半导体的基础知识

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半导体的基本知识

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第1章 半导体的基本知识1.1 半导体及PN 结半导体器件是20世纪中期开始发展起来的,具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率高等优点,因而在现代电子技术中得到广泛的应用。

半导体器件是构成电子电路的基础。

半导体器件和电阻、电容、电感等器件连接起来,可以组成各种电子电路。

顾名思义,半导体器件都是由半导体材料制成的,就必须对半导体材料的特点有一定的了解。

1.1.1 半导体的基本特性在自然界中存在着许多不同的物质,根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。

通常将很容易导电、电阻率小于410-Ω•cm 的物质,称为导体,例如铜、铝、银等金属材料;将很难导电、电阻率大于1010Ω•cm 的物质,称为绝缘体,例如塑料、橡胶、陶瓷等材料;将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在410-Ω•cm ~1010Ω•cm 范围内的物质,称为半导体。

常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。

用半导体材料制作电子元器件,不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间,而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化,这就是半导体不同于导体的特殊性质。

1、热敏性所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。

半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。

例如纯净的锗从20℃升高到30℃时,它的电阻率几乎减小为原来的1/2。

而一般的金属导体的电阻率则变化较小,比如铜,当温度同样升高10℃时,它的电阻率几乎不变。

2、光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。

一种硫化铜薄膜在暗处其电阻为几十兆欧姆,受光照后,电阻可以下降到几十千欧姆,只有原来的1%。

自动控制中用的光电二极管和光敏电阻,就是利用光敏特性制成的。

而金属导体在阳光下或在暗处其电阻率一般没有什么变化。

3、杂敏性所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。

在半导体硅中,只要掺入亿分之一的硼,电阻率就会下降到原来的几万分之—。

半导体基础知识

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设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V
VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V
A BY 0V 0V 0V 0V 3V 2.3V 3V 0V 2.3V 3V 3V 2.3V
规定2.3V以上为1 0V以下为0
A BY 0 00 0 11 1 01 1 11
二极管构成的门电路的缺点
• 电平有偏移 • 带负载能力差
第三章 门电路
3.1 概述 • 门电路:实现基本运算、复合运算的单元电路,如
与门、与非门、或门 ······
门电路中以高/低电平表 示逻辑状态的1/0
获得高、低电平的基本原理
高/低电平都允许有 一定的变化范围
正逻辑:高电平表示1,低电平表示0 负逻辑:高电平表示0,低电平表示1
3.2半导体二极管门电路
T1 , T2同时导通
若T1 , T2参数完全对称,VI
1 2
VDD时,VO
1 2 VDD
三、输入噪声容限
在VI 偏离VIH 和VIL的一定范围内,VO 基本不变; 在输出变化允许范围内,允许输入的变化范围称为输入噪声容限
VNH VOH(min) VIH (min) VNL VIL(max) VOL(max)
• 硅管,0.5 ~ 0.7V • 锗管,0.2 ~ 0.3V
• 近似认为:
• VBE < VON iB = 0 • VBE ≥ VON iB 的大小由外电路电压,电阻决定
iB
VBB VBE Rb
三极管的输出特性
• 固定一个IB值,即得一条曲线, 在VCE > 0.7V以后,基本为水平直线
iC f (VCE )
iC f (VCE )
三、双极型三极管的基本开关电路

半导体基础知识

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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。

半导体的基本知识

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半导体的基本知识半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料。

半导体的电性质可以通过施加电场或光照来改变,这使得半导体在电子学和光电子学等领域有广泛的应用。

以下是关于半导体的一些基本知识:1. 基本概念:导体、绝缘体和半导体:导体(Conductor):电导率很高,电子容易通过的材料,如金属。

绝缘体(Insulator):电导率很低,电子很难通过的材料,如橡胶、玻璃。

半导体(Semiconductor):电导率介于导体和绝缘体之间的材料,如硅、锗。

2. 晶体结构:半导体通常以晶体结构存在,常见的半导体材料有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等。

