第一篇：第一章 半导体器件 模电教师教案

模拟电子技术

教案

授课人：王旭东

第一章 半导体器件

课时分配: 6学时

目的要求：了解半导体二极管；稳压管；晶体管和MOS场效应管的工作原理和主要参数。

重 点：PN结的单向导电特性；二极管的伏安特性曲线；三极管的电流分配方式和电流放大作用。

难 点：二极管的基本电路及分析方法；二极管的伏安特性曲线；三极管的电流分配方式和电流放大作用。

教 学

方法手段: 结合多媒体电子课件, 启发式、互动式讲解；屏幕投影、黑板、模型实物及实物投影四体合一课堂教学手段；理论讲解和电路仿真同步。

教 具： 电子课件、计算机、投影、电子展台。

新 授： 0 引言

模拟电子电路的核心是半导体器件，而半导体器件是由半导体材料制成的。因此，我们必须首先了解半导体的有关知识，尤其应当了解半导体的导电特性。1.1 半导体的特性

物质按其导电能力的强弱，可分为导体、绝缘体和半导体。

一、导体

导电能力很强的物质，叫导体。如低价元素铜、铁、铝等。

二、绝缘体

导电能力很弱，基本上不导电的物质,叫绝缘体.如高价惰性气体和橡胶、陶瓷、塑料等高分子材料等.三、半导体

导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，叫半导体。如硅、锗等四价元素，其简化原子结构模型如图1.1.1所示。

为什么物质的导电能力有如此大的差别呢？这与它们的原子结构有关，即与它们的原子最外层的电子受其原子核束缚力的强弱有关。1.1.1 本征半导体

纯净且呈现晶体结构的半导体，叫本征半导体。

一、本征半导体结构

通过特殊工艺加工，可以使硅或锗元素的原子之间靠共有电子对—共价键，形成非常规则的晶体点阵结构。结果每个原子外层相对排满８个电子，形成相对稳定的状态。这种结构整齐且单一的纯净半导体，叫本征半导体。如图1.1.3所示

二.本征激发

在常温下，由于热能的激发，使本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子。同时，在共价键中留下一个空位，叫空穴。这种产生自由电子和空穴对的现象，叫本征激发。温度一定，自由电子和空穴对的浓度也一定。

由于本征激发而在本征半导体中存在一定浓度的自由电子（带负电荷）和空穴（带正电荷）对，故其具有导电能力，但其导电能力有限。1.1.3 杂质半导体

在本征半导体中掺入适量且适当的其他元素（叫杂质元素），就形成杂质半导体，其导电能力将大大增强。

一、Ｎ型半导体

在硅或锗本征半导体中掺入适量的五价元素（如磷），则磷原子与其周围相邻的四个硅或锗原子之间形成共价键后，还多出一个电子，这个多出的电子极易成为自由电子参与导电。同时,因本征激发还产生自由电子和空穴对。结果,自由电子成为多数载流子(称多子),空穴成为少数载流子(称少子)。这种主要依靠多数载流子自由电子导电的杂质半导体，叫N型半导体，如图1.1.4所示。

二、P型半导体

在硅或锗本征半导体中，摻入适量的三价元素（如硼），则硼原子与周围的四个硅或锗原子形成共价键后，还留有一个空穴。同时，因本征激发 还产生自由电子和空穴对。结果，空穴成为多子，自由电子成为少子。这种主要依靠多子空穴导电的杂质半导体，叫P型半导体。如图1.1.5所示。

无外电场作用时，本征半导体和杂质半导体对外均呈现电中性，其内部无电流。

本征半导体、P型和N型半导体都不能单独构成半导体器件，PN结才是构成半导体器件的基本单元。1.2 半导体二极管

半导体二极管是利用杂质半导体做成的。1.2.1 PN结的形成

一、多数载流子的扩散

在P型和N型半导体交界面两侧,电子和空穴的浓度差很大。在浓度差的作用下，P区中的多子空穴向N区扩散,在P区一侧留下杂质负离子,在N区一侧集中正电荷;同时，N区中的多子自由电子向P区扩散，在N区一侧留下杂质正离子，在P区一侧集中负电荷。结果，在P型和N型半导体交界面处形成空间电荷区，自建内电场ε内（从N区指向P区），如图1-6所示。

二、少数载流子的漂移

在内电场的作用下，P区中的少子自由电子向N区漂移，而N区中的少子空穴向P区飘移，使内电场削弱。

三、扩散与漂移的动态平衡 当内电场达到一定值时，多子的扩散运动与少子的漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区不再变化，这个空间电荷区，就称为PN结。

