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1、重要性:本课程是电子信息类专业重要的专业 基础课、主干课程、入门课程、工程类课程课程内容:半导体器件 - 分离电路 集成 电路 应用及深入分析要求:熟悉电子线路的基本概念、基本理论, 掌握基本分析与设计方法,为进一步学习专业 知识和走上工作岗位打下坚实基础。联系方法:13814042597 办公室:本部10-6021.1 半导体的基础知识1.2 PN1.2 PN结与半导体二极管结与半导体二极管1.3 1.3 特殊二极管特殊二极管1.4 1.4 半导体三极管半导体三极管1.5 1.5 场效应晶体管场效应晶体管1.1 半导体的基础知识 1.1.1 导体、绝缘体和半导体1.1.2 本征半导体1.1.
2、3 杂质半导体1.1.1 导体、绝缘体和半导体导体: 容易导电的物质,如铜、铝、铁、银 等。绝缘体:不导电的物质,如塑料、陶瓷、石 英、橡胶等。半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。常用的有硅(Si)、锗(Ge)、砷化 镓(GaAs)等。电阻率10-3-109cm1.1.2 本征半导体本征半导体:纯净且晶格方向一致的半导 体晶体。 硅和锗原子结构图硅锗最外层电子都是4个,所以都是4价元素。价电子 : 外层的电子受原子核的束缚力最 小,决定着物质的化学性质和导电能力。共价键结构 : 每两个相邻原子之间共有一对 价电子。自由电子 :共价键中的电子,由于受到其原子核的吸 引,是不能在晶体中自由
3、移动的,只有获得足够的能 量后才能挣脱共价键的束缚。 本征激发 :在有外界激发的情况下,例如常温( )下,少数价电子获得一定的能量,挣脱共价键的束 缚成为自由电子的现象。 空穴 : 价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后, 就在原来共价键的位置上留下的一个空位。 本征半导体中存在两种载流子:自由电子和 空穴。电子空穴对 : 在本征半导体中,自由电 子和空穴是成对出现的,有一个自由电子,必定 有一个空穴。电子与空穴电荷量相等,极性相反。自由电子和空穴的复合 : 在自由电子和空 穴的产生过程中,自由电子在热骚动过程中和空 穴相遇而释放能量,电子空穴对消失。 动态平衡:它们与温度 的关系:在常温下(
4、),硅锗两种半导体导电性能都很弱1.1.3 杂质半导体杂质:掺入的元素。杂质半导体:掺杂后的半导体。受主杂质:掺入的三价元素。空穴型(或称P型)半导体:掺杂受主杂质后的 半导体。施主杂质:掺入的五价元素。电子型(或称N型)半导体:掺杂施主杂质后的 半导体。1.N型半导体 掺入微量的五价元素(如磷)所形成的N型杂质半导体 : 总的自由电子数远远大于空穴数总的自由电子数远远大于空穴数 多数载流子多数载流子(多子多子):自由电子。自由电子。 少数载流子少数载流子(少子少子):空穴。空穴。 热平衡条件(质量作用定律):两种热平衡 载流子浓度的乘积恒等于本征载流子浓度的 平方:电中性条件:假设在室温时杂
5、质原子已全部 电离,则带负电的自由电子浓度恒等于带正 电的施主杂质离子和空穴浓度之和:通常满足 时:2.P型半导体 掺入微量的三价元素(硼)所形成的P型杂质半导体:多数载流子(多子):空穴。 少数载流子(少子):电子。 P型半导体中电子浓度n和空穴浓度p:空穴的浓度近似等于受主杂质的浓度, 与温度无关。电子的浓度与受主杂质的浓度成反比, 且随温度的升高而迅速增大。1.2 PN结与半导体二极管1.2.1 PN结的形成1.2.2 PN结的单向导电性1.2.3 PN结的电容特性1.2.4 半导体二极管及其参数1.2.5 二极管的电路模型1.2.1 PN结的形成 PN结:通过掺杂工艺,把本征硅(或锗)
6、片的一 边做成P型半导体,另一边做成N型半导体,并且 保持晶格的连续性,在它们的交界面处形成一个 很薄的特殊物理层。 扩散运动:由于存在浓度差引起的载流子从高浓 度区域向低浓度区域的运动。扩散电流:扩散运动所形成的电流。 PN结的形成动画 空间电荷区(耗尽层、阻挡层):在交界面附 近出现的带电离子集中的薄层。 内电场:空间电荷区的左半部是带负电的杂质 离子,右半部是带正电的杂质离子,从而在空 间电荷区中就形成了一个由N区指向P区的内建 电场。 漂移运动:在内电场的作用下,空穴向P区漂 移,电子向N区漂移,载流子在电场作用下的 这种运动。 漂移电流:漂移运动所形成的电流。 动态平衡:从P区中扩散
