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1、第1章 半导体技术,授课教师：,2019/5/25,2,电子技术,Chapter1 半导体器件,1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型晶体管 1.4 单极型晶体管,2019/5/25,3,电子技术,自然界中的各种物质如果按导电性能强弱可分三大类： 一类是导电能力很强的物质，称为导体，如铜、铁、铝等金属材料； 另一类是在一般条件下很难导电的物质，称为绝缘体，如橡胶、陶瓷、玻璃等； 还有一类导电能力介于导体和绝缘体之间，称为半导体。,1.1半导体基础知识,2019/5/25,4,电子技术,1.1半导体基础知识,1.1.1 本征半导体,完全纯净、没有任何杂质、结构完整的半导体单
2、晶体称为本征半导体。,2019/5/25,5,电子技术,1.1半导体基础知识,若在一定温度或在一定强度光的照射下，少数价电子可以从外界获得足够的能量而挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下相同数量的空位，这种现象称为本征激发（热激发），这个空位称为空穴。,2019/5/25,6,电子技术,1.1半导体基础知识,我们把运载电荷的粒子称为载流子。而本征半导体导电有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。 本征半导体在本征激发下会产生自由电子空穴对，自由电子在运动过程中如果和空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。,2019/5/25,7,电子技术,1.1半导体基础知识,在
3、实际应用中，为了提高其导电能力，需要在本征半导体中掺入杂质，这样一方面可以显著提高其导电能力，另一方面还可以通过控制掺入杂质的多少达到控制半导体导电能力强弱的目的。,结论：,2019/5/25,8,电子技术,1N型半导体,在硅（或锗）的本征半导体中掺入微量的5价元素（磷），形成N型半导体。,N型半导体的显著特点：自由电子多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子），是由热激发（本征激发）产生的。,1.1.2 杂质半导体,1.1半导体基础知识,2019/5/25,9,电子技术,2P型半导体,在硅（或锗）本征半导体中掺入微量3价元素（硼），形成P型半导体。,P型半导体显著特点：自由电子是少数载流子
4、（少子），空穴为多数载流子（多子）。,1.1半导体基础知识,2019/5/25,10,电子技术,1.1半导体基础知识,2019/5/25,11,电子技术,1.1半导体基础知识,1.1.3 PN结及其单向导电性,1PN结的形成,由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。,在P型半导体和N型半导体的交界处形成一个很薄的空间电荷区，在空间电荷区内，由于正负杂质离子相互作用，形成一个电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区，称为内建电场。,在电场力作用下，载流子的运动称为漂移运动。,2019/5/25,12,电子技术,1.1半导体基础知识,图1-6 PN结的形成,室温下，硅材料PN结内电场电位差0.50
5、.7V，锗材料PN结内电场电位差0.20.3V。,图1-7 动态平衡时PN结中的载流子运动及电流,2019/5/25,13,电子技术,2PN结的单向导电性,1.1半导体基础知识,（1）PN结外加正向电压时处于导通状态,若P区接电源正极，N区接电源负极，则称PN结外接正向电压或PN结正向偏置，简称正偏。,2019/5/25,14,电子技术,2PN结的单向导电性,1.1半导体基础知识,（2）PN结外加反向电压时处于截止状态,P区接电源负极，N区接电源正极，称PN结外接反向电压或反向偏置，简称反偏。,2019/5/25,15,电子技术,1.1半导体基础知识,在一定温度下，即使所有的少子都参予漂移运动
