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1、项目一、 半导体器件基础,绪 论,一、电子技术的发展与应用概况 电子技术是研究电子器件 、电子电路及其应用 的科学技术。 电子技术的应用，以信息科学技术为中心的包括计算机技术、生物基因工程、光电子技术、军事电子技术、生物电子学、新型材料、新型能源、海洋开发工程技术等高新技术群的兴起，已经引起人类从生产到生活各个方面巨大变革。,电子线路是由电子器件（又称有源器件，如电 子管、半导体二极管、晶体管、集成电路等）和电 子元件（又称无源器件，如电阻器、电容器、电感 器 、变压器等）组成具有一定功能的电路。 电子器件是电子线路的核心。电子器件的发展 促进了电子技术的发展 。 (一)电子管时代: 1904
2、年电子管的发明，使电子技术进入了第一 个时代电子管时代 。,从此，无线电通信、电视、广播、雷达、导航 电子设备和计算机等开始问世，并得到迅速发展。,(二)晶体管时代,1948 年贝尔（ Bell ）实验室发明晶体管后，使 电子技术进入晶体管时代，拉开了人类社会步入信息 时代的序幕。晶体管的广泛应用，开创了电子设备朝 小型化、微型化发展的新局面。,(三)集成电路时代,1958年，德克萨斯仪器公司发明了集成电路， 使电子技术进入集成电路时代。集成电路芯片是通过 一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器 件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连， “集成”在一块半导体单晶片上，实现特定的电
3、路或 系统功能。,(四)信息时代,2000年以来,以集成电路为基础的电子信息产业 已成为世界第一大产业。电子信息产业的发展在国 民经济发展中具有十分重要的战略意义。科学家认,2000年以来，以集成电路为基础的电子信息产业 已成为世界第一大产业。电子信息产业的发展在国民 经济发展中具有十分重要的战略意义。科学家认为人 类继石器、青铜器、铁器时代之后进入了硅石时代。,二、课程的性质和任务,本课程是高职高专电类专业通用的技术基础课程， 也是实践性较强的一门主干课程。在专业人才培养过 程中具有重要的地位和作用。,通过本课程的理论教学和实验、课程设计等实践 教学，使学生获得电子元器件和功能电路及其应用的
4、 基本知识，掌握电子技术基本技能，培养学生创新意 识和实践能力，以适应电子技术发展的形势，为后续 课程的学习和形成职业能力打好基础。 通过本课程及实践环节的教学使学生获得以下知 识和能力：,1.熟悉常用电子元器件的性能特点及其应用常识，具 有查阅手册、合理选用、测试常用电子元器件的能 力。 2.掌握常见功能电路的组成、工作原理、性能特点及 其分析计算方法，具有常见低频电路读图能力。 3.熟悉常见电路的调试方法，具有电路简单故障分析 、排除能力。 4.了解EWB基本操作方法，会用软件进行电路仿真。,三、课程特点和学习方法,本课程是研究模拟电路（Analog Circuit）及其 应用的课程。模拟
5、电路是产生和处理模拟信号的电路。 数字电路(Digital Circuit)的知识学习由数字电子技 术课程完成。 本课程有着下列与其他课程不同的特点和分析方 法。,（1）模拟电路是以模拟电子器件为核心构成的电子电路。 （2）近似估算的方法 （3）等效的方法 （4）图解的方法 （5）实验调整的方法 在本课程学习过程中，要根据课程特点进行，并 注意以下问题。 第一，提高对本课程重要性的认识，努力学习。 第二，理论联系实际，重视实践动手能力培养。 第三，注重职业道德培养，养成良好职业习惯。,四、半导体的基础知识,1. 本征半导体,2. 杂质半导体,3. PN 结,本征半导体 ,1、本征半导体,半导体
6、 ,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,纯净的不含任何杂质的半导体。如 硅、锗单晶体。,自由运动的带电粒子。,载流子 ,共价键 ,相邻原子共有价电子所形成的束缚。,半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电。,硅(锗)的原子结构,简化模型,自 由 电 子,硅(锗)的共价键结构,空穴,半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。,结论：,自由电子在共价键以外的运动。,空穴在共价键以内的运动。,1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。,2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。,3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。,2、杂质半导体,一、N 型半导体,在纯净的硅或锗晶体中掺入少量的5价
7、元素（如磷）。,磷原子,自由电子,N型半导体的特点：,两种载流子中自由电子是多 子，空穴是少子；,主要靠自由电子导电。,N型半导体的简化图示,二、 P 型半导体,在纯净的硅或锗晶体中掺入少量的3价元素（如硼）。,空穴,硼原子,P型半导体的特点：,空穴是多子，自由电子是少子；,主要靠空穴导电。,P 型半导体的简化图示,3、PN结,一、PN 结的形成,扩散运动,漂移运动,空间电荷区,离子电荷区形成,PN结,内电场建立,扩散运动,（一定宽度）,动态平衡,P 区中的电子和 N 区中的空穴（都是少），数量 有限，因此由它们形成的电流很小。,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有
8、电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,1、空间电荷区中没有载流子。,注意:,2、空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N 区中的电子（ 都是多子）向对方运动（扩散 运动）。,二、PN 结的单向导电性,1. PN结外加正向电压时处于导通状态,P,N,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,+,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思是： P 区 加正、N 区加负电压。,2. PN结外加反向电压时处于截止状态,P,N,+,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思是： P区加负、N 区加正电压。,PN结加正向电
9、压时，呈现低电阻，具有较 大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很 小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,三、PN 结的伏安特性,反向饱和电流,加正向电压时,加反向电压时,iIS,小结,1. 本征半导体、N型半导体、P型半导体的特点,2. PN结的形成及特性,模块一 半导体二极管,1. 1 半导体二极管的结构和类型,1. 2 二极管的伏安特性,1. 3 二极管的主要参数,1. 4 特殊二极管,1. 1 半导体二极管的结构和类型,构成：,PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode),实质上就是一个PN结,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件
10、型号的命名举例如下：,二极管实物图,1.2 二极管的伏安特性,反向击穿电压UBR,导通压降: 硅管0.7V, 锗管0.3V。,死区电压 硅管 0.5V,锗管0.2V,正向特性,反向击穿,电击穿,热击穿,反向击穿原因：,齐纳击穿： (Zener),雪崩击穿：, PN 结未损坏，断电即恢复。, PN 结烧毁。,反向击穿类型：,反向电场太强，将电子强行拉出共价键。,反向电场使电子加速，动能增大，撞击 使自由电子数突增。,PN结的反向击穿,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,1.3 二极管的主要参数,1. IF 最大整流电流(最大正向平均电流),2.
