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半导体的基本知识第1页，本讲稿共38页 半导体器件是现代电子电路的重要组成部分。本章简要地介绍半导体的基础知识，讨论半导体的核心环节PN结，阐述了半导体二极管、双极性晶体管（BJT）和场效应管（FET）的工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路和分析方法。对晶闸管和集成电路中的元件也进行了简要介绍。内容简介第2页，本讲稿共38页1.半导体材料半导体材料 根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，来划分导体、绝的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。缘体和半导体。导导 体体：109cm 半导体半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。：导电性能介于导体和绝缘体之间。2.半导体的晶体结构半导体的晶体结构 典型的元素半导体有典型的元素半导体有硅硅Si和和锗锗Ge，此外，还有化合物，此外，还有化合物半导体半导体砷化镓砷化镓GaAs等。等。1.1 半导体的基本知识第3页，本讲稿共38页3.本征半导体本征半导体 本征半导体本征半导体：化学成分纯净、结构完整的半导体。它：化学成分纯净、结构完整的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。在物理结构上呈单晶体形态。半导体的导电性能是由其原子结构决定的，就元素半导体硅和锗而言，其原子序数分别为14和32，但它们有一个共同的特点：即原子最外层的电子（价电子）数均为4，其原子结构和晶体结构如图1.1.1所示。HomeNextBack 本征激发(热激发）:受温度、光照等环境因素的影响，半导体共价键中的价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象，称之为本征激发（热激发）（见图1.1.2）。第4页，本讲稿共38页 电子空穴对电子空穴对：由本征激发（热激发）而产生的自由：由本征激发（热激发）而产生的自由电子和空穴总是成对出现的，称为电子空穴对。所以，电子和空穴总是成对出现的，称为电子空穴对。所以，在本征半导体中：在本征半导体中：ni=pi （ni自由电子的浓度；自由电子的浓度；pi空穴的浓度）。空穴的浓度）。空穴：共价键中的空位。K1常数，硅为常数，硅为3.87 10-6K-3/2/cm3，锗为，锗为1.76 10-6 K-3/2/cm3；T热力学温度；热力学温度；EGO禁带禁带宽度，宽度，硅为硅为1.21eV，锗为，锗为0.785eV；k波耳兹曼波耳兹曼常数，常数，8.63 10-5 eV/K。（。（e单位电荷，单位电荷，eV=J）第5页，本讲稿共38页 载流子载流子：能够参与导电的带电粒子。：能够参与导电的带电粒子。空白半导体中载流子的移动：如图1.1.3所示。从图中可以看出，空穴可以看成是一个带正电的粒子，和自由电子一样，可以在晶体中自由移动，在外加电场下，形成定向运动，从而产生电流。所以，在半导体中具有两种载流子：自由电子和空穴。（1）两种载流子的产生与复合，在一定温度下达到动态平衡，则ni=pi的值一定；（2）ni与pi 的值与温度有关，对于硅材料，大约温度每升高8oC，ni 或pi 增加一倍；对于锗材料，大约温度每升高12 oC，ni 或pi 增加一倍。第6页，本讲稿共38页4.杂质半导体 杂质半导体：在本征半导体中参入微量的杂质形成的半导体。根据参杂元素的性质，杂质半导体分为P型（空穴型）半导体和N型（电子型）半导体。由于参杂的影响，会使半导体的导电性能发生显著的改变。：在本征半导体中参入微量三价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.4所示。常用的三价元素的杂质有硼、铟等。P型半导体第7页，本讲稿共38页 受主杂质：因为三价元素的杂质在半导体中能够接受电子，故称之为受主杂质或P型杂质。多子与少子多子与少子：P P型半导体在产生空穴的同时，并不产生新型半导体在产生空穴的同时，并不产生新的自由电子，所以控制参杂的浓度，便可控制空穴的数量。