第一章 半导体器件

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半导体基础知识

半导体基础知识
D
G
S 图 P 沟道结型场效应管结构图
S 符号
二、工作原理
N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电
流 ID 的。
耗尽层
D 漏极
*在栅极和源极之间
加反向电压,耗尽层会变
栅极
G
N
P+ 型 P+
沟 道
N
S 源极
宽,导电沟道宽度减小, 使沟道本身的电阻值增大, 漏极电流 ID 减小,反之, 漏极 ID 电流将增加。
e
e
图 三极管中的两个 PN 结
c
三极管内部结构要求:
N
b
PP
NN
1. 发射区高掺杂。
2. 基区做得很薄。通常只有 几微米到几十微米,而且掺杂较 少。
3. 集电结面积大。
e
三极管放大的外部条件:外加电源的极性应使发射 结处于正向偏置状态,而集电结处于反向偏置状态。
三极管中载流子运动过程
c
Rc
IB
I / mA
60
40 死区 20 电压
0 0.4 0.8 U / V
正向特性
2. 反向特性 二极管加反向电压,反 向电流很小; 当电压超过零点几伏后, 反向电流不随电压增加而增
I / mA
–50 –25
0U / V
击穿 – 0.02 电压 U(BR) – 0.04
反向饱 和电流
大,即饱和;
反向特性
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
+4

半导体基础知识

半导体基础知识

第一章、半导体器件
1、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,改善导电性能?
制成本征半导体是为了讲自然界中的半导体材料进行提纯,然后人工掺杂,通过控制掺杂的浓度就可以控制半导体的导电性,以达到人们的需求
2、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?
导致半导体性能温度稳定性差的主要原因有二:β
(1)禁带宽度与温度有关(一般,随着温度的升高而变窄);(2)少数载流子浓度与温度有关(随着温度的升高而指数式增加)。

多子。

3、为什么半导体器件有最高工作频率?
这是因为半导体器件的主要组成单元是PN结,PN结的显著特征是单向导电性,因为PN结的反向截止区是由耗尽层变宽导致截止,而这个过程是需要一定的时间的,如果频率太高导致时间周期小于截止时间就可能造成PN结失去单向导电性,导致半导体器件不能正常工作,所以半导体器件有最高工作频率的限制。

4、整流,是指将交流电变换为直流电称为AC/DC变换,这正变换的功率流向是由电源传向负载,称之为整流。

5、为什么基极开路集电极回路会有穿透电流?
虽然集电结是反偏的,虽然基极是开路的,但是,晶体管芯,是块半导体材料。

半导体材料,又不是绝缘体,加上电压,就有微弱的电流,这很正常。

从集电区向基区出现的“反向饱和电流Icbo”,在基极没有出路,就流向发射极了。

这一流动,就形成了一个Ib。

这个Ib,就引出了一个贝塔倍的Ic; 这个Ib和Ic之和,就是穿透电流Iceo,等于(1+贝塔)Icbo。

6、
展开。

第1章常用半导体器件

第1章常用半导体器件

ui=0时直流电源作用
根据电流方程,rd

uD iD

UT ID
小信号作用
Q越高,rd越小。 静态电流
3. 二极管电路应用举例
(1)开关电路(掌握)
方法:假设法,将D管断开 原则一:单向导电性
阳极 a
k 阴极
D
V阳>V阴,D管正偏,导通 V阳< V阴,D管反偏,截止
原则二:优先导通原则(多二极管电路中)
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。
P区空穴 浓度远高 于N区。
N区自由电 子浓度远高
于P区。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P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。
由于扩散运动使P区与N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N区向P 区、自由电子从P区向N 区运动。
2
98 0.98
100
综上所述,实现晶体三极管放大作用的 两个条件是:
(1)内部条件:发射区杂质浓度远大于基区 杂质浓度,且基区很薄。
(2)外部条件:发射结正向偏置,集电结反 向偏置。
正偏电压工作,通电流→发光,电信号→光信号 光颜色:红、橙、黄、绿(与材料磷、砷、镓、化有关)
3. 激光二极管
(a)物理结构 (b)符号
发光二极管
光电二极管
一、晶体管的结构及类型 二、晶体管的电流放大原理 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 五、主要参数
三极管:电流放大(三个电极)
将PN结封装,引出两个电极,就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管