3. 电子能带:价带和导带:半导体中的电子能带分为价带和导带。

电子在价带中,但在施加电场或光照的作用下,电子可以跃迁到导带中,形成电流。

能隙:价带和导带之间的能量差称为能隙。

半导体的能隙通常较小,这使得它在室温下就能够被外部能量激发。

4. 本征半导体和杂质半导体:本征半导体:纯净的半导体材料,如纯硅。

杂质半导体:在半导体中引入少量杂质(掺杂)以改变其导电性质。

掺入五价元素(如磷、砷)形成n型半导体,而掺入三价元素(如硼、铝)形成p型半导体。

5. p-n 结:p-n 结:将p型半导体和n型半导体通过特定工艺连接在一起形成p-n 结。

这是许多半导体器件的基础,如二极管和晶体管。

6. 半导体器件:二极管(Diode):由p-n 结构构成,具有整流特性。

晶体管(Transistor):由多个p-n 结构组成,可以放大和控制电流。

集成电路(Integrated Circuit,IC):在半导体上制造出许多微小的电子器件,形成集成电路,实现多种功能。

7. 半导体的应用:电子学:微电子器件、逻辑电路、存储器件等。

光电子学:光电二极管、激光二极管等。

太阳能电池:利用半导体材料的光伏效应。

这些是半导体的一些基本知识,半导体技术的不断发展推动了现代电子、通信和计算机等领域的快速进步。

半导体器件的基础知识

半导体器件的基础知识

向电压—V(BR)CBO。 当集电极开路时,发射极与基极之间所能承受的最高反
向电压—V(BR)EBO。
精选课件
28
1.2 半导体三极管
③ 集电极最大允许耗散功率 PCM 在三极管因温度升高而引起的参数变化不超过允许值时, 集电极所消耗的最大功率称集电极最大允许耗散功率。
三极管应工作在三极 管最大损耗曲线图中的安 全工作区。三极管最大损 耗曲线如图所示。
热击穿:若反向电流增大并超过允许值,会使 PN 结烧 坏,称为热击穿。
结电容:PN 结存在着电容,该电容为 PN 结的结电容。
精选课件
5
1.1 半导体二极管
1.1.3 半导体二极管
1.半导体二极管的结构和符号 利用 PN 结的单向导电性,可以用来制造一种半导体器 件 —— 半导体二极管。 电路符号如图所示。
将两个 NPN 管接入判断 三极管 C 脚和 E 脚的测试电 路,如图所示,万用表显示阻
值小的管子的 值大。
4.判断三极管 ICEO 的大小 以 NPN 型为例,用万用 表测试 C、E 间的阻值,阻值 越大,表示 ICEO 越小。
精选课件
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1.2 半导体三极管
1.2.6 片状三极管
1.片状三极管的封装 小功率三极管:额定功率在 100 mW ~ 200 mW 的小功率 三极管,一般采用 SOT-23形式封装。如图所示。
精选课件
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1.2 半导体三极管
由图可见: (1)当 V CE ≥ 1 V 时,特性曲线基本重合。 (2)当 VBE 很小时,IB 等于零,三极管处于截止状态。
精选课件
22
1.2 半导体三极管
(3)当 VBE 大于门槛电压(硅管约 0.5 V,锗管约 0.2 V) 时,IB 逐渐增大,三极管开始导通。

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I
内电场 外电场
R
E 外电场与内电场的方向相反,内电场变弱,结果使空 间电荷区(PN结)变窄。
(2)反向截止
① 定义: P区接电源负极,N区接电源正极,则为 加反向电压,称反向偏置,简称反偏。如图所示。 ② 电路图 耗尽层 P区 N区
内电场 外电场
R
E 外电场与内电场的方向相同,内电场变弱,结果使空 间电荷区(PN结)变宽。
(2)负载电压的平均值
数学理论证明,一个周期内,半波整流电路输出电压的平 1 均值是交流电压 即峰值的
UO
2 E2