的自由电子，所以控制参杂的浓度，便可控制空穴的数量。在在P P型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，称之为称之为多数载流子多数载流子，简称，简称多子多子；而自由电子为；而自由电子为少数载流少数载流子子，简称，简称少子少子。：既然P型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，所以，P型半导体带正电。此说法正确吗？思考题第8页，本讲稿共38页 ：在本征半导体中参入微量五价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.5所示。常用的三价元素的杂质有磷、砷和锑等。N型半导体 施主杂质施主杂质：因为五价元素的杂质在半导体中能够：因为五价元素的杂质在半导体中能够产生多余的电子，故称之为施主杂质或产生多余的电子，故称之为施主杂质或N N型杂质。型杂质。在在N N型半导体中，自由电子为多数载流子，而空穴型半导体中，自由电子为多数载流子，而空穴为少数载流子。为少数载流子。第9页，本讲稿共38页 综上所述，在杂质半导体中，因为参杂，载流子的综上所述，在杂质半导体中，因为参杂，载流子的数量比本征半导体有相当程度的增加，尽管参杂的含量数量比本征半导体有相当程度的增加，尽管参杂的含量很小，但对半导体的导电能力影响却很大，使之成为提很小，但对半导体的导电能力影响却很大，使之成为提高半导体导电性能最有效的方法。高半导体导电性能最有效的方法。掺杂掺杂 对本征半导体的对本征半导体的导电性的影响，其典型数据如下导电性的影响，其典型数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:ni=pi=1.41010/cm3 掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:ni=51016/cm3 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。HomeNextBack第10页，本讲稿共38页小小 结结 本讲主要介绍了下列半导体的基本概念：本讲主要介绍了下列半导体的基本概念：本征半导体本征半导体 本征激发、空穴、载流子本征激发、空穴、载流子 杂质半导体杂质半导体 P P型半导体和型半导体和N N型半导体型半导体 受主杂质、施主杂质、多子、少子受主杂质、施主杂质、多子、少子第11页，本讲稿共38页二二.PN.PN结的单向导电性结的单向导电性 正偏与反偏正偏与反偏：当外加电压使：当外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称正偏；反之，简称正偏；反之称为称为加反向电压，加反向电压，简称反偏。简称反偏。一.PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成P型半导体和N型半导体。此时将在P型半导体和N型半导体的结合面上形成的物理过程示意图如图1.1.6所示。5.PN结 第12页，本讲稿共38页1.PN结加正向电压 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，PN结导通。其示意图如 图1.1.7所示。Home2.PN2.PN结加反向电压结加反向电压 PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，电流，PN结截止。其示意图如结截止。其示意图如 图图1.1.8所示。所示。3.PN3.PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结加正向电压（正偏）时导通；加反向电压（反偏）结加正向电压（正偏）时导通；加反向电压（反偏）时截止的特性，称为时截止的特性，称为PN结的单向导电性结的单向导电性。