第一章 半导体器件知识

第一章  半导体器件知识

第一章《半导体器件的基础知识》一、填空:1、半导体的导电能力随着(掺入杂质)、(光照)、(温度)和(输入电压和电流的改变)条件的不同而发生很大的变化,其中,提高半导体导电能力最有效的办法是(掺入杂质)。

2、(纯净的半导体)叫本征半导体。

3、半导体可分为(P )型半导体和(N )型半导体,前者( 空穴)是多子,(电子)是少子。

4、PN结加(正向电压)时导通,加(反向电压)时截止,这种特性称为(单向导电)性。

5、PN结的反向击穿可分为(电)击穿和(热)击穿,当发生(热)击穿时,反向电压撤除后,PN结不能恢复单向导电性。

6、由于管芯结构的不同,二极管可分为(点)接触型、(面)接触型、(平面)接触型三种,其中(点)接触型的二极管PN结面积(小),适宜半导体在高频检波电路和开关电路,也可以作小电流整流,面接触型和平面型二极管PN结接触面(大),载流量(大),适于在(大电流)电路中使用。

7、二极管的两个主要参数是(最大整流电流)和(最高反向电压)使用时不能超过,否则会损坏二极管。

8、在一定的范围内,反向漏电流与反加的反向电压(无关),但随着温度的上升而(上升),反向饱和电流越大,管子的性能就越(差)。

9、硅二极管的死区电压为(0、5)V,锗二极管的死区电压为(0、2)V。

10、三极管起放大作用的外部条件(发射结正偏)和(集电结反偏)11、晶体三极管具有电流放大作用的实质是利用(基极)电流实现对(集电极)电流的控制。

12、3DG8D表示(NPN型硅材料高频小功率三极管);3AX31E表示(PNP型锗材料低频小功率三极管)。

13、三极管的恒流特性表现在(放大)区,在饱和区,三极管失去(放大)作用,集电结、发射结均(正)偏。

14 集---射击穿电压V(BR)CEO是指(基极开路)时集电极和发射极间所承受的最大反向电压,使用时,集电极电源电压应(>)这个数值。

15三极管的三种基本联结方式可分为(共基极电路),(共集电极电路)和(共发射极电路)。

精品文档-模拟电子技术(江晓安)(第三版)-第1章

精品文档-模拟电子技术(江晓安)(第三版)-第1章

第一章 半导体器件
图 1 – 5 P型半导体的共价键结构
第一章 半导体器件
1.2PN 结
1.2.1 异型半导体接触现象 在P型和N型半导体的交界面两侧, 由于电子和空穴的
浓度相差悬殊, 因而将产生扩散运动。 电子由N区向P区扩 散; 空穴由P区向N区扩散。 由于它们均是带电粒子(离 子), 因而电子由N区向P区扩散的同时, 在交界面N区剩下 不能移动(不参与导电)的带正电的杂质离子; 空穴由P区向 N区扩散的同时, 在交界面P区剩下不能移动(不参与导电) 的带负电的杂质离子, 于是形成了空间电荷区。 在P区和N 区的交界处形成了电场(称为自建场)。 在此电场 作用下, 载流子将作漂移运, 其运动方向正好与扩散运动方 向相反, 阻止扩散运动。 电荷扩散得越多, 电场越强, 因而 漂移运动越强, 对扩散的阻力越大。 当达到平衡时, 扩散运 动的作用与漂移运动的作用相等, 通过界面的载流子总数为 0, 即PN结的电流为0。 此时在PN区交界处形成一个缺 少载流子的高阻区, 我们称为阻挡层(又称为耗尽层)。 上述 过程如图1-6(a)、 (b)所示。
所谓“齐纳”击穿, 是指当PN结两边掺入高浓度的杂 质时, 其阻挡层宽度很小, 即使外加反向电压不太高(一般为 几伏), 在PN结内就可形成很强的电场(可达2×106 V/cm), 将共价键的价电子直接拉出来, 产生电子-空穴对, 使反向电 流急剧增加, 出现击穿现象。
第一章 半导体器件
对硅材料的PN结, 击穿电压UB大于7V时通常是 雪崩击穿, 小于4V时通常是齐纳击穿;UB在4V和7V之间 时两种击穿均有。由于击穿破坏了PN结的单向导电特性, 因而一般使用时应避免出现击穿现象。
CT
dQ dU
S W
第一章 半导体器件