6、，反向电流也非常小，而且基本上不随外加反向电压而变化，故称为反向饱和电流，用IS表示。,综上所述，PN结正偏时导通，形成较大的正向电流，呈现很小的导通电阻；反偏时截止，反向电流近似为零，呈现很大的截止电阻。因此，PN结具有单向导电特性。,2019/5/25,16,电子技术,1.1半导体基础知识,PN结两端外加电压U和流过PN结电流I之间的关系曲线，称为PN结伏安特性曲线。如图1-9所示，其中U0的部分称为正向特性，U0的部分称为反向特性。当反向电压超过一定数值U(BR)后，反向电流急剧增加，称为反向击穿。,2019/5/25,17,电子技术,1.2 半导体二极管,1.2.l 二极管的结构和符号
7、,将PN结用外壳封装，从P区和N区分别引出电极引线构成半导体二极管，简称二极管。由P区引出电极称阳极或正极，由N区引出电极称阴极或负极。,2019/5/25,18,电子技术,1.2 半导体二极管,2019/5/25,19,电子技术,1.2 半导体二极管,1.2.2 二极管的伏安特性,在外加电压uVD的作用下，二极管电流iVD的变化规律，称为二极管伏安特性曲线,2019/5/25,20,电子技术,1.2 半导体二极管,二极管伏安特性曲线分为两部分，加正向电压时的特性称为正向特性（曲线右半部分），加反向电压时的特性称为反向特性（曲线左半部分）,2019/5/25,21,电子技术,1.2 半导体二极
8、管,二极管伏安特性曲线分为两部分，加正向电压时的特性称为正向特性（曲线右半部分），加反向电压时的特性称为反向特性（曲线左半部分）,二极管两端加反向电压时，反向电流很小，且与反向电压无关。当反向电压超过零点几伏以后，反向电流不再随反向电压增大而增大，既达到饱和，此时电流即为反向饱和电流，,2019/5/25,22,电子技术,1.2 半导体二极管,二极管两端加反向电压时，反向电流很小，且与反向电压无关。当反向电压超过零点几伏以后，反向电流不再随反向电压增大而增大，既达到饱和，此时电流即为反向饱和电流，,如果反向电压继续升高超过一定数值UBR后，反向电流将急剧增大，这种现象称为击穿，UBR称为反向击
9、穿电压。,2019/5/25,23,电子技术,1.2 半导体二极管,1.2.3 二极管的主要参数, 最大整流电流IF：指二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流。 最高反向工作电压UR：指二极管工作时允许外加的最大反向电压。通常规定UR为击穿电压的一半。 反向电流IR：指二极管未击穿时的反向电流值。其值越小，二极管单向导电性能越好。 最高工作频率fM：指保证二极管维持单向导电作用的最高工作频率。,2019/5/25,24,电子技术,1.2 半导体二极管,1.2.4 稳压二极管及其应用,二极管伏安特性曲线可知，当二极管反向击穿时，流过二极管的电流急剧增大，但二极管两端的电压却几乎保持不变，因而具
10、有稳压作用。利用二极管的这一特性，采用特殊工艺制成在反向击穿状态下工作而不损坏的二极管，就是稳压二极管。,2019/5/25,25,电子技术,1.2 半导体二极管,二极管伏安特性曲线可知，当二极管反向击穿时，流过二极管的电流急剧增大，但二极管两端的电压却几乎保持不变，因而具有稳压作用。利用二极管的这一特性，采用特殊工艺制成在反向击穿状态下工作而不损坏的二极管，就是稳压二极管。,2019/5/25,26,电子技术,1.2 半导体二极管,例1-1 利用稳压管组成简单的稳压电路如图1-14所示，R为限流电阻，试分析RL输出电压UO稳定的原理。,图1-14 稳压管稳压电路,2019/5/25,27,电
11、子技术,1.3 双极型晶体管,双极型晶体管（BJT）又称晶体三极管、半导体三极管等，简称三极管。,2019/5/25,28,电子技术,1.3.1 三极管的结构和类型,三极管按材料不同，可分为硅管和锗管两类；按PN结组合方式不同，可分为NPN型和PNP型两种。,1.3 双极型晶体管,2019/5/25,29,电子技术,1.3 双极型晶体管,图1-16 NPN型三极管,2019/5/25,30,电子技术,1.3 双极型晶体管,发射区和集电区间的PN结称发射结，集电区和基区的 PN 结称集电结。 NPN型三极管符号，符号中画箭头的电极是发射极，箭头的方向表示发射结正向偏置时发射极电流方向。箭头向外表