空间电荷区无载流子停留，故曰耗尽层，又叫阻挡层或势垒层。无外电场作用时，PN结内部虽有载流子运动，但无定向电流形成。1.2.2 PN结的单向导电特性

一、PN结加正向电压

PN结加正向电压（正偏）时，外电场与内电场反方向，使空间电荷区变窄，多子的扩散运动远大于少子的漂移运动，由浓度大的多子扩散形成较大的正向电流，PN结处于导通状态。此时，其正向通态电阻很小，正向通态管压降也很小。

二、PN结加反向电压

PN结加反向电压（反偏）时，外电场与内电场同方向，使空间电荷区变宽，多子扩散运动大大减弱，而少子的漂移运动相对加强，由浓度很小的少子漂移形成很小的反向饱和电流IS,PN结处于截止状态。此时，反向电阻很大。

PN结正偏时导通，反偏时截止，故具有单向导电特性。其特性曲线如 图1-8所示，电压U与电流I的关系式为

ID=IS（e1）

三、反向击穿

当PN结所加反向电压达到UB时，其反向电流急剧增加，叫反向击穿，UB叫击穿电压。

PN结有雪崩击穿和齐纳击穿两种击穿状态。无论处于何种击穿时，反向电流只要不超过允许值，去掉反向电源后，仍能恢复单向导电性。

四、PN结的电容效应 1.势垒电容CT 当PN结的反偏电压变化时，空间电荷区随之变宽（相当于充入电荷）或变窄（相当于放出电荷），故具有电容效应，叫势垒电容，用CT表示。2.扩散电容CD 当PN结的正偏电压变化时，P区和N 区中多子的浓度和浓度梯度均随之变化，也具有一定的电容效应，叫扩散电容，用CD表示 3.PN结的结电容CJ CJ=CT+CD

正偏时，CD起主要作用；反偏时，CT起主要作用。1.2.3 半导体二极管 一、二极管的结构

给PN结加上两个引线（管脚）和管壳即成二极管，接P区的管脚称阳极，接N区的管脚称阴极。二、二极管的类型 1.按结构区分

点接触型：PN结面积小，工作电流小，PN结电容小，工作频率高。面接触型：PN结面积大，工作电流大，PN结电容大，工作频率低。2.按工作频率区分 有高频管和低频管。3.按功率区分