11、 URM 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2,3. IR 反向电流(越小,单向导电性越好),4. fM 最高工作频率(超过时,单向导电性变差),以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。,结论： (1) 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。 高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。 (2) 结面积小时结电容小，工作频率高。,二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0,1.4 特殊二极管,一 . 稳压二极管,符号,工作条件：反向击穿,稳压二极管在工作时应反接
12、，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,二 . 光电二极管,又称为光敏二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,符号,实物照片,符号,三 . 发光二极管,工作条件：正向偏置,一般工作电流几十 mA，导通电压 (1 2) V,1.二极管的伏安特性-正向特性、反向特性,小结,2.二极管的主要参数: IF 、URM 、IR 、fM,3.特殊二极管及其应用,模块二 半导体三极管,2.1 晶体三极管,2.2 晶体三极管的特性曲线,2.3 晶体三极管的主要参数,2.4 特
13、殊的晶体三极管,2.1 晶体三极管,一、结构、符号和分类,基极,发射极,NPN型,发射结,集电结,基本结构一,集电极,基区：较薄，掺杂浓度低,发射区：掺 杂浓度较高,制造工艺上的特点,集电区：面积较大, 掺杂浓度低,PNP型,基本结构二,分类：,按材料分： 硅管、锗管,按功率分： 小功率管 500 mW,按结构分： NPN、 PNP,按使用频率分： 低频管、高频管,大功率管 1 W,中功率管 0.5 1 W,三极管实物图,二 . 晶体管的电流放大作用,发射结正向偏置,集电结反向偏置,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。 （1）工作在放大状态的外部条件：,(2)实
14、现电路:,(3)满足放大条件的三种电路,共集电极,共发射极,共基极,(4) 三极管内部载流子的传输过程 (以NPN为例 ）,I CN,IE,I CBO,IB,I BN,1)发射结加正向电压，发射区向基区注入电子，形成发射极电流IE。,3)电子到达基区后，由于集电结加反向电压，电子漂移运动形成集电极电流 ICN。,2)扩散到基区的电子与孔穴的复合形成基极电流 IBN 。,IC,基区的空穴来源：,基极电源提供(IB),集电区少子漂移(ICBO),所以 IBN IB + ICBO,IB = IBN ICBO,IC = ICN + ICBO,IE=IC+IB,当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、
15、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：,若ICICEO，,IE=IB+IC,（5）晶体管的电流分配关系,三极管的电流放大作用,1三极管的电流放大作用就是基极电流 I B 的微小 变 化控制了集电极电流 IC 较大的变化。,2三极管放大电流时，被放大的 IC 是由电源 VCC 提供的，并不是三极管自身生成的，放大的实质是小信 号对大信号的控制作用。,3三极管是一种电流控制器件。,2.2 晶体三极管的特性曲线,IB= f (UBE) UCE=常数,1. 输入特性曲线,UCE 1V,工作压降： 硅管UBE0.60.8V, 锗管UBE0.20.3V。,UCE=0V,UCE =0.5V,死区电压，
16、硅管0.5V，锗管0.2V。,三极管输入特性曲线与二极管特性相似,放大区,截止区,饱 和 区,二、输出特性,三极管有三种工作状态: 1)截止状态 2)放大状态 3)饱和状态,1) 截止区：IB 0 IC = ICEO 0 条件：两个PN结反偏或零偏,2) 放大区：,IC= IB UCUBUE,条件：发射结正偏 集电结反偏,3) 饱和区：,特点：IC IB,条件：两个PN结均正偏,IB 虽然变化,但 IC 基本不变化,深度饱和时UCES 0.1v , 此时C 极和 E 极之间相当于一个开关的闭合状态。利用三极管截止、饱和两种状态可做无触点开关。,三、温度对晶体管特性及参数的影响,1、温度对ICBO的影响,2.3 晶体三极管的主要参数,1. 电流放大倍数和 ,2.集-基极