第13页，本讲稿共38页三.PN结的特性曲线 1.PN结的V-I 特性表达式式中，式中，IS 反向饱和电流；反向饱和电流；n 发射系数，与发射系数，与PN结的结的的尺寸、材料等有关，其值为的尺寸、材料等有关，其值为12；VT 温度的电压温度的电压当量，且在常温下（当量，且在常温下（T=300K）:VT=kT/q=0.026V=26mV第14页，本讲稿共38页2.PN结的正向特性HomeNextBack 死区电压死区电压Vth硅材料为硅材料为0.5V左右；锗材料左右；锗材料为为0.1V左右。左右。导通电压导通电压Von硅材料为硅材料为0.60.7V左右；左右；锗材料为锗材料为0.20.3V左右。左右。Is=10-8AVT=26mVn=2死区电压导通电压图1.1.9 PN结的正向特性第15页，本讲稿共38页3.PN结的反向特性HomeNextBack 反向电流：反向电流：在一定温度下，在一定温度下，少子的浓度一定，少子的浓度一定，当反向电压达到当反向电压达到一定值后，反向一定值后，反向电流电流IR 即为反向即为反向饱和电流饱和电流IS，基，基本保持不变。本保持不变。反向电流受温反向电流受温度的影响大。度的影响大。-IS图1.1.10 PN结的反向特性锗管硅管第16页，本讲稿共38页4.PN结的反向击穿特性HomeNextBack 反向击穿：反向击穿：当当反向电压达到一反向电压达到一定数值时，反向定数值时，反向电流急剧增加的电流急剧增加的现象称为反向击现象称为反向击穿（穿（电击穿电击穿）。）。若不加限流措施，若不加限流措施，PN结将过热而损结将过热而损坏，此称为坏，此称为热击热击穿穿。电击穿是可。电击穿是可逆的，而热击穿逆的，而热击穿是不可逆的，应是不可逆的，应该避免。该避免。图1.1.11 PN结的反向击穿特性VBR第17页，本讲稿共38页HomeNextBack 反向击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。雪崩击穿：雪崩击穿：当反向电压增加时，空间电荷区的电场随之当反向电压增加时，空间电荷区的电场随之增强，使通过空间电荷区的电子和空穴获得的能量增大，增强，使通过空间电荷区的电子和空穴获得的能量增大，当它们与晶体中的原子发生碰撞时，足够大的能量将导致当它们与晶体中的原子发生碰撞时，足够大的能量将导致碰撞电离。而新产生的电子碰撞电离。而新产生的电子-空穴对在电场的作用下，同样空穴对在电场的作用下，同样会与晶体中的原子发生碰撞电离，再产生新的电子会与晶体中的原子发生碰撞电离，再产生新的电子-空穴对，空穴对，形成载流子的形成载流子的倍增效应倍增效应。当反向电压增加到一定数值时，。当反向电压增加到一定数值时，这种情况就象发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反这种情况就象发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增加，于是导致了向电流急剧增加，于是导致了PN结的雪崩击穿。结的雪崩击穿。齐纳击穿：齐纳击穿：齐纳击穿的机理与雪崩击穿不同。在较高的齐纳击穿的机理与雪崩击穿不同。在较高的反向电压作用下，空间电荷区的电场变成强电场，有足够反向电压作用下，空间电荷区的电场变成强电场，有足够的能力破坏共价键，使束缚在共价键中的电子挣脱束缚而的能力破坏共价键，使束缚在共价键中的电子挣脱束缚而形成电子形成电子-空穴对，造成载流子数目的急剧增加，从而导致空穴对，造成载流子数目的急剧增加，从而导致了了PN结的齐纳击穿。结的齐纳击穿。第18页，本讲稿共38页四.PN结的电容效应HomeNextBack 1.势垒电容势垒电容Cb图1.1.12 势垒电容示意图 PN结外加电压变化，空间结外加电压变化，空间电荷区的宽度将随之变化，即电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压增耗尽层的电荷量随外加电压增加或减少，呈现出电容充放电加或减少，呈现出电容充放电的性质，其等效的电容称之为的性质，其等效的电容称之为势垒电容势垒电容Cb。当。当PN结加反向电结加反向电压时，压时，Cb明显随外加电压变化，明显随外加电压变化，利用该特性可以制成各种变容二极利用该特性可以制成各种变容二极管。管。第19页，本讲稿共38页2.扩散电容Cd图1.1.13 扩散电容示意图HomeNextBack PN结外加正向电压结外加正向电压变化，扩散区的非平衡少变化，扩散区的非平衡少子的数量将随之变化，扩子的数量将随之变化，扩散区内电荷的积累与释放散区内电荷的积累与释放过程，呈现出电容充放电过程，呈现出电容充放电的性质，其等效的电容称的性质，其等效的电容称之为扩散电容之为扩散电容Cd。