半导体基础知识解析课件.ppt

1、模拟电子技术模拟电子技术第一章 半导体二极管和三极管1.1 1.1 半导体基础知识（了解）半导体基础知识（了解）1.2 1.2 半导体二极管（重点）半导体二极管（重点）1.3 1.3 晶体三极管（重点、难点）晶体三极管（重点、难点）模拟电子技术模拟电子技术1 半导体基础知识一、本征半导体一、本征半导体二、杂质半导体二、杂质半导体三、三、PNPN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性四、四、PNPN结的电容效应结的电容效应模拟电子技术模拟电子技术一、本征半导体intrinsic semiconductor 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导

2、体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1 1、什么是半导体？什么是本征半导体？、什么是半导体？什么是本征半导体？导体导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。电。半导体半导体硅（硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，

3、它们原），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构模拟电子技术模拟电子技术2、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子而成为自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，一定温度下，自由电子与空穴对

4、的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。的浓度加大。动态平衡动态平衡模拟电子技术模拟电子技术两种载流子两种载流子 外加电场时，带负电的自由电外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。目很少，故导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？(白纸)3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。温度升高，热运动加剧，载温度升高，热运动加剧，载流子

5、浓度增大，导电性增强。流子浓度增大，导电性增强。热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。模拟电子技术模拟电子技术二、杂质半导体doping semiconductor 1.N N型半导体(Negative type)5磷（磷（P）杂质半导体主要靠多数载流杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。导电性可控。带负电？带负电？多数载流子多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？了？少了？为什么？模拟电子技术模拟电子技术2.2.P型半导体(positive typ

6、e)3硼（硼（B）多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，导电性越强，在杂质半导体中，温度变化时，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？谁对温度子浓度的变化相同吗？谁对温度更敏感？更敏感？模拟电子技术模拟电子技术三、PN结（PN junction）物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。体、液体、固体均有之。扩散运

7、动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。区的自由电子浓度降低，产生内电场。模拟电子技术模拟电子技术PN 结的形成 因电场作用所产因电场作用所产生的运动称为漂移生的运动称为漂移运动。运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载

8、流子，形成区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。模拟电子技术模拟电子技术PN结加正向电压导通：结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，成扩散电流，PNPN结处于导通结处于导通状态。状态。PN结加反向电压截止：结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似流。由于

9、电流很小，故可近似认为其截止。认为其截止。PN 结的单向导电性必要吗？必要吗？模拟电子技术模拟电子技术四、PN 结的电容效应1.势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容同，其等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容过

10、程，其等效电容称为扩散电容Cd。dbjCCC结电容：结电容：结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！则失去单向导电性！模拟电子技术模拟电子技术问题 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？（可控）改善导电性能？（可控）为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？（漂移）是少子是影响温度稳定性的主要因素？（漂移）为什么半导

11、体器件有最高工作频率？（电容）为什么半导体器件有最高工作频率？（电容）模拟电子技术模拟电子技术2 半导体二极管Diode一、二极管的组成一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数五、稳压二极管五、稳压二极管模拟电子技术模拟电子技术 一、二极管的组成将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管模拟电子技术模拟电子技术 一、二极管的组成点接触型：结面积小，点接

12、触型：结面积小，结电容小，故结允许结电容小，故结允许的电流小，最高工作的电流小，最高工作频率高。频率高。面接触型：结面积大，面接触型：结面积大，结电容大，故结允许结电容大，故结允许的电流大，最高工作的电流大，最高工作频率低。频率低。平面型：结面积可小、平面型：结面积可小、可大，小的工作频率可大，小的工作频率高，大的结允许的电高，大的结允许的电流大。流大。模拟电子技术模拟电子技术 二、二极管的伏安特性(volt ampere characteristic)材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A)(

13、ufi 开启开启电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压mV)26()1e(TSTUIiUu常温下温度的温度的电压当量电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。模拟电子技术模拟电子技术从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安特性可以反映出：1.单向导电性单向导电性TeSTUuIiUu，则若正向电压)1e(TSUuIi2.伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移正向特性为正向特性为指数曲线

14、指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线增大增大1倍倍/10STIiUu，则若反向电压模拟电子技术模拟电子技术三、二极管的等效电路(“近似”)理想理想二极管二极管近似分析近似分析中最常用中最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0垂直横轴：内阻为？垂直横轴：内阻为？导通时导通时i与与u成线性关系成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！1.将伏安特性折线化？100V？5V？1V？模拟电子技术模拟电子技术2.微变等效电路DTDDdIUiur根据电流方程，Q越高，越高，rd越小。越小。当二极管

15、在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用小信号作用小信号作用静态电流静态电流模拟电子技术模拟电子技术四、二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流IF：最大正向平均电流：最大正向平均电流 最大反向最大反向工作工作电压电压UR：U(BR)的一半的一半 反向电流反向电流 IR：即：即IS，温度敏感？温度敏感？最高工作频率最高工作频率fM：因：因PN结有电容效应结有电容效应第四版第四版P20讨论：解决两个问题解

