《半导体器件概论》PPT课件.ppt

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1、预祝各位同学在本门课程的学习中取得优异成绩!卢健康老师愿为大家学好本门课程尽心尽力！1 课程名称课程名称：模拟与数字模拟与数字电子技术电子技术教材：教材：电子技术（电子技术（电工学电工学IIII比电工技术难但更有趣）史仪凯主编史仪凯主编绪论绪论一、内容一、内容 体系：体系：1、模拟电子技术（教材第、模拟电子技术（教材第15章）章）重点：第重点：第2、4两章两章2、数字电子技术（教材第、数字电子技术（教材第69章章）重点：第重点：第6、7两章两章3、电电工工电电子子应应用用技技术术（电电工工学学）第第6章章电电力力电电子子技技术术基基础础 电子技术电子技术又可分为又可分为“信息电子技术信息电子技

2、术”与与“电力电子技术电力电子技术”二、课时分配：讲课二、课时分配：讲课52，实验，实验182三、讲授、学习方法：三、讲授、学习方法：从管到路，管为路用，从小到大，逐步扩展。从管到路，管为路用，从小到大，逐步扩展。核心器件核心器件典型环节典型环节基本单元基本单元应用系统应用系统模电部分：模电部分：以分立元件为基础；以集成电路为重点。以分立元件为基础；以集成电路为重点。数电部分：数电部分：以以SSICSSIC为入门；以为入门；以MSICMSIC为重点，适当引为重点，适当引 入入LSIC*LSIC*。四、对课程内容的要求：四、对课程内容的要求：了解内部机理，理解外部特性，熟悉主要参数，设了解内部机

3、理，理解外部特性，熟悉主要参数，设计简单电路，分析典型系统。计简单电路，分析典型系统。定性分析，定量估算定性分析，定量估算3主要参考书主要参考书 1、电工学上册电子技术电工学上册电子技术秦曾煌主编秦曾煌主编高等教育出版社（第高等教育出版社（第5或或6版）版）2、电子技术典型题解析及自测试题电子技术典型题解析及自测试题史仪凯等编史仪凯等编 西北工业大学出版社西北工业大学出版社3、电工学电工学 电子技术导教电子技术导教导学导学导考导考 朱建坤编朱建坤编 西北工业大学出版社西北工业大学出版社4第一章第一章 半导体器件半导体器件 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 PN 结及半导体二极管结及半导

4、体二极管 1.3 特殊二极管特殊二极管 1.4 半导体三极管半导体三极管 1.5 场效应晶体管场效应晶体管51.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金，金属一般都是导体。属一般都是导体。有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡胶、陶瓷、塑料和石英。胶、陶瓷、塑料和石英。另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。硫化

5、物、氧化物等。6 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。比如具有不同于其它物质的特点。比如：当受外界热和光的作用时，它的导当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。电能力明显变化。兴利兴利热敏、光敏元件热敏、光敏元件除弊除弊加散热片、加黑色塑封以避光加散热片、加黑色塑封以避光往纯净的半导体中往纯净的半导体中掺掺入某些入某些杂杂质，质，会使它的导电能力明显改变。会使它的导电能力明显改变。这一特性的利用揭开了电子技术发这一特性的利用揭开了电子技术发展史上新的一页！展史上新的一页！71.1.2 本征半导体本征半导体现代电子技术中，用

6、的最多的半导体是硅现代电子技术中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。个。GeSi8硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构通过一定的工艺过程，可以将半导体通过一定的工艺过程，可以将半导体制成制成晶体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为称为本征半导体本征半导体。在硅和锗晶体中，原子按在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原

7、子之间原子与其相临的原子之间形成形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价电子。电子。9硅和锗的共价键结构硅和锗的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10共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为中，称为束缚电子（价电子）束缚电子（价电子），常温下束缚，常温下束缚电子很难脱离共价键成为电子很难脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力非常弱。体的导电能力非常弱。形成共价键后，每个原子的最外层电形

8、成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成子是八个，构成稳定结构稳定结构。共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+411本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度（度（T=0K）和没有外界激发时）和没有外界激发时,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即有可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的），它的导电能力为导电能力为0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些在常温下，由于热激发，使一些价电子价电子获得足够的能量而脱离共

9、价键的束缚，成获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个空位，同时共价键上留下一个空位，称为称为空穴空穴。12+4+4+4+4本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子（价电子价电子）13本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴在其它力的作用下，空穴吸引吸引临近的临近的价电子（不是价电子（不是自由电子）自由电子）来填补来填补。填补填补的结果的结果相当于相当于空穴的空穴的迁移迁移超女快男的演唱会，玉米花生前移超女快男的演唱会，玉米花生前移，而空穴，而空穴的迁移的迁移相当于相当于正电荷的

