16 23 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

8、为 0.5（2）内电场的大小 硅半导体：0.6 0.8VdV?锗半导体：0.2 0.4VdV?（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 2019/4/16 24 +P N +E+_ R 1 1、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 2019/4/16 25 内电场 外电场+_ R E 2 2、PN 结反向偏置P 区加负、N 区加正电压 +P N +变厚 内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子的漂移加强，但

9、少子数量有限，只能形成较小的反向电流。反 向 截 止 2019/4/16 26 三、半导体二极管 P N?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）U I 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0.2V 2019/4/16 27 二极管特性的解析式二极管特性的解析式 (1)qukTSiIe?26TkTUmVq?(1)TuUSiIe?伏安表达式：?常温下 则 100umV?SiI?当 时，反向电流基本不变 2019/4/16 28 二极管的等效电阻二极管的等效电阻 DDDRUI?D

10、QQduurdii?26(mV)()(mA)TDQQUrII?直流等效电阻也称静态电阻：?交流等效电阻：?常温下 2019/4/16 29 二极管的主要参数二极管的主要参数?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 2019/4/16 30 例例1:二极管电路分析二极管电路分析?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

11、）反向电流为零（3）导通压降为零 DR+-iu+-ouui uo t t 2019/4/16 31 例例2:二极管二极管“与与”门门 (UD=0.3V)2019/4/16 32 U I-IZ-IZM?UZ?IZ 稳压误差 曲线越陡，电压越稳定。UZ 动态电阻：ZZIUZr?rz越小，稳压性能越好。五、稳压二极管五、稳压二极管 +-2019/4/16 33（3）最大稳定电流IZM（5）最大允许功耗 maxZZZMIUP?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 ZZIUZr?1、特点：反向击穿区非常陡峭。正常工作时处于反向击穿 稳压二极管稳压二极管 状态，工作

12、点设在陡峭曲线的中间部分。2019/4/16 34 +R-IR+-RL IO UO UI IZ DZ#不加R可以吗？稳压二极管应用 IU?oU?zI?RI?RU?zoUU?oU?当 不变时：LR当 不变时：IULR?oI?RI?oU?zI?RI?RU?oU?2019/4/16 35 一、基本结构 B E C N N P 基极 发射极 集电极 NPN型 P N P 集电极 基极 发射极 B C E PNP型 1.4 半导体三极管 B E C IB IE IC B E C IB IE IC 2019/4/16 36 B E C N N P 基极 发射极 集电极 基区：较薄，掺杂浓度低 集电区：面积

13、较大 发射区：掺 杂浓度较高 一、基本结构一、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 2019/4/16 37 二、电流放大原理 B E C N N P EB RB EC IE 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）2019/4/16 38 B E C N N P EB RB EC IE IC=ICE ICE 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

14、载流子的运动（以NPN型管为例）IB 二、电流放大原理 2019/4/16 39 CECBEBIIII?(1)ECBBIIII?二、二、电流放大原理电流放大原理 CBii?BIB B E C N N P EB RB EC IE ICE IC+-iu+iB+iC+iE?直流放大倍数?交流放大倍数 2019/4/16 40 CEII?CEii?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?1?1?2019/4/16 41 三极管的工作状态三极管的工作状态?放大状态放大状态：发射结正偏，集电结反偏。VBB 大于发射

15、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 2019/4/16 42 五、特性曲线五、特性曲线 1、实验线路、实验线路 IC mA?A V V UCE UBE RB IB EC EB 输入特性曲线IB=f(UBE)|UCE=常数 输出特性曲线IC=f(UCE)|IB=常数 2019/4/16 43 UCE?1V IB(?A)UBE(V)20 40 60 80 0.4 0.8 工作压降：硅管UBE?0.60.7V

16、锗管UBE?0.20.3V UCE=0V UCE=0.5V 死区电压 硅管0.5V 锗管0.2V 2、输入特性 2019/4/16 44 IB(?A)UBE(V)20 40 60 80 0.4 0.8 输入特性曲线的特点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）UCE0时，整个曲线往右移 当UCE0.5V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 2019/4/16 45 IC(mA )1 2 3 4 UCE(V)3 6

17、 9 12 60?A IB=0 20?A 40?A 80?A 100?A 2、输出特性 2019/4/16 46 IC(mA )1 2 3 4 UCE(V)3 6 9 12 IB=0 20?A 40?A 60?A 80?A 100?A 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。ICIB，IC=ICEO，此时VBE1V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。的大小。=IC/IB，IC受IB控制。2019/4/16 47 例：UCE=6V时：IB=40?A,IC=1.7 mA；IB=60?A,IC=

18、2.5 mA。5.4204.07.1IIBC_?4004.006.07.15.2IIBC?IC(mA )1 2 3 4 UCE(V)3 6 9 12 IB=0 20?A 40?A 60?A 80?A 100?A 2019/4/16 48 频率参数 f截止频率 fT特征频率 1 f max fT f 70.7%max 2019/4/16 49 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。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25?C、基极开路时的击穿电压U(

19、BR)CEO。IC UCE ICUCE=PCM ICM U(BR)CEO 安全工作区 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。PC?PCM 2019/4/16 50 1、必须使晶体管工作在安全区。2、若工作频率高，必须选用高频管。3、若要求导通电压低时选用锗管，若要求导通电压高时选用硅管。4、ICBO、ICEO越小越好。5、NPN管和PNP管对电源的极性要求不一样。七、晶体管的选择和使用注意事项七、晶体管的选择和使用注意事项 2019/4/16 51 小结小结?各种新名词及特性参数的定义?本征半导体与杂质半导体（N型与P型）?PN结及其单向导电性?二极管伏安特性曲线?二极管及稳压二极管的应用?三极管电流放大原理?三极管输入特性曲线与输出特性曲线 2019/4/16 52 作业作业?1.11，1.13，1.14，1.16，1.18