有大功率管和小功率管。4.按用途区分

有普通管、整流管、稳压管、开关管等等。三、二极管的特性

1.正向特性，与PN结相同 UPUT2.反向特性，与PN结相同 3.击穿特性，与PN结相同

4.温度特性，温度升高时，二极管的正反向特性曲线均向纵轴靠近。

四、主要参数

1.最大整流电流IF，又叫额定电流。2.最大反向工作电压UR，又叫额定电压。3.反向饱和电流IS。

4.反向电流IR，二极管未击穿时的电流值。5.最高工作频率fM。

6.直流电阻RD：RD=UD/IF，如图1-14所示。

7.交流电阻rd：RD=ΔUD/ΔID=dud/did,如图1-15所示。

rd系指某一工作点的动态电阻。常温下，rd=UT/ID=26(mv)/IDQ IDQ为直流工作点的电流，单位为mA 1.2.4 稳压二极管

一、结构

结构与普通二极管相似，只是掺杂浓度比普通二极管大得多，通常为硅材料稳压二极管。

二、特性

正向特性曲线与普通二极管的正向特性曲线相似；反响未击穿的特性曲线与普通二极管的反向击穿时的特性曲线相似。但稳压二极管的反向击穿特性曲线很陡。如图1-16所示。

三、参数

1.稳定电压UZ 2.稳定电流IZ 3.额定功率PZ

4.动态电阻rZ，rZ=ΔUZ/ΔIZ，rZ很小。

5.电压温度系数α。α=ΔUZ/Ut × 100%。UZ>7V时，α为正温度系数；UZ<5V时，α为负温度系数；5V

一、发光二极管

将电能转换为光能的半导体器件。正偏时，有正向电流通过而发光，其正向通态管压降为1.8—2.2V.二、光电二极管

将光能转换为电能的半导体器件。反向偏置下，当光线强弱改变时，光电二极管的反向电流随之改变。

三、光电耦合器

光电耦合器由光电二极管和发光二极管组合封装而成。发光二极管为输入端，光电二极管输出端。

四、变容二极管

变容二极管的势垒电容随外加反向电压变化而变化。1.3 双极型三极管

半导体三极管又称为晶体管或双极性三极管，是组成各种电子电路的核心器件。

1.3.1 三级管的结构和类型

一、结构

三极管有两个结，三个电极，三个区组成。

两个结：发射结和集电结

三个极：发射极E，基极B，和集电极C 三个区：发射区；参杂浓度大。

基区；很薄，参杂浓度很小。

集电区:参杂浓度小，但面积大。

这种特殊结构是三极管具有电流放大作用的内部依据。

二、类型

1.按结构区分：有NPN型和PNP型。2.按材料区分：有硅三极管和锗三极管。

3.按工作频率区分：有高频三极管和低频三极管。4.按功率大小区分：有大功率三极管和小功率三极管。

三、工作条件 三极管有电流放大作用大外部条件。

1.NPN型三极管：VC>VB>VE

2.PNP型三极管：VC

1.共发射极接法：发射极为交流输入和输出信号的公共端。2.共集电极接法：集电极为交流输入和输出信号的公共端。3.共基极接法： 基极为交流输入和输出信号的公共端。1.3.3 三极管的电流放大原理

一、载流子传输过程

以NPN型三极管为例进行分析。

1.发射。发射结正偏，发射区中的多子电子大量地向基区扩散，形成发射极电流。

2.复合。从发射区扩散到基区的电子，很少一部分与基区中的空穴相复合，形成基极电流的主要部分ICN。

3.收集。从发射区扩散到基区的电子，除很少部分被复合掉外，绝大部分电子向集电结扩散，且在集电结反偏电压的作用下，迅速漂移过集电结被集电区所收集，形成集电极电流的主要部分。同时，集电区少子空穴在集电结反偏电压的作用下向基区漂移，形成集电结反向饱和电流ICBO，它是集电极电流的极小部分，也是基极电流的一部分。如图1-32所示。

二、各极电流的关系

IC=ICN+ICBO ICN=IC-ICBO IB=IBN-ICBO IBN=IB+ICBO IE≈ICN+IBN=IC-ICBO+IB+ICBO IE=IC+IB

三、电流放大系数 1.直流电流放大系数β

β=ICN/IBN=(IC-ICBO)/(IB+ICBO)≈IC/IB(IC>>IB>>ICBO)2.交流电流放大系数β β≈ΔIC/ΔIB

3.穿透电流ICEO ICEO=(1+β)ICBO

1.3.4 三极管的特性曲线

一、输入特性

iB=f(ube)∣UCE=常数

1.UCE =0V时

三极管的输入特性曲线，相当于二级管的正向特性曲线，如图1-34所示。2.UCE =1V时

三极管的输入特性曲线将向右移。3.UCE >1V时

三极管的特性曲线几乎与UCE =1V时的输入特性曲线重合。

二、输出特性

iC=f(uCE)∣IB=常数

输出特性曲线有三个主要区域。如图1-35所示。1.截止区

UBE≤0V,IB≤0,IC=ICEO,三极管几乎不导通，叫截止状态。2.放大区

UBE>0.5—0.7（硅管）,UBE>0.1—0.3V(锗管)，UCE>>UBE,当UCE不变时，IC=βIB 3.饱和区

UBE>0.5—0.7（硅管）,UBE>0.1—0.3V(锗管)，UCE0 , UCES=0.3v(硅管), UCES =0.1v(锗管).1.3.5 三极管的主要参数