12、示NPN型管。,图1-17 PNP型三极管,2019/5/25,31,电子技术,1.3.2 三极管电流控制作用,1基本共射放大电路,1.3 双极型晶体管,2019/5/25,32,电子技术,2基本共射放大电路三极管内部载流子运动情况,1.3 双极型晶体管,（1）发射区向基区发射电子过程 （2）电子在基区中的扩散与复合过程 （3）集电区收集电子过程,2019/5/25,33,电子技术,3三极管的电流分配关系和电流放大系数,1.3 双极型晶体管,（1）发射区向基区发射电子过程 （2）电子在基区中的扩散与复合过程 （3）集电区收集电子过程,2019/5/25,34,电子技术,1.3 双极型晶体管,集
13、电极电流IC与基极电流IB之比称为共射直流电流放大系数,2019/5/25,35,电子技术,1.3.3 三极管的共射特性曲线,三极管的特性曲线是描述三极管各个电极之间电压与电流关系的曲线。,1.3 双极型晶体管,2019/5/25,36,电子技术,1输入特性曲线,1.3 双极型晶体管,输入特性曲线描述了三极管电压降（以下简称管压降）UCE保持不变的前提下，基极电流iB和发射结电压降uBE之间的函数关系，即,2019/5/25,37,电子技术,1.3 双极型晶体管,2019/5/25,38,电子技术,1.3 双极型晶体管,2输出特性曲线,输出特性曲线是描述输入电流iB为一常量时，集电极电流iC和
14、管压降uCE之间的函数关系。,2019/5/25,39,电子技术,1.3 双极型晶体管,3温度对特性曲线的影响,图1-23 温度对三极管特性曲线的影响,2019/5/25,40,电子技术,1.3 双极型晶体管,1.3.4 三极管的主要参数,1共射电流放大系数和,集电极电流IC与基极电流IB之比称为共射直流电流放大系数。,两电流变化量的比称为共射交流电流放大系数,2019/5/25,41,电子技术,1.3 双极型晶体管,2极间反向电流,ICBO为发射极开路，集电结加反向电压时，集电极流过的反向饱和电流。 ICEO为基极开路，集电极和发射极之间加反向电压时集电极直通到发射极的电流，由于它是从集电区
15、穿过基区流向发射区的电流，所以又叫穿透电流。,2019/5/25,42,电子技术,1.3 双极型晶体管,3极限参数,（1）最大集电极电流ICM （2）最大集电极耗散功率PCM （3）极间反向击穿电压,2019/5/25,43,电子技术,1.3 双极型晶体管,图1-24 三极管的功耗曲线,2019/5/25,44,电子技术,1.3 双极型晶体管,4温度对三极管参数的影响,（1）温度对反向饱和电流ICBO的影响,（2）温度对电流放大系数的影响,（3）温度对UBE的影响,2019/5/25,45,电子技术,1.4 单极型晶体管,1.4.1 基本结构和工作原理,1N沟道增强型MOS管的结构,图1-25
16、 N沟道增强型MOS管的结构,2019/5/25,46,电子技术,1.4 单极型晶体管,2工作原理,图1-26 MOS管的图形符号,2019/5/25,47,电子技术,1.4 单极型晶体管,1.4.2 绝缘栅型场效应管的特性曲线,图1-27 共源极接法电路,2019/5/25,48,电子技术,1.4 单极型晶体管,图1-28 N沟道增强型MOS的转移特性曲线和输出特性曲线,2019/5/25,49,电子技术,1.4 单极型晶体管,（1）转移特性曲线,N沟道增强型MOS管的转移特性曲线是指漏极电流iD与栅源电压uGS的关系曲线。它反映了uGS对iD的控制特性,uGSUGS（th）时成立。式中IDO是uGS=2UGS(th)时的iD值。,2019/5/25,50,电子技术,1.4 单极型晶体管,（2）输出特性曲线,输出特性曲线描述的是在一定栅源电压uGS下，漏极电流iD和漏源电压uDS