结电容结电容Cj=Cb+Cd 反偏时，势垒电容反偏时，势垒电容Cb为主；正偏时，扩散电容为主；正偏时，扩散电容Cd为主。低频时忽略，为主。低频时忽略，只有频率较高时才考虑结只有频率较高时才考虑结电容的作用。电容的作用。第20页，本讲稿共38页本本本本 讲讲讲讲 小小小小 结结结结本讲主要介绍了以下基本内容：本讲主要介绍了以下基本内容：PNPN结形成：扩散、复合、空间电荷区（耗尽层、势垒结形成：扩散、复合、空间电荷区（耗尽层、势垒区、阻挡层、内建电场）、动态平衡区、阻挡层、内建电场）、动态平衡 PNPN结的单向导电性：正偏导通、反偏截止结的单向导电性：正偏导通、反偏截止 PNPN结的特性曲线：结的特性曲线：正向特性：死区电压、导通电压正向特性：死区电压、导通电压 反向特性：反向饱和电流、温度影响大反向特性：反向饱和电流、温度影响大 击穿特性：电击穿（雪崩击穿、齐纳击穿）、热击穿击穿特性：电击穿（雪崩击穿、齐纳击穿）、热击穿 PNPN结的电容效应：势垒电容、扩散电容结的电容效应：势垒电容、扩散电容第21页，本讲稿共38页HomeNext1.半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。一一.点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型 图1.2.1 二极管的结构示意图第22页，本讲稿共38页HomeNext二.面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型图1.2.1 二极管的结构示意图Back第23页，本讲稿共38页HomeNext三.平面型二极管 往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(c)平面型图1.2.1 二极管的结构示意图阴极引线阳极引线PNP型支持衬底Back第24页，本讲稿共38页HomeNext四.二极管的图形符号Back 图1.2.2 二极管的符号k阴极阳极a2.2.半导体二极管的半导体二极管的V-I特性特性 二极管的特性与二极管的特性与PN结的特性基本相同，也分正向特性、结的特性基本相同，也分正向特性、反向特性和击穿特性。其差别在于二极管存在体电阻和引反向特性和击穿特性。其差别在于二极管存在体电阻和引线电阻，在电流相同的情况下，其压降大于线电阻，在电流相同的情况下，其压降大于PN结的压降。结的压降。在此不再赘述在此不再赘述。第25页，本讲稿共38页HomeNextBack图1.2.3 半导体二极管图片第26页，本讲稿共38页3.半导体二极管的参数 (1)最大整流电流最大整流电流IF(2)反向击穿电压反向击穿电压VBR和最大和最大反向工作电压反向工作电压VR(3)反向电流反向电流IR(4)正向压降正向压降VF(5)最高工作频率最高工作频率fM(6)结电容结电容Cj图1.2.4 二极管的高频等效道路HomeNextBack ：如何用万用表的：如何用万用表的“”档来辨别一档来辨别一只二极管的阳极、阴极以及二极管的好坏只二极管的阳极、阴极以及二极管的好坏？思考题第27页，本讲稿共38页4.二极管的等效模型电路（1）理想模型）理想模型图1.2.5 二极管的理想等效模型正偏时：uD=0,RD=0;反偏时：iD=0,RD=。相当于一理想电子开关。HomeNextBack第28页，本讲稿共38页HomeNext（2）恒压降模型Back 正偏时：uD=Uon,RD=0;反偏时：iD=0,RD=。相当于一理想电子开关和恒压源的串联。图1.2.6 二极管的恒压降等效模型第29页，本讲稿共38页HomeNext（3）折线型模型Back 正偏时：uD=iDrD+UTH;反偏时：iD=0,RD=。相当于一理想电子开关、恒压源和电阻的串联。图1.2.7 二极管的折线型等效模型第30页，本讲稿共38页HomeNext（4）小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。