0.45E2
(6-1)
(3)负载电流的平均值
Uo E2 IL 0.45 RL RL
(6-2)
(4)整流元件的选择
流过整流二极管VD的平均电流: I D I L
T
负载
e1
e2
RL
U0
图6—2单相半波整流电路
(1)工作原理
设变压器副边感应交流电压为 E2 为交流电压的有效值 e2 2 E 2 sin t A、在交流电压的正半周(0-π ),输出电压极性a端为 正、b端为负,如图6—3(a)所示,二极管VD正偏导通, 负载RL上获得的电压为 U o e2
2、二极管的伏安特性
iD/mA 1)二极管伏安特性曲线 20 AB段:正向导通区 接 近 直 线
15
10 OC段:反向截止区 5
B
O
C -40 -30 -20 -10 -10
A 0.8 u / V D
0.2 0.4 0.6 OA段:死区
D
CD段:反向击穿 区
-20
-30
-40
相关题:121、245

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PN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 过程,其等效电容称为扩散电容Cd。
结电容: C j Cb Cd
清华大学 华成英 hchya@
§2 半导体二极管
一、二极管的组成 二、二极管的伏安特性及电流方程 三、二极管的等效电路 四、二极管的主要参数 五、稳压二极管
导通电压
0.6~0.8V 0.1~0.3V
反向饱 和电流
开启 电压
温度的 电压当量
开启电压
0.5V 0.1V
反向饱和电流
1µA以下 几十µA
从二极管的伏安特性可以反映出: 1. 单向导电性 u i IS (eU T 1) 正向特性为
指数曲线
若正向电压 UT,则i ISe u
u UT
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。 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, 且运动方向相反。由于载流子数 目很少,故导电性很差。 温度升高,热运动加剧,载 流子浓度增大,导电性增强。 热力学温度0K时不导电。 两种载流子
二、杂质半导体
1. N型半导体
多数载流子 杂质半导体主要靠多数载流 子导电。掺入杂质越多,多子 浓度越高,导电性越强,实现 导电性可控。
一、二极管的组成
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
发光 二极管
二、二极管的伏安特性及电流方程
二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。
i f (u )
i IS (e
u UT
1)
(常温下 UT 26m ) V
材料
硅Si 锗Ge

半导体基础知识

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符号
1
+ W78XX +
2
_
3
_
W79XX
1 2
3
1.6.3 W78XX、W79XX系列 集成稳压器的使用方法
一、 组成输出固定电压的稳压电路
1. W78XX系列
+
1
W78XX
Co
2
+
Uo = 12V
改善负载 的暂态响 应,消除 高频噪声
注意 3 Ui 输入 Ci 电压 极性 抵消输入 长接线的 电感效, 防止自激 Ci : 0.1~1F
IR + +
R UR
IL