一、电流放大系数

β=ΔIC/ΔIB∣UCE=常数

二、极间反向电流

ICBO

ICEO=(1+β)ICBO

三、极限参数

1.集电极最大允许电流ICM 2.集电极最大允许功率损耗PCM

PCM=UCEIC 3.反向击穿电压

BUCBO>BUCEO>BUEBO

为了安全起见，应使三极管的UCE

四、温度对三极管参数的影响

1.对VBE有影响

2.对ICBO和ICEO有影响 3.对β有影响

如温度升高时，VBE↓,ICBO↑,ICEO↑,β↑；反之，亦反之。1.4 场效应三极管

场效应管(简称FET)是一种电压控制(电场效应控制)器件(uGS~ iD)，工作时，只有一种(多数)载流子参与导电，因此它是单极型器件。

场效应管分为两大类：绝缘栅场效应管和结型场效应管。1.4.1 结型场效应管

一、结构

在一块N型半导体的两边利用杂质扩散出高浓度的P型区域,用P+表示,形成两个P+N结。

N型半导体的两端引出两个电极，分别称为漏极D和源极S。把两边的P区引出电极并连在一起称为栅极G。

二、工作原理

首先，假如在G—S间加上反向电压VGS，则PN结反向偏置。显然,改变VGS将改变耗尽层的宽度。

其次，由于PN结两边，P区掺杂浓度很高，N区掺杂浓度相对较低；PN结中N区一侧的正离子数与P区一侧的负离子数相等，因而交界面两侧的宽度并不相等。掺杂程度低的N沟道层宽比P区层宽大很多。

故此,可以认为,当耗尽层展宽时主要向着导电沟道的一侧。

UGS、UDS影响ID电流的大小。VGS越负，沟道越窄，VGD越负，沟道越窄。

三、特性曲线

JFET的特性曲线有两条：转移特性曲线和输出特性曲线。

转移特性描述栅源电压UGS对漏极电流ID的控制作用。转移特性有两个重要参数：夹断电压UP和饱和漏极电流IDSS。

输出特性描述当栅源电压UGS不变时，漏极电流ID与漏源电压UDS的关系。

1.4.2 绝缘栅型场效应管(IGFET)分为：

增强型  N沟道、P沟道 耗尽型  N沟道、P沟道

一、N沟道增强型MOS管

1.结构

四个电极：漏极D，源极S, 栅极G和 衬底B。

2.工作原理

①栅源电压UGS的控制作用

②漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用 3.特性曲线

①输出特性曲线： ID=f(UDS)UGS=const ②转移特性曲线： ID=f(UGS)UDS=const 4．重要参数--跨导gm gm=iD/uGSuDS=const(单位mS)gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用.在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。

二、N沟道耗尽型MOSFET 在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当UGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。特点：当UGS=0时,就有沟道，加入UDS，就有ID。

三、P沟道MOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。

四、例题

例1.4.1 绝缘栅场效应管工作状态分析 1.4.3 场效应管的主要参数

一、直流参数

二、交流参数

三、极限参数

课堂讨论：

1.何谓本征半导体？其导电能力由什么因素决定。2.P型和N型半导体的特点？

3.半导体的导电能力与哪些因素有关？ 4.三极管如何实现放大功能？ 5.场效应管与三极管如何区分？

小

结：

1．半导体材料中有两种载流子：电子和空穴。电子带负电，空穴带正电。在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到N型半导体和P型半导体。

2．采用一定的工艺措施，使P型和N型半导体结合在一起，就形成了PN结。PN结的基本特点是单向导电性。

3．二极管是由一个PN结构成的。其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述。在研究二极管电路时，可根据不同情况，使用不同的二极管模型。

4．BJT是由两个PN结构成的。工作时,有两种载流子参与导电，称为双极性晶体管。BJT是一种电流控制电流型的器件,改变基极电流就可以控制集电极电流。BJT的特性可用输入特性曲线和输出特性曲线来描述。其性能可以用一系列参数来表征。BJT有三个工作区：饱和区、放大器和截止区。

5．FET分为JFET和MOSFET两种。工作时只有一种载流子参与导电，因此称为单极性晶体管。FET是一种电压控制电流型器件。改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。FET的特性可用转移特性曲线和输出特性曲线来描述。其性能可以用一系列参数来表征。

布置作业:P45-1.3 P46-1.4；1.5；1.8 P47-1.12；1.13 P48-1.15 P49-1.19

第二篇：常用半导体器件教案

第一章

常用半导体器件

1.1 半导体基础知识

1.1.1 本征半导体

一、半导体

1． 概念：导电能力介于导体和绝缘体之间。2． 本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。

二、本征半导体的晶体结构（图1.1.1）

1． 晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵。2． 共价键

三、本征半导体中的两种载流子（图1.1.2）

1． 本征激发：在热激发下产生自由电子和空穴对的现象。2． 空穴：讲解其导电方式； 3． 自由电子

4． 复合：自由电子与空穴相遇，相互消失。5． 载流子：运载电荷的粒子。

四、本征半导体中载流子的浓度

1． 动态平衡：载流子浓度在一定温度下，保持一定。2． 载流子浓度公式：

nipiK1T3/2eEGO/(2kT)

自由电子、空穴浓度（cm5－

3），T为热力学温度，k为波耳兹曼常数（8.6310eV/K），EGO为热力学零度时破坏共价键所需的能量（eV），又称禁带宽度，K1是与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量。