10、移正电荷的移动（动（为什么？为什么？），因此可），因此可以认为空穴是带正电荷的以认为空穴是带正电荷的载流子。载流子。14本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种载流子，本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即即自由电子自由电子和和空穴空穴。（。（与金属比？与金属比？）自由电子和空穴自由电子和空穴成对产生与消失（成对产生与消失（复合复合）温度越高，载流子的浓度越高。因此本征温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点

11、。一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。浓度。151.1.3 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质在本征半导体中掺入某些微量的杂质掺杂掺杂，就会使半导体的导电性能发生显著变化。就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。增加。使使自由电子自由电子浓度大大增加的杂质半导体浓度大大增加的杂质半导体称为称为N型半导体型半导体（电子半导体），使（电子半导体），使空穴空穴浓浓度大大增加的杂质半导体称为度大大增加的杂质半导体称为P型半导体型半导体（空穴半导体）。（空穴半导

12、体）。16N型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定必定多出一个价电子多出一个价电子，这个价电子几乎不受，这个价电子几乎不受束缚，束缚，很容易被激发而成为自由电子很容易被激发而成为自由电子，这样，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每。每个磷原子给出一个电子，称为个磷原子给出一个电子，称

13、为施主原子施主原子。17+4+4+5+4N型半导体型半导体多余电子多余电子准自由电准自由电子子磷原子磷原子18N型半导体型半导体N型半导体中的载流子的来源？型半导体中的载流子的来源？1 1、由施主原子提供的准自由电子，浓度与施主原子、由施主原子提供的准自由电子，浓度与施主原子 相同。相同。2 2、本征半导体中成对产生的自由电子和空穴、本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。注意注意：由于掺杂浓度远大于本征半导体中载流：由于掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，由施主原子提供的准自由电子子浓度，所以，由施主原子提供的准自由电子浓度远大于原本征半导体空穴浓度；而自由电浓度远大于原本征半导体空穴

14、浓度；而自由电子增多又增加了复合的机会，故掺杂后子增多又增加了复合的机会，故掺杂后N型半导型半导体中的空穴数比原本征半导体中的空穴数小得体中的空穴数比原本征半导体中的空穴数小得多。因此，多。因此，N型半导体中的空穴比自由电子少型半导体中的空穴比自由电子少得多！得多！故故N型半导体中的自由电子称为型半导体中的自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。19P型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素三价元素，如，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，杂质

15、取代，硼原子的最外层有三个价电子硼原子的最外层有三个价电子，与，与相临的半导体原子形成共价键时，相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空产生一个空穴穴。这个空穴。这个空穴很容易吸引邻近价电子来填补很容易吸引邻近价电子来填补，使得使得硼原子成为不能移动的带负电的离子硼原子成为不能移动的带负电的离子。由。由于硼原子接受电子，所以称为于硼原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。20+4+4+3+4空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子21总总 结结1、N型半导体中自由电子是多子型半导体中自由电子是多子（其中大部分是其中大部分是由掺杂提供的，本征半导体中受激产生的自由电子由掺杂提供的，本征半导体中受激

16、产生的自由电子只占少数只占少数）；空穴是少子。空穴是少子。2、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。3、少子的迁移虽然也能形成电流，但由于它、少子的迁移虽然也能形成电流，但由于它们数量很少，起导电作用的主要是多子。近似们数量很少，起导电作用的主要是多子。近似认为多子浓度与杂质浓度相等。认为多子浓度与杂质浓度相等。22杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体231.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管1.2.1 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型型半导

17、体和半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了在它们的交界面处就形成了PN结结。24P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动由载流子浓度差而产生，使多子越过PN结流向对方。由内电场而产生，使少子越过PN结流向对方。二二者者产产生生的的电电流流方方向向相相反反25扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽，荷区越宽，漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运

18、动内电场就越强，漂移内电场就越强，漂移运动就加强，而漂移运动就加强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。26漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到到动态平衡动态平衡，相当于两个区相当于两个区之间没有电荷之间没有电荷运动，空间电运动，空间电荷区的厚度固荷区的厚度固定不变。定不变。27+空间电空间电荷区荷区N N型区型区P P型区型区电位电位V VV V0 0281、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷

19、区中内电场阻碍P中的空穴、中的空穴、N中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动）向对方运动（扩散运动扩散运动）。）。3、P中的电子和中的电子和N中的空穴（中的空穴（都是少子都是少子），），数量有限，因此由它们形成的电流很小。数量有限，因此由它们形成的电流很小。请注意请注意291.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意的意思都是：思都是：P区加正、区加正、N区加负电压。区加负电压。PN结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意的意思都是：思都是：P区加负、区加负、N区加正电压。区加正电压。30PN结正向偏置结正向偏置+内电