16、决两个问题 如何判断二极管的工作状态？如何判断二极管的工作状态？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？uD=ViRQIDUDRuViDDV与与uD可比，则需图解：可比，则需图解：实测特性实测特性 对对V和和Ui二极管二极管的模的模型有什么不同？型有什么不同？模拟电子技术模拟电子技术五、稳压二极管(Zener diode)1.伏安特性进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流 由一个由一个PN结组结组成，反向击穿后成，反向击穿后在一定的电流范在一定的电流范围内端电压基本围内端电压基本不变，为稳定电不变，为稳定电压。压。2

17、.主要参数稳定电压稳定电压UZ、稳定电流、稳定电流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ/IZ 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！流的限流电阻！限流电阻限流电阻斜率？斜率？模拟电子技术模拟电子技术稳压管的主要参数 稳定电压稳定电压UZ：规定电流下稳压管的反向击穿电压：规定电流下稳压管的反向击穿电压.分散分散性：同一型号，性：同一型号，UZ不一定相同不一定相同 稳定电流稳定电流IZ(IZm

18、in)：稳压管工作于击穿区的最小工作电流，：稳压管工作于击穿区的最小工作电流，电流低于电流低于IZmin会失去稳压作用会失去稳压作用 额定功耗额定功耗PZM：管子功耗超过会热击穿：管子功耗超过会热击穿 最大稳定电流最大稳定电流IZmax：IZmax=PZM/UZ 动态电阻动态电阻rZ=UZ/IZ：动态电阻越小：动态电阻越小,电流变化时电流变化时UZ变化越小：稳压性能越好变化越小：稳压性能越好 温度系数温度系数=UZ/T：反映稳定电压：反映稳定电压UZ受温度影响受温度影响的参数（了解）的参数（了解）模拟电子技术模拟电子技术稳压管稳压电路（P25例题）返回返回模拟电子技术模拟电子技术发光二极管Li

19、ght Emitting Diode开启电压大：1.6-2V返回返回模拟电子技术模拟电子技术光电二极管Photo Diode（光照强度改变其反向电流）（光照强度改变其反向电流）返回返回模拟电子技术模拟电子技术1.3 1.3 晶体三极管双极型晶体管双极型晶体管 BJT Bipolar Junction Transistor又称三极管又称三极管 triode一、晶体管的结构和符号一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放大原理二、晶体管的放大原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、温度对晶体管特性的影响四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数五、主要参数模拟电子技术模拟

20、电子技术一、晶体管的结构和符号多子浓度高多子浓度高多子浓度很多子浓度很低，且很薄低，且很薄面积大面积大晶体管有三个极、三个区、两个晶体管有三个极、三个区、两个PN结。结。小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管为什么有孔？为什么有孔？emitterbasecollector模拟电子技术模拟电子技术二、晶体管的放大原理（集电结反偏），即（发射结正偏）放大的条件BECECBonBE0uuuUu 扩散运动形成发射极电流扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电，复合运动形成基极电流流IB，漂移运动形成集电极电流，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流少数载流子的运动子的运动因发射区多子浓度

21、高使大量因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴基区空穴的扩散的扩散模拟电子技术模拟电子技术 电流分配：电流分配：I IE EI IB BI IC C I IE E扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流 I IB B复合运动形成的电流复合运动形成的电流 I IC C漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流CBOCEOBCBC)(

22、1 IIiiII穿透电流穿透电流集电结反向电流集电结反向电流直流电流直流电流放大系数放大系数交流电流放大系数交流电流放大系数为什么基极开路集电极回为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？路会有穿透电流？模拟电子技术模拟电子技术三、晶体管的共射输入特性和输出特性CE)(BEBUufi 为什么为什么UCE增大曲线右移？增大曲线右移？对于小功率晶体管，对于小功率晶体管，UCE大于大于1V的一条输入特性曲线的一条输入特性曲线可以取代可以取代UCE大于大于1V的所有输入特性曲线。的所有输入特性曲线。为什么像为什么像PN结的伏安特性？结的伏安特性？为什么为什么UCE增大到一定值曲线增大到一定值曲线右移就不明

23、显了？右移就不明显了？1.输入特性模拟电子技术模拟电子技术2.输出特性B)(CECIufi 是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下?对应于一个对应于一个IB就有一条就有一条iC随随uCE变化的曲线。变化的曲线。为什么为什么uCE较小时较小时iC随随uCE变变化很大？为什么进入放大状态化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？曲线几乎是横轴的平行线？饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区BiCi常量CEBCUii模拟电子技术模拟电子技术晶体管的三个工作区域 晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅几乎仅

