项目一半导体器件基础

电技子术项目一、半导体器件基础电技子术绪论一、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。电技子术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。电技子术从此，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)集成电路时代电技子术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。科学家认电技子术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。电技子术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：电技子术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。电技子术三、课程特点和学习方法本课程是研究模拟电路（AnalogCircuit）及其应用的课程。模拟电路是产生和处理模拟信号的电路。数字电路(DigitalCircuit)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。电技子术（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。电技子术四、半导体的基础知识1.本征半导体2.杂质半导体3.PN结电技子术本征半导体—1、本征半导体半导体—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。电技子术硅(锗)的原子结构价电子惯性核简化模型自由电子硅(锗)的共价键结构空穴电技子术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。电技子术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价元素（如磷）。+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子N型半导体的特点：①两种载流子中自由电子是多子，空穴是少子；②主要靠自由电子导电。N型半导体的简化图示多数载流子少数载流子正离子电技子术二、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）。+3+4+4+4+4+4空穴硼原子P型半导体的特点：①空穴是多子，自由电子是少子；②主要靠空穴导电。多数载流子少数载流子负离子P型半导体的简化图示电技子术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。电技子术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）。电技子术二、PN结的单向导电性1.PN结外加正向电压时处于导通状态－－－－++++REPN内电场外电场内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。+变薄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。电技子术2.PN结外加反向电压时处于截止状态－－－－++++REPN内电场外电场+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。变厚电技子术PN结加正向电压时，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。电技子术三、PN结的伏安特性)1e(/STUuII反向饱和电流加正向电压时加反向电压时i≈–IS反向击穿Ou/VI/mA正向特性电技子术小结1.本征半导体、N型半导体、P型半导体的特点2.PN结的形成及特性电技子术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特殊二极管电技子术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)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型符号：PN实质上就是一个PN结+阳极PN-阴极电技子术点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线面接触型N型锗PN结正极引线铝合金小球底座金锑合金正极引线负极引线集成电路中平面型PNP型支持衬底电技子术半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：电技子术二极管实物图电技子术电技子术1.2二极管的伏安特性UI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技子术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。电技子术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.URM—最高反向工作电压，为U(BR)/23.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)影响工作频率的原因—PN结的电容效应电技子术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电技子术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，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。电技子术二.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。符号实物照片电技子术符号三.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电技子术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、fM3.特殊二极管及其应用电技子术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特殊的晶体三极管电技子术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符号ECB集电极NNPBEC电技子术BECNNP基极发射极集电极基区：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,掺杂浓度低电技子术PNP型BECPPN基极发射极集电极ECB符号基本结构二电技子术分类：按材料分：硅管、锗管按功率分：小功率管500mW按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管大功率管1W中功率管0.51W电技子术三极管实物图电技子术电技子术二.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：NPNRCRbVCCVBB+_IBICIEVCC(2)实现电路:电技子术(3)满足放大条件的三种电路ECBuiuoECBuiuo共集电极uiuoCEB共发射极共基极电技子术(4)三极管内部载流子的传输过程(以NPN为例）ICNIEICBOIBIBN1)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+ICBOIB=IBN–ICBO电技子术IC=ICN+ICBOIE=IC+IB当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：BNCNIICBOBCBOCIIIICEOBCBOBC)1(IIIII若ICICEO，1BCIIBE)1(IIIE=IB+IC电技子术BE)1(IIBCEIIIBCII（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IB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。电技子术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+-bce共射极放大电路VBBVCCUBEICIB+-UCE电技子术UCE1V工作压降：硅管UBE0.6~0.8V,锗管UBE0.2~0.3V。UCE=0V0.40.8IB(A)UBE(V)20406080UCE=0.5V死区电压，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电技子术放大区截止区饱和区uCE/VICEOiC/mA50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321二、输出特性常数B)(CECiufi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0IC=ICEO0条件：两个PN结反偏或零偏电技子术2)放大区：IC=IBUCUBUE条件：发射结正偏集电结反偏3)饱和区：特点：ICIB条件：两个P