电子技术基础半导体的基本知识精选文档.ppt

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1、电子技术基础半导体的基本知识本讲稿第一页，共三十五页2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 2.1.1 半导体材料半导体材料 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 2.1.3 本征半导体本征半导体 2.1.4 杂质半导体杂质半导体本讲稿第二页，共三十五页 2.1.1 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、的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。绝缘体和半导体。典型的半导体有典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。本讲稿第三页，共三十五页 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅晶体的空间排列硅

2、晶体的空间排列本讲稿第四页，共三十五页 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构本讲稿第五页，共三十五页 2.1.3 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的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而产生由热激发而产生的自由电子和空穴对的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴的运动是空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。充填空穴来实现的。本讲稿第六

3、页，共三十五页 2.1.4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。导体。P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。导体。本讲稿第七页，共三十五页 1.N型半导体型半导体 因五价杂质原子中只有因五价杂质原子中只有四个价电子

4、能与周围四个半四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形因无共价键束缚而很容易形成自由电子。成自由电子。在在N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子,由热激发形成。由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂，因此五价杂质原子也称为质原子也称为施主杂质施主杂质。本讲稿第八页，共三十五页 2.P型半导体型半导体 因三价杂

5、质原子因三价杂质原子在与硅原子形成共价在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电键时，缺少一个价电子而在共价键中留下子而在共价键中留下一个空穴。一个空穴。在在P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成它主要由掺杂形成；自由自由电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质。三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。本讲稿第九页，共三十五页 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据

6、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:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3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。2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:n=51016/cm3 3.杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响本讲稿第十页，共三十五页 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念本节中的有关概念end 自由电子、空穴自由电子、空穴 N型半导体、型半导体、P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数

7、载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质本讲稿第十一页，共三十五页2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 2.2.1 PN结的形成结的形成 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 2.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿 2.2.4 PN结的电容效应结的电容效应本讲稿第十二页，共三十五页 2.2.1 PN结的形成结的形成图图2.2.1 PN结的形成结的形成本讲稿第十三页，共三十五页 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形分别形成成N型半导体和型半导体和P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N型半导体和型半导体和P型型半导体的

8、结合面上形成如下物理过程半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 本讲稿第十四页，共三十五页 2.

9、2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 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，称为加正向正向电压电压，简称，简称正偏正偏；反之；反之称为加称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。(1)PN结加正向电压时结加正向电压时 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流PN结的伏安特性结的伏安特性本讲稿第十五页，共三十五页 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 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，称为加正向电正向电压压，简称，简称正偏正偏；反之；反之称为加称为加反向电压反向电压，简称

10、简称反偏反偏。(2)PN结加反向电压时结加反向电压时 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激发决定的在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。PN结的伏安特性结的伏安特性本讲稿第十六页，共三十五页 PN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具结加反向电

11、压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导结具有单向导电性。电性。本讲稿第十七页，共三十五页 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性(3)PN结结V-I 特性表达式特性表达式其中其中PN结的伏安特性结的伏安特性IS 反向饱和电流反向饱和电流VT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）本讲稿第十八页，共三十五页 2.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PN结的反向电压增结的反向电压增加到一定数值时，反向电流加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为突然快速增加，此现象称为PN结

12、的结的反向击穿。反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆本讲稿第十九页，共三十五页 2.2.4 PN结的电容效应结的电容效应(1)势垒电容势垒电容CB本讲稿第二十页，共三十五页 2.2.4 PN结的电容效应结的电容效应(2)扩散电容扩散电容CD扩散电容示意图扩散电容示意图end本讲稿第二十一页，共三十五页2.3 半导体二极管半导体二极管 2.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 2.3.3 二极管的参数二极管的参数本讲稿第二十二页，共三十五页 2.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结

13、构 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型三大类。三大类。(1)点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结面积小，结电容小，用于检结电容小，用于检波和变频等高频电波和变频等高频电路。路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图本讲稿第二十三页，共三十五页(3)平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路往往用于集成电路制造工艺中。制造工艺中。PN 结面积结面积可大可小，用于高频整流可大可小，用于高频整流和开关电路中。和开关电路中。(2)面

14、接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，结面积大，用于工频大电流整用于工频大电流整流电路。流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型(4)二极管的代表符号二极管的代表符号本讲稿第二十四页，共三十五页 2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V-I I 特性特性锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V-I I 特性特性正向特正向特性性反向特反向特性性反向击穿反向击穿特性特性本讲稿第二十五页，共三十五页 2.3.3 二极管的参数二极管的参数(1)最大整流电流最大

15、整流电流IF(2)反向击穿电压反向击穿电压VBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VRM(3)反向电流反向电流I IR R(4)正向压降正向压降VF(5)极间电容极间电容CJ（CB、CD）end本讲稿第二十六页，共三十五页2.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模 2.4.2 应用举例应用举例本讲稿第二十七页，共三十五页 2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模 1.理想模型理想模型3.折线模型折线模型 2.恒压降模型恒压降模型本讲稿第二十八页，共三十五页 4.小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一

16、小范围内时，其正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。向特性可以等效成一个微变电阻。即即根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导则则常温下（常温下（T=300K）2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模本讲稿第二十九页，共三十五页 2.4.2 应用举例应用举例 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理想模型理想模型（R=10k）（1）VDD=10V 时时恒压模型恒压模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）设设（2）VDD=1V 时时（自看）（自看）本讲稿第三十页，共三十五页例例2.

17、4.2 提示提示 2.4.2 应用举例应用举例 2.限幅电路限幅电路本讲稿第三十一页，共三十五页 2.4.2 应用举例应用举例 3.开关电路开关电路end电路如图所示，求电路如图所示，求AO的电压值的电压值解：解：先断开先断开D，以，以O为基准电位，即为基准电位，即O点点为为0V。则接则接D阳极的电位为阳极的电位为-6V，接阴极的，接阴极的电位为电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。接入时正向导通。导通后，导通后，D的压降等于零，即的压降等于零，即A点的电位就是点的电位就是D阳极的电位。阳极的电位。所以，所以，AO的电压值为的电压值为-6V。本讲稿第三十

18、二页，共三十五页2.5 特殊二极管特殊二极管 2.5.1 稳压二极管稳压二极管1.符号及稳压特性符号及稳压特性(a)符号符号(b)伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。压时工作在反向电击穿状态。本讲稿第三十三页，共三十五页(1)稳定电压稳定电压VZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工在规定的稳压管反向工作电流作电流IZ下，所对应的反向下，所对应的反向工作电压。工作电压。rZ=VZ/IZ(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ2.稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数2.5.1 稳压二极管稳压二极管本讲稿第三十四页，共三十五页2.5.1 稳压二极管稳压二极管3.稳压电路稳压电路正常稳压时正常稳压时 VO=VZIZmin IZ IZmax#上述电路上述电路上述电路上述电路v vI I为正弦波，且幅值大于为正弦波，且幅值大于为正弦波，且幅值大于为正弦波，且幅值大于V VZ Z ，v vOO的波形是怎样的？的波形是怎样的？的波形是怎样的？的波形是怎样的？end本讲稿第三十五页，共三十五页