1.1.2 杂质半导体

一、概念：通过扩散工艺，掺入了少量合适的杂质元素的半导体。

二、N型半导体（图1.1.3）

1． 形成：掺入少量的磷。2． 多数载流子：自由电子 3． 少数载流子：空穴

4． 施主原子：提供电子的杂质原子。

三、P型半导体（图1.1.4）

1． 形成：掺入少量的硼。2． 多数载流子：空穴 3． 少数载流子：自由电子

4． 受主原子：杂质原子中的空穴吸收电子。

5． 浓度：多子浓度近似等于所掺杂原子的浓度，而少子的浓度低，由本征激发形成，对温度敏感，影响半导体的性能。

1.1.3 PN结

一、PN结的形成（图1.1.5）

1． 扩散运动：多子从浓度高的地方向浓度低的地方运动。2． 空间电荷区、耗尽层（忽视其中载流子的存在）3． 漂移运动：少子在电场力的作用下的运动。在一定条件下，其与扩散运动动态平衡。4． 对称结、不对称结：外部特性相同。

二、PN结的单向导电性

1． PN结外加正向电压：导通状态（图1.1.6）正向接法、正向偏置，电阻R的作用。（解释为什么Uho与PN结导通时所表现的外部电压相反：PN结的外部电压为U即平时的0.7V，而内电场的电压并不对PN结的外部电压产生影响。）

2． PN结外加反向电压：截止状态（图1.1.7）反向电压、反向偏置、反向接法。形成漂移电流。

三、PN结的电流方程

1． 方程（表明PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系）：

iIS(euUT1)

UTkT

q为电子的电量。q2．平衡状态下载流子浓度与内电场场强的关系： 3． PN结电流方程分析中的条件：

4． 外加电压时PN结电流与电压的关系：

四、PN结的伏安特性（图1.1.10）

1． 正向特性、反向特性

2． 反向击穿：齐纳击穿（高掺杂、耗尽层薄、形成很强电场、直接破坏共价键）、雪崩击穿（低掺杂、耗尽层较宽、少子加速漂移、碰撞）。

五、PN结的电容效应

1． 势垒电容：（图1.1.11）耗尽层宽窄变化所等效的电容，Cb（电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充放电过程相同）。与结面积、耗尽层宽度、半导体介电常数及外加电压有关。2． 扩散电容：（图1.1.12）

（1）平衡少子：PN结处于平衡状态时的少子。

（2）非平衡少子：PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子。

（3）浓度梯度形成扩散电流，外加正向电压增大，浓度梯度增大，正向电流增大。

（4）扩散电容：扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容器充放电过程相同。i越大、τ越大、UT越小，Cd就越大。

（5）结电容CjCbCd

pF级，对于低频忽略不计。

1.2 半导体二极管

（几种外形）（图1.2.1）

1.2.1 半导体二极管的几种常见结构（图1.2.2）

一、点接触型：电流小、结电容小、工作频率高。

二、面接触型：合金工艺，结电容大、电流大、工作频率低，整流管。

三、平面型：扩散工艺，结面积可大可小。

四、符号

1.2.2 二极管的伏安特性 一、二极管的伏安特性

1． 二极管和PN结伏安特性的区别：存在体电阻及引线电阻，相同端电压下，电流小；存在表面漏电流，反向电流大。

2． 伏安特性：开启电压（使二极管开始导通的临界电压）（图1.2.3）

二、温度对二极管方案特性的影响

1． 温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。

2． 室温时，每升高1度，正向压降减小2～2.5mV；每升高10度，反向电流增大一倍。

1.2.3 二极管的主要参数

一、最大整流电流IF：长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。

二、最高反向工作电压UR：工作时，所允许外加的最大反向电压，通常为击穿电压的一半。

三、反向电流IR：未击穿时的反向电流。越小，单向导电性越好；此值对温度敏感。

四、最高工作频率fM：上限频率，超过此值，结电容不能忽略。

1.2.4 二极管的等效电路 一、二极管的等效电路：在一定条件下，能够模拟二极管特性的由线性元件所构成的电路。一种建立在器件物理原理的基础上（复杂、适用范围宽），另一种根据器件外特性而构造（简单、用于近似分析）。