20、场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，内电场被削弱，多子的扩散加强多子的扩散加强能够形成较大的能够形成较大的扩散电流。扩散电流。31PN结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，内电场被被加强，多子的扩散受抑多子的扩散受抑制。少子漂移加制。少子漂移加强，但少子数量强，但少子数量有限，只能形成有限，只能形成较小的反向电流。较小的反向电流。321.2.3 半导体二极管半导体二极管(1)、基本结、基本结构构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳外壳触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型一般为锗管，一般

21、为锗管，适于高频、小适于高频、小功率。功率。33PN结结面接触型面接触型一般为硅管，一般为硅管，适于低频、中、适于低频、中、大功率大功率。PN34(2)、伏安特、伏安特性性反向反向击穿击穿电电压压U(BR)UImAA反向电流特点：反向电流特点：1 随温度上升而快速增长随温度上升而快速增长2 UEB55IB=IBE-ICBO IBEIB3BECNNPEBRBEcIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE564ICE与与IBE之比称为电流放大倍数之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏必须使发射结正偏,集集电结反偏（电结反偏（这是放大的外部条件）

22、这是放大的外部条件）；即：即：UBE 0 ，UCE0；对对PNP型管满足型管满足 UBE0，UCE0。57BECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管 图中所示各电流方向既是正方向，又是放大工作图中所示各电流方向既是正方向，又是放大工作状态下的实际方向，不得改变各电流标示方向！状态下的实际方向，不得改变各电流标示方向！旧符号旧符号带圆圈带圆圈581.4.3 特性曲线特性曲线ICmA AVVUCEUBERBIBECEB 实验线路实验线路输入端输入端IB、UBE输出端输出端IC、UCE名词解释：四端（二端口名词解释：四端（二端口)网络网络共射极接法共射极接法59

23、注意：注意：1、各电流与电压的符号与方向及其含义；、各电流与电压的符号与方向及其含义；2、统一按规范的电流与电压的符号来标注、统一按规范的电流与电压的符号来标注;3、对、对PNP型管子，电源极性与型管子，电源极性与NPN型管子型管子 相反，相反，UBE0 UCE0;（双下标不可对调双下标不可对调）4、为满足放大的外部条件，、为满足放大的外部条件，须须 保证保证UBE IC，称称为饱和区。为饱和区。63IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE 0(3)截止区：截止区：UBE 死区电

24、压，死区电压，IB=0，IC=ICEO 074例：例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当当USB=-2V、2V、5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？当当USB=-2V时：时：IB=0，IC=0Q位于截止区位于截止区 ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE75USB=2V时：时：USC=UCE+ICRCUCE=6.3VQ处于放大区处于放大区ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE76USB=5V时时:Q 位于饱和区，此时位于饱和区，此时IC 和和IB 已不是已不是 倍的关系。倍的关系。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCU

25、BE771.二极管部分：二极管部分：从二极管的主要用途出发了解其单向导电的机理，在电子从二极管的主要用途出发了解其单向导电的机理，在电子电路中它主要用作开关，由此出发，弄清为何它能单向导电？电路中它主要用作开关，由此出发，弄清为何它能单向导电？为使其有良好的开关作用，应具备何种工作条件？结合它的外为使其有良好的开关作用，应具备何种工作条件？结合它的外特性去理解。特性去理解。第一章第一章 半导体器件半导体器件要点：要点：2.稳压管部分：稳压管部分：从稳压管的主要作用是稳定输出电压这点出发了解其性能特从稳压管的主要作用是稳定输出电压这点出发了解其性能特点，并结合其外特性了解应具备何种工作条件才能使

26、其稳压？点，并结合其外特性了解应具备何种工作条件才能使其稳压？3.三极管部分：三极管部分：三极管的主要作用是放大，由此了解为何能放大？它放大三极管的主要作用是放大，由此了解为何能放大？它放大什么物理量？结合其外特性了解应具备哪些条件才能使其放大什么物理量？结合其外特性了解应具备哪些条件才能使其放大？外因（外因（外部条件外部条件）通过内因（）通过内因（内部机理、根据内部机理、根据）而起作用。）而起作用。78晶体三极管内容完晶体三极管内容完（自学（自学复合晶体管复合晶体管）79练习与思考：、练习与思考：、2.1.42.1.4作业：作业集题目作业：作业集题目 与与2.1课后看书：课后看书：第节第节80