24、仅决定于输入回路的电流决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源控制的电流源iC。状态状态uBEiCuCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE饱和饱和 UoniB uBEIB1ABC模拟电子技术模拟电子技术四、温度对晶体管特性的影响BEBBBECEO )(uiiuIT不变时，即不变时模拟电子技术模拟电子技术五、主要参数 直流参数直流参数：、ICBO、ICEOc-e间击穿电压间击穿电压最大集电最大集电极电流极电流最大集电极耗散功最大集电极耗散功率，率，PCMiCuCE安全工作区安全工作区 交流参数：交流参数：、fT（使1

25、的信号频率）极限参数极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEOECII1ECii模拟电子技术模拟电子技术讨论一由图示特性求出由图示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO、。CECCMuiP2.7CEBCUiiuCE=1V时的时的iC就是就是ICMU（BR）CEO模拟电子技术模拟电子技术光电三极管的等效电路、符号和外形返回返回模拟电子技术模拟电子技术作业:1.2 1.3 1.6 1.8 1.9 1.10 1.12何时交作业:每章讲完后的下一周的第一次课每次作业每位同学都应及时上交学委应配合老师了解同学们学习情况模拟电子技术模拟电子技术附录：三极管的判别及手册的查阅方法三极管的判别及手册的查阅方

26、法 要准确地了解一只三极管类型、性能与参数,可用专门的测量仪器进行测试,但一般粗略判别三极管的类型和管脚,可直接通过三极管的型号简单判断,也可利用万用表测量方法判断.下面具体介绍其型号的意义及利用万用表的简单测量方法。1三极管型号的意义三极管型号的意义 三极管的型号一般由五大部分组成,如3AX31A、3DG12B、3CG14G等。下面以3DG110B为例说明各部分的命名含义。模拟电子技术模拟电子技术 (1)第一部分由数字组成，表示电极数。“3”代表三极管。(2)第二部分由字母组成，表示三极管的材料与类型。如A表示PNP型锗管，B表示NPN型锗管，C表示PNP型硅管，D表示NPN型硅管。(3)第

27、三部分由字母组成，表示管子的类型，即表明管子的功能。(4)第四部分由数字组成,表示三极管的序号。)1(3)2(D)3(G)4(110)5(B模拟电子技术模拟电子技术 (5)第五部分由字母组成,表示三极管的规格号。2三极管手册的查阅方法三极管手册的查阅方法 1）三极管手册的基本内容 (1)三极管的型号;(2)电参数符号说明;(3)主要用途;(4)主要参数。2）三极管手册的查阅方法 （1）已知三极管的型号查阅其性能参数和使用范围。（2）根据使用要求选择三极管。模拟电子技术模拟电子技术 3判别三极管的管型和管脚 (1）根据三极管外壳上的型号,初判其类型。(2）根据三极管的外形特点,初判其管脚 (3）

28、用万用表判别三极管的管脚及管型。基极的判别。模拟电子技术模拟电子技术bcebcecbecebecbcbecbeebc凸片凸片焊接片接管壳接管壳凸片距发射极引线45 角凸片距发射极引线45 角以色点辨认集电极以色点辨认集电极ebc以色点辨认集电极ecb 图1 典型三极管的管脚排列图 模拟电子技术模拟电子技术cbe红笔红笔黑笔V图2 三极管基极的测试模拟电子技术模拟电子技术 集电极和发射极的判别。具体测试方法如图3所示,图（a）、（b）为PNP管的测试图,图（c）为NPN管的测试图。根据硅管的发射结正向压降大于锗管的正向压降的特点,来判断其材料。一般常温下,锗管正向压降为0.20.3V,硅管的正向

29、压降为0.60.7V。根据图4电路进行测量,由电压表的读数大小确定是硅管还是锗管。模拟电子技术模拟电子技术图3 三极管集电极、发射极的判别模拟电子技术模拟电子技术1.5 V10 kNPN1.5 V10 kPNPVV 图4 判断硅管和锗管的电路模拟电子技术模拟电子技术 4 三极管的质量粗判及代换方法三极管的质量粗判及代换方法 1）判别三极管的质量好坏 2）三极管的代换方法 通过上述方法的判断,如果发现电路中的三极管已损坏,更换时一般应遵循下列原则:（1）更换时,尽量更换相同型号的三极管。（2）无相同型号更换时,新换三极管的极限参数应等于或大于原三极管的极限参数,如参数ICM、PCM、U（BR）CEO等。（3）性能好的三极管可代替性能差的三极管。如穿透电流ICEO小的三极管可代换ICEO大的,电流放大系数高的可代替低的。模拟电子技术模拟电子技术（4）在集电极耗散功率允许的情况下,可用高频管代替低频管，如3DG型可代替3DX型。（5）开关三极管可代替普通三极管,如3DK型代替3DG型,3AK型代替3AG型管。