IZ RL
2、引起电压不 稳定的原因
UI
电源电压的波动 负载电流的变化
DZ
稳压二极管
+ UL

将微小的电压变化转 换成较大的电流变化
三端稳压器封装及电路符号
封装
塑料封装
金属封装
79LXX
W7805 1 3 2
W7905 1 3 2
78LXX
1
2
3
UI GND UO GND UI UO
空穴
负离子
电子
正离子
一、载流子的浓度差引 N型材料 起多子的扩散扩散使 交界面处形成空间电 荷区(也称耗尽层)
内电场方向
二、空间电荷区特点
基本无无载流子,仅 有不能移动的离子
三、扩散和漂移达到动态平衡
扩散电流= 漂移电流 总电流=0 利于少子的漂移
形成内电场
阻止多子扩散进行
1.2.2 PN结的单向导电性
外界条件决定半导体内部 载流子数量
三、本征半导体: 纯净的半导体
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2、本征半导体中的两种载流子
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电子-空穴对的产生
自由电子——价电子因受 热而获得足够的能量挣脱 共价键的束缚。 空穴——失去价电子的原 子在该共价键上留下的空 位。
本征半导体由于受热而 产生电子-空穴对的现象 称为本征激发。
2.本征半导体中的两种载流子— 自由电子、空穴
课程名称:低频电子线路
理论课计划学时:64
课程类别:必修专业基础课 考核方式:闭卷考试
•教材
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——Light Emitting Diode,
即发光二极管。
LED的优点:
1.光电转换效率高,所以节能; 2.响应时间短(毫秒级),用于车灯、信号灯方面比
较好; 3.产品不易破损,灯珠比较小,适用于狭小的空间; 4.不含普通日光灯内部的汞等有害物质。
模拟信号:具有连续性。 数字信号:具有离散性。 模拟电子线路又分为低频与高频两种频段。
教学目标
1. 掌握常用电子元器件和组件的外特性、 基本应用。
2.掌握模拟基本电子电路及其工作原理、 分析方法、应用。
3.掌握模拟电子电路的基本概念、基本分析 方法、基本实践技能。
4.了解简单电子系统的结构与应用。
电子技术的发展
(很大程度反映在电子元器件的发展上) •1947年 贝尔实验室制成第一只晶体管
电子技术的发展
•1958年 集成电路(第一片只有4晶体管) •1969年 大规模集成电路 •1975年 超大规模集成电路
有科学家预测,集成度还 将按10倍/6年的速度增长。
电子电路的分类
模拟电路 :产生、处理模拟信号 数字电路 :产生、处理数字信号
学习方法
本课程较抽象、入门难,实践性强,因此要: (1)树立信心; (2)巩固电路基础; (3)尽快适应新的学习方法(工程分析法); (4)多看、多思、多练。要求预习、及时复习、
认真听课,独立并及时完成作业。
本课程主要内容
第1章 半导体二极管及其电路分析 第2章 半导体三极管及其电路分析 第3章 放大电路基础 第4章 负反馈放大电路 第5章 放大电路的频率响应
1、本征半导体的晶体结构
硅原子
锗原子
简化模型
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惯性核
价电子
1. 本征半导体的晶体结构
晶格——晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵。
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共价键结构
共价键——两个相
邻的原子共有一对价 电子(这对价电子不 但受本身原子核的吸 引,而且受相邻原子 核的吸引)。
一、PN结的形成
内建电位差——动态平衡时PN结两侧的电位差, 又称接触电位差,用UB表示,其大小与材料、掺
杂浓度和温度有关。
空间电荷区
P区
N区 ➢对称结——P型区和N型
区的掺杂浓度相等时产
生的。
内电场
UB
PN结的形成
➢不对称结——两边掺杂 浓度不等时,产生的。
图1.1.5有示。
二、PN结的单向导电性
本课程主要内容
第6章 模拟集成放大器的线性应用 第7章 集成模拟乘法器及其应用 第8章 信号发生电路 第9章 直流稳压源
第1章 半导体二极管及其电路分析 半 导 体 二 极 管
第1章 半导体二极管及其电路分析
主要内容:
1.1 半导体的基础知识 1.2 半导体二极管及其特性 1.3 二极管基本应用及其分析方法 1.4 特殊二极管(稳压管、发光管、
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N型半导体示意图
电结构
2、P型半导体
——在本征半导体中,掺入微量的三价元素(如硼、 铝等)。
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空穴
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受主 原子
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P型半导体示意图