7、到N区中的空穴数与从N 区中漂移到P区中的空穴数相等,从N区中扩散 到P区中的电子数与从P区中漂移到N区中的电 子数相等。 接触电位差 : 达到动态平衡后的PN结,内建 电场的方向由N区指向P区,N区与P区的电位差: 对称结: 当P区和N区杂质浓度相等时,PN结的负 离子区和正离子区的宽度也相等;空间电荷区任一侧的宽度与该侧掺杂浓度成 反比,空间电荷区主要向低掺杂一侧扩展。 l.2.2 PN结的单向导电性 1.PN结外加正向电压 PN结外加正向电压(正向偏置):将PN结的P区接电源 正极,N区接电源负极。PN结正向偏置时,空间电荷区的宽度减小, 两侧的离子电荷量减小,多子扩散运动大大增 强而少
8、子漂移运动进一步减弱。扩散电流占主导地位,在外电路中形成一 个流入P区的电流 。在正常工作范围内,PN结上外加电压 只要稍有增加,就能引起正向电流 显著增 加。因此正向PN结表现为一个很小的电阻。2. PN结外加反向电压 PN结外加正向电压(正向偏置):将PN结的P区 接电源负极,N区接电源正极。PN结反向偏置时,扩散电流迅速减小,漂移运动加强。反向饱和电流:在外电路中形成流入N区的电流, 用 或 表示。在PN结反向偏置时,PN结表现为一个很大的 电阻。是少子的运动产生的,受温度影响很大。PN结的单向导电性:PN结正向偏置时,呈现的电 阻很小,PN结反向偏置时,呈现的电阻很大。3.PN结方程
9、考虑PN结的反向击穿,可画出PN结的伏安特性曲线。 正向特性:U0的部分,I随U近似按指数规律变化, 呈现小电阻的导通状态; 反向特性:U0的部分,电流很小,呈现大电阻的截 止状态。3.PN结方程 PN结方程:正向偏置且 大于 几倍以上时:反向偏置且U大于 几倍以上时:4. PN结的反向击穿PN结的反向击穿:当PN结的外加反向电压增大到一定 值时,反向电流急剧增大的现象。 PN结的反向击穿电压:发生击穿时的反向电压。 齐纳击穿:在高浓度掺杂的情况下,PN结很窄,外加 不大的反向电压,就可在耗尽层中形成很强的电场。它 能够直接破坏共价键,把价电子从共价键中拉出来, 产生电子空穴对,使得反向电流剧
10、增。 雪崩击穿:在PN结较宽的情况下,当反向电压较大时 ,在空间电荷区中产生强电场,使少子在作漂移运动 时受到更大的加速,与晶体中原子碰撞时,把价电子 撞出共价键,产生电子空穴对。电子空穴对在强 电场的作用下又撞击其它原子,产生新的电子空穴 对。电子空穴对像雪崩一样倍增,使得反向电流剧 增。1.2.3 PN结的电容特性PN结的结电容:在外加电压发生变化时,PN结 耗尽层内的空间电荷量和耗尽层外的载流子数 目均发生变化,这种电荷量随外加电压变化的 电容效应。1.势垒电容 势垒电容:阻挡层中电荷量随外加电压变化而 改变所呈现的电容效应,用 表示:利用PN结的势垒电容效应而制造的变容二极管( 压控可
11、变电容器),在现代电子线路中得到广泛 应用。 2.扩散电容 扩散电容:由于外加电压改变引起扩散区内累 积的电荷量变化所呈现的电容效应,用 表示 : PNPN结的总电容:结的总电容:PNPN结正偏时,结正偏时, ,其值为几十,其值为几十pFpF 至几百至几百pFpF 。反偏时,。反偏时, ,其值,其值 为几为几pFpF 至几十至几十pFpF 。1.2.4 半导体二极管及其参数1.半导体二极管的结构 半导体二极管:由PN结加上两根电极引线并封装 在管壳中可构成。点接触型二极管:特点是PN结面积小,不能承受 高的反向电压和大的正向电流,但其结电容小, 工作频率可达100MHz以上。因此适用于高频检波
12、 和小功率整流。面接触型二极管:特点是PN结面积较大,因 而结电容大,工作频率低。适用于大电流、低频 率的场合,常用于低频整流电路中。2.半导体二极管的伏安特性 实测二极管2CP10(硅管)、2AP10(锗管)的伏 安持性曲线:(1) 正向特性。 门坎电压(又称死区电压) :正向电压超过某 一数值时,正向电流明显增加,正向特性上的这 一数值。一般,硅二极管的死区电压为0.5V左右 ,锗二极管为0.1V左右。 (2) 反向特性。在反向电压作用下,少数载流子(P区中的电 子、N区中的空穴)漂移通过PN结,形成反向饱和 电流。 (3) 反向击穿特性。当反向电压增加到一定数值时,反向电流急 剧增大,二极管反向击穿。