1.常用半导体器件

1.常用半导体器件
返回
第五节 场效应晶体管
N沟道增强型MOS管 N沟道耗尽型MOS管 MOS管的主要参数及使用注意事项
返回
场效应晶体管是用输入回路的电场效应来控 制半导体中的多数载流子,使流过半导体内的电 流大小随电场强弱而变化,形成电压控制其导电 的一种半导体器件。与晶体管相比场效应晶体管 更易于集成。
场效应晶体管有两种: 结型场效应晶体管 绝缘栅型场效应晶体管
发光二极管的发光颜色取决于使用的材料。
发光二极管只能工作在正向偏置状态,工 作 时电路中必须串接限流电阻。
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第四节 晶体管
晶体管的基本结构和类型 晶体管的电流分配和放大原理 晶体管的特性曲线 晶体管的主要参数 温度对晶体管特性和参数的影响
返回
一、晶体管的基本结构和类型
集电极
集电结
集电区
基极
基区
返回
例2、已知ui = 6sinωt,UZ =3V,画输出波形。
ui /V
6
ui
VS
3
uo O
ωt
uo
3
O
ωt
返回
例3、图示电路中,稳压管VS1、VS2的稳压值分
别为UZ1=5V,UZ2=7V,正向压降为0.7V,若
输入电压Ui波形如图所示,试画出输出电压波
形。
Ui
R
12V
Ui R
Uo 6V VS1 VS2 -2V
( NPN: VBC. > VNBP>NVE V C V B V E
PNP: VC<PUNB <PVE)V C V B V E
返回
例2:有三只晶体管,分别为 锗管β=150, ICBO=2μA; 硅管β=100,ICBO=1μA; 硅管β=40,ICEO=41μA;试从β和温度稳定 性选择一只最佳的管子。 解: β 值大,但ICBO也大,温度稳定性较差; β 值较大,ICBO=1μA,ICEO=101 μA ; β 值较小,ICEO=41μA, ICBO=1μA。 、 ICBO相等,但 的β 较大,故 较好。

半导体器件的基础知识

半导体器件的基础知识

1.1 半导体二极管
3.半导体二极管的主要参数 . (1)最大整流电流 IF: ) 二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。 二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。 使用时应注意流过二极管的正向最大电流不能大于这个 数值,否则可能损坏二极管。 数值,否则可能损坏二极管。 (2)最高反向工作电压 VRM ) 二极管正常使用时允许加的最高反向电压。 二极管正常使用时允许加的最高反向电压。 使用中如果超过此值,二极管将有被击穿的危险。 使用中如果超过此值,二极管将有被击穿的危险。
1.2 半导体三极管
输出特性曲线
1.2 半导体三极管
输出特性曲线族可分三个区: 输出特性曲线族可分三个区: (1)截止区 ) 条件:发射结反偏或两端电压为零。 条件:发射结反偏或两端电压为零。 特点: 特点: IB = 0,IC = ICEO 。 , (2)放大区 ) 条件:发射结正偏,集电结反偏。 条件:发射结正偏,集电结反偏。 特点: 特点: IC 受 IB 控制 ,即 ∆IC = β∆IB 。 在放大状态, 一定时, 变化, 在放大状态,当 IB 一定时,IC 不随 VCE 变化,即放大状态 的三极管具有恒流特性。 的三极管具有恒流特性。 (3)饱和区 ) 条件:发射结和集电结均为正偏。 条件:发射结和集电结均为正偏。 特点: 特点:VCE = VCES。 VCES 称为饱和管压降,小功率硅管约 0.3 V,锗管约为 0.1 V。 称为饱和管压降, , 。
1.2 半导体三极管
1.2.1 半导体三极管的基本结构与分类
1.结构及符号 . PNP 型及 NPN 型三极管的内部结构及符号如图所示。 型三极管的内部结构及符号如图所示。 三区: 发射区、 三区 : 发射区 、 基 集电区。 区、集电区。 三极: 三极 : 发射极 E、 、 基极 B、集电极 C。 、 两结: 发射结、 两结 : 发射结 、 集 电结。 电结。 实际上发射极箭头 方向就是发射结正向电 流方向。 流方向。