P型半导体中,空穴为 多子,自由电子为少子。
P—Positive 受主原子——起接受电 子的作用的杂质原子。 整个半导体呈电中性。
➢在一定的温度下,当外 加反向电压超过某个数
值后,反向电流将不 再随着外加反向电压 的增加而增大,故又 称为反向饱和电流 (Reverse Saturation
Current),用IS表示。
二、PN结的单向导电性
3、PN结的伏安方程: iIS(eu/UT 1)
UT ——温度电压当量,常温情况下,U T ≈ 26mV。 ➢ 若u >>UT,有:
N型半导体示意图
在N型半导体中,自由电 子为多数载流子(简称多
子),空穴为少数载流子 (简称少子)。
N--Negative
施主原子——能释放出
电子的杂质原子。
整个半导体呈电中性。
1.1.2 杂质半导体 1.N型半导体
——在本征半导体中,掺入微量的五价元素。
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自由 电子
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施主 原子
1、PN结正向偏置时(P区接高电位,N区接低电 位,简称正偏)
空间电
荷区
P区
N区
内电场
I
外电场
+-
U
R
正向偏置时的PN结
➢ 正偏使空间电荷 区变窄,多子的 扩散大于少子的 漂移,形成正向 电流,其数值较
大,PN结呈现低 阻导通状态。
二、PN结的单向导电性
2、PN结反向偏置时(P区接低电位,N区接高电 位,简称反偏)
空间电荷区
P区
N区
内电场
I
外电场
- U + 反向偏置时的PN结 R
➢反偏使空间电荷区 变宽,多子的扩散 运动几乎停止,只 有少子的漂移运动 形成反向电流,其 数值很小。PN结呈 现高阻截止状态。
二、PN结的单向导电性
2、PN结反向偏置时
空间电荷区
P区
N区
内电场
I
外电场
- U + 反向偏置时的PN结 R
i ISeu/UT ——指数规律变化
➢ 若u < 0,且| u | >>UT,有:
i IS ——几乎不变
讨论题
P7: 1.1.1~1.1.3
补充题:
有人说:“因为N型半导体中的多子是 自由电子,所以它带负电。”这种说法 对吗?为什么?
般为高价元素或高分子物质,例如塑料、橡胶、 陶瓷等。
1.1 半导体的基础知识
半导体——导电性能介于导体和绝缘体之 间的物质。一般为四价元素,常用的有硅(Si)、锗
(Ge)、砷化镓(GaAs)等,其中硅应用最广。
单晶硅棒
1.1 半导体的基础知识
1.1.1 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。
1.1.3 PN结及其单向导电性
一、PN结的形成
扩散运动——由于存在浓度差引起的载流子从浓 度高区域向浓度低区域的运动。
P区
N区载流子ຫໍສະໝຸດ 扩散一、PN结的形成PN结——空间电荷区(又称耗尽层)。
P区
空间电荷区
N区
内电场
内电场阻止多子的扩散运动(故空间电荷区又称为 阻挡层),但同时促使少数载流子产生漂移运动。
2、P型半导体
——在本征半导体中,掺入微量的三价元素。
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空穴
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受主 原子
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P型半导体示意图
电结构
1.1.2 杂质半导体
杂质半导体的导电性能主要取决于多子浓度。 多子浓度主要由掺杂浓度决定,其值较大且稳定,
杂质半导体的导电性能得到显著改善。少子对杂质
半导体的导电性能也有影响,由于少子是由本征 激发产生的,其大小随温度的升高和光照而增大, 故半导体器件的性能对温度、光照敏感。
光电管、变容管)
1.1 半导体的基础知识
1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体 1.1.3 PN结及其单向导电性
1.1 半导体的基础知识
导体——很容易导电、电阻率很小的物质。 一般为低价元素,例如铜、铝、银等金属材料。
铜包铝电缆
1.1 半导体的基础知识
绝缘体——不导电、电阻率很大的物质。一
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空穴的移动
空穴是能够运动的,运动方向 与自由电子的运动方向相反。
能够运载电荷的粒子称为载 流子。空穴可看成是带正电 荷的粒子 。
复合——空穴被自由电子填入, 电子-空穴对消失的现象。
热平衡状态——在本征半导体中,本征激发产生 的电子-空穴对与复合的电子-空穴对数目相等时 的状态。
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电子-空穴对的产生
处于热平衡状态下的本 征半导体,其载流子的
浓度是一定的,并且自 由电子的浓度和空穴 的浓度相等。
1.1.2 杂质半导体
1. N型半导体
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