Back即根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）图1.2.8 二极管的小信号等效模型第31页，本讲稿共38页HomeNext5.二极管基本电路及模型分析法（1）二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析BackID+VD-R 10K+VDD20VID+VD-R 10K+VDD20VID+VD-R 10K+VDD20V+Von(a)原电路(b)理想模型电路(c)恒压降模型电路图1.2.9 例1.2.1的电路图解：（1）理想模型，VD=0，则（2）恒压降模型，VD=0.7V，则例例1.2.1 求图求图1.2.9（a）所示电路的硅二极管电流）所示电路的硅二极管电流ID和电压和电压VD。第32页，本讲稿共38页HomeNext（2）二极管限幅电路Back解：请观看仿真波形解：请观看仿真波形!ID+vo-R 10K+vi20V图1.2.10 例1.2.2 电路图VREF 例1.2.2 如图1.2.10 所示电路。试画出VREF分别为0、10V时的波形。其中vi=10sintV。（3）二极管开关电路二极管开关电路 例1.2.3 如图1.2.11 所示电路。试求VI1、VI2为0和+5V时V0的值。R 10KV0Vcc+5V图1.2.11 例1.2.3 电路图VI1VI2D1D2000+5V0 0 0 +5V +5V 0 +5V +5VV0VI1 VI2 第33页，本讲稿共38页HomeNext（1）稳压二极管的伏安特性Back 稳定电压稳定电压VZ 稳定电流稳定电流IZ（IZmin、IZmin）额定功耗额定功耗PZM 动态电阻动态电阻rZ 温度系数温度系数 图1.2.12 稳压管的 伏安特性6.稳压二极管（2）稳压二极管的主要参数）稳压二极管的主要参数 利用二极管反向击穿特性实现稳利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。其伏安特性如图击穿状态。其伏安特性如图1.2.12所示。所示。第34页，本讲稿共38页HomeNext（3）稳压二极管构成的稳压电路Back 例例1.2.4 设计如图设计如图1.2.13 所示所示稳压管稳压电路，已知稳压管稳压电路，已知VO=6V，输入电压输入电压VI 波动波动 10%，RL=1k。图1.2.13 稳压管稳压电路解：（1）选择DZ：查手册，选择DZ 为2CW13，VZ=(56.5V)，IZmax=38mA,IZmin=5mA第35页，本讲稿共38页HomeNextBack（2）选择限流电阻R：第36页，本讲稿共38页HomeNext（1）发光二极管Back 外加反向电压，无光照时外加反向电压，无光照时的反向电流称之为暗电流；有的反向电流称之为暗电流；有光照时的反向电流称之为光电光照时的反向电流称之为光电流，光照越强，光电流越大。流，光照越强，光电流越大。7.其它类型的二极管（2）光电二极管光电二极管 工作电压一般在工作电压一般在1.52.5V之间，工作电流在之间，工作电流在530mA之之间，电流越大，发光越强。间，电流越大，发光越强。图1.2.14 其它二极管（3）变容二极管）变容二极管（4）激光二极管）激光二极管（5）隧道二极管和肖特基二极管）隧道二极管和肖特基二极管第37页，本讲稿共38页HomeBack作业：作业：P97P979999：3.2.13.2.13.5.43.5.4小小小小 结结结结 本讲主要介绍了以下基本内容：本讲主要介绍了以下基本内容：半导体二极管的构成和类型：点接触型、面接触型、平面型；硅管、半导体二极管的构成和类型：点接触型、面接触型、平面型；硅管、锗管；整流管、开关管、检波管、发光管、光敏管、稳压管等。锗管；整流管、开关管、检波管、发光管、光敏管、稳压管等。半导体二极管的特性：与半导体二极管的特性：与PNPN结基本相同。结基本相同。半导体二极管的参数半导体二极管的参数 半导体二极管的等效模型：理想模型、恒压降模型、折线模型和小信号模型半导体二极管的等效模型：理想模型、恒压降模型、折线模型和小信号模型 应用二极管等效模型分析和计算半导体二极管电路的基本方法应用二极管等效模型分析和计算半导体二极管电路的基本方法 简要介绍了其它类型的二极管。简要介绍了其它类型的二极管。第38页，本讲稿共38页