第一章半导体基础知识

第一章半导体基础知识

第一章半导体基础知识〖本章主要内容〗本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义,工作状态或工作区的分析。

首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点。

其后介绍二极管、稳压管的伏安特性、电路模型和主要参数以及应用举例。

然后介绍两种三极管(BJT和FET)的结构原理、伏安特性、主要参数以及工作区的判断分析方法。

〖本章学时分配〗本章分为4讲,每讲2学时。

第一讲常用半导体器件一、主要内容1、半导体及其导电性能根据物体的导电能力的不同,电工材料可分为三类:导体、半导体和绝缘体。

半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料,半导体的电阻率为10-3~10-9Ω∙cm。

典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别:当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化;往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时,会使它的导电能力具有可控性;这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。

2、本征半导体的结构及其导电性能本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。

制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%,常称为“九个9”,它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。

在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。

3、半导体的本征激发与复合现象当导体处于热力学温度0K时,导体中没有自由电子。

当温度升高或受到光的照射时,价电子能量增高,有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电,成为自由电子。

这一现象称为本征激发(也称热激发)。

因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的,称为电子空穴对。

游离的部分自由电子也可能回到空穴中去,称为复合。

在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡,此时,载流子浓度一定,且自由电子数和空穴数相等。

4、半导体的导电机理自由电子的定向运动形成了电子电流,空穴的定向运动也可形成空穴电流,因此,在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子(即载流子),这是半导体的特殊性质。

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24
PN结处载流子的运动
漂移运动 P型半导体 由内电场而产生,使少子 越过PN结流向对方。 N型半导体 二 内电场E 者 产 + + + + + + 生 的 + + + + + + 电 流 + + + + + + 方 向 相 + + + + + + 反 由载流子浓度差而产 生,使多子越过PN结 流向对方。 25
3
主要参考书
1、 《电工学上册-电子技术》秦曾煌主编 高等教育出版社(第5或6版)
2、 《电子技术-典型题解析及自测试题》 史仪凯等编 西北工业大学出版社
3、 《电工学 · 电子技术-导教· 导学· 导考》
朱建坤编
西北工业大学出版社
4
第一章 半导体器件
§ 1.1 半导体的基本知识 § 1.2 PN 结及半导体二极管 § 1.3 特殊二极管 § 1.4 半导体三极管 § 1.5 场效应晶体管
9
硅和锗的共价键结构
+4
+4表示除 去价电子 后的原子
+4
共价键共 用电子对
+4,每个原子的最外层电 子是八个,构成稳定结构。
+4 +4
+4
+4
共价键有很强的结合力, 使原子规则排列,形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价 键中,称为束缚电子(价电子),常温下束 缚电子很难脱离共价键成为自由电子,因此 本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。 11
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
jklu@
愿为大家学好本门课程尽心尽力!
1
课程名称:模拟与数字电子技术 教材:电子技术(电工学II )史仪凯主编
比电工技术难但更有趣
绪论
一、内容 体系:
1、模拟电子技术(教材第1~5章) 重点:第2、4两章
2、数字电子技术(教材第6~9章) 重点:第6、7两章 3、电工电子应用技术(电工学Ⅲ)第6章电力电子技术基
iD
ID
vD
vD rD iD
vD 显然,rD是Q点的动态 电阻。
38
VD
二极管究竟等效为何种元件,取决于 它的外部工作条件---外加的电压,有时还 和频率有关。 当外加电压远高于其导通电压时,二 极管表现为理想开关特性;——? 当电压远小于导通电压时则二极管表 现为动态电阻,该电阻的阻值随工作电压不 同而改变。
5
§1.1 半导体的基本知识 1.1.1 导体、半导体和绝缘体 自然界中很容易导电的物质称为导体,金 属一般都是导体。 有的物质几乎不导电,称为绝缘体,如橡 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 之间,称为半导体,如锗、硅、砷化镓和一些 硫化物、氧化物等。
6
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:
_ P
- - -
内电场 外电场
32
1.2.3 半导体二极管 (1)、基本结构 PN结加上管壳和引线,就成为半导体二极管。
触丝线
点接触型
一般为锗管, 适于高频、小 功率。
引线 外壳
基片
33
PN结
P
N
面接触型
一般为硅管, 适于低频、中、 大功率。
34
(2)、伏安特性
mA
死区电压:硅 管0.6V,锗管 0.1~0.2V。
15
1.1.3 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质—掺杂, 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 增加。
使自由电子浓度大大增加的杂质半导体 称为N型半导体(电子半导体),使空穴浓 度大大增加的杂质半导体称为P型半导体 (空穴半导体)。
16
N型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 (或锑),晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代,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, 必定多出一个价电子,这个价电子几乎不受 束缚,很容易被激发而成为自由电子,这样 磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每 个磷原子给出一个电子,称为施主原子。
20
P型半导体
空穴
+4
+4
+3
+4
硼原子
21
总 结
1、N型半导体中自由电子是多子(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 只占少数) ; 空穴是少子。
2、P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 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。
V0
- - - - - -
P型区
空间电 荷区
N型区
28
请注意
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、 N中的电子(都是多子)向对方运动 (扩散运动)。
3、P中的电子和N中的空穴(都是少子), 数量有限,因此由它们形成的电流很小。
29
1.2.2 PN结的单向导电性 PN结加上正向电压、正向偏臵的意 思都是: P区加正、N区加负电压。
27
- - - - - -
- - - - - - - - - - - - - - - - - -
+ + +
+ + + + + + + + +
扩散运动
电位V
- - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
PN结加上反向电压、反向偏臵的意 思都是: P区加负、N区加正电压。
30
PN结正向偏臵
变薄 - + + + + 内电场被削弱, 多子的扩散加强 能够形成较大的 扩散电流。_
+ P
- - -
N
外电场
内电场
31
PN结反向偏臵 变厚
- + + + + 内电场被被加强, 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 + N 较小的反向电流。
*当所加电压的频率较高时则还要考 虑其结电容的影响。 39
二极管的应用 主要是利用它的单向导电性,包括整流、 限幅、保护等。 下面先通过例题简单介绍,以后经常会 在电路中遇到它的各种应用。
40
例:二极管的应用之一:检波 微分电路
ui uR ui R uR RL uo t uo
t
t
41
含二极管电路分析方法:
19
P型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如 硼(或铟),晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代,硼原子的最外层有三个价电子,与 相临的半导体原子形成共价键时,产生一个空 穴。这个空穴很容易吸引邻近价电子来填补, 使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由 于硼原子接受电子,所以称为受主原子。
特点: 1 反向工作 2 反向击穿可逆 3 反向特性曲线陡
顾名思义“稳定电压”?
+ UZ
mA
I
曲线越 陡,电 压越稳 定。
4 反向击穿电压低
U
I
导通压降: 硅 管0.6~0.8V,锗 管0.2~0.3V。
U
反向击穿电 压U(BR)
反向电流特点:
1 随温度上升而快速增长 2 U<U(BR)时其值基本不变
μA
35
(3)、主要参数 (1)最大整流电流 IOM
二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正 向平均电流。
(2)反向击穿电压UBR
二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流 剧增,二极管的单向导电性被破坏,甚至过热而 烧坏。手册上给出的反向工作峰值电压URWM一般 是UBR的一半。
+4
+4
+4
14
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, 即自由电子和空穴。(与金属比?)
自由电子和空穴成对产生与消失(复合) 本征半导体的导电能力取决于载流子的 浓度。 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 体性能的一个重要的外部因素,这是半导体 的一大特点。
- - - - - -
- - - - - - - - - - - - - - - - - -
空间电荷区
扩散运动
PN结处载流子的运动
漂移运动 P型半导体 内电场E N型半导体
- - - - - -
- - - - - - - - - - - - - - - - - - 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽,空间电 荷区越宽,
+ + + + + +
+ + + + + + 内电场就越强,漂移 运动就加强,而漂移 + + + + + + 使空间电荷区变薄。 + + + + + +
扩散运动
26
PN结处载流子的运动
漂移运动 P型半导体 内电场E N型半导体 所以扩散和漂 + + + 移这一对相反 的运动最终达 + + + 到动态平衡, + + + 相当于两个区 之间没有电荷 + + + 运动,空间电 荷区的厚度固 定不变。
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