二、由伏安特性折线化得到的等效电路：（图1.2.4）

1． 理想二极管：注意符号 2． 正向导通时端电压为常量

3． 正向导通时端电压与电流成线性关系 4． 例1（图1.2.5）三种不同等效分析：（1）V远远大于UD，（2）UD变化范围很小，(3)接近实际情况。5． 例2（图1.2.6）三、二极管的微变等效电路（图1.2.7）（图1.2.8）（图1.2.9）

动态电阻的公式推倒：

1.2.5 稳压二极管

一、概念：一种由硅材料制成的面接触型晶体二极管，其可以工作在反向击穿状态，在一定电流范围内，端电压几乎不变。

二、稳压管的伏安特性：（图1.2.10）

三、稳压管的主要参数

1． 稳定电压UZ：反向击穿电压，具有分散性。2． 稳定电流IZ：稳压工作的最小电流。

3． 额定功耗PZM：稳定电压与最大稳定电流的乘积。4． 动态电阻rZ：稳压区的动态等效电阻。

5． 温度系数α：温度每变化1度，稳压值的变化量。小于4V为齐纳击穿，负温度系数；大于7V为雪崩击穿，正温度系数。

四、例（图1.2.11）

1.2.6 其他类型二极管

一、发光二极管（图1.2.12）可见光、不可见光、激光；红、绿、黄、橙等；开启电压大。

二、光电二极管（图1.2.13）远红外接受管，伏安特性（图1.2.14）光电流（光电二极管在反压下，受到光照而产生的电流）与光照度成线性关系。

三、例（图1.2.15）

1.3 双极型晶体管

双极型晶体管（BJT: Bipolar Junction Transistor）几种晶体管的常见外形（图1.3.1）

1.3.1 晶体管的结构及类型（图1.3.2）

一、构成方式：同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结。

二、结构：

1． 三个区域：基区（薄且掺杂浓度很低）、发射区（掺杂浓度很高）、集电区（结面积大）；

2． 三个电极：基极、发射极、集电极； 3． 两个PN结：集电结、发射结。

三、分类及符号：PNP、NPN 1.3.2 晶体管的电流放大作用

一、放大：把微弱信号进行能量的放大，晶体管是放大电路的核心元件，控制能量的转换，将输入的微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。

二、基本共射放大电路（图1.3.3）

1． 输入回路：输入信号所接入的基极－发射极回路；

2． 输出回路：放大后的输出信号所在的集电极－发射极回路； 3． 共射放大电路：发射极是两个回路的公共端； 4． 放大条件：发射结正偏且集电结反偏；

5． 放大作用：小的基极电流控制大的集电极电流。

三、晶体管内部载流子的运动（图1.3.4）分析条件uI0

1． 发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流IE，空穴电流IEP由于基区掺杂浓度很低，可以忽略不计；IEIENIEP

2． 扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成电流IBN；

3． 集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流IC，其中非平衡少子的漂移形成ICN，平衡少子形成ICBO。

ICBO4． 晶体管的电流分配关系：ICICNICBO，IBIBNIEPICBOIB，IEIBIC

四、晶体管的共射电流放大系数

1． 共射直流电流放大系数：ICNICICBO IBIBICBO2． 穿透电流ICEO：ICIB(1)ICBOIBICEO

基极开路时，集电极与发射极之间的电流；

3． 集电结反向饱和电流ICBO：发射极开路时的IB电流； 4．近似公式：ICIB，IE(1)IB

5． 共射交流电流放大系数：当有输入动态信号时，ic iB6． 交直流放大系数之间的近似：若在动态信号作用时，交流放大系数基本不变，则有iCICiCIBICEOiB(IBiB)ICEO因为直流放大系数在线性区几乎不变，可以把动态部分看成是直流大小的变化，忽略穿透电流，有：，放大系数一般取几十至一百多倍的管子，太小放大能力不强，太大性能不稳定；

7． 共基直流电流放大系数：ICN，，

1IE1iC， iE8． 共基交流电流放大系数：

1.3.3 晶体管的共射特性曲线

一、输入特性曲线（图1.3.5）iBf(uBE)u的能力有关。

二、输出特性曲线（图1.3.6）iCf(uCE)IB常数CE常数，解释曲线右移原因，与集电区收集电子

（解释放大区曲线几乎平行于横轴的原因）

1． 截止区：发射结电压小于开启电压，集电结反偏，穿透电流硅1uA，锗几十uA；

2． 放大区：发射结正偏，集电结反偏，iB和iC成比例；

3． 饱和区：双结正偏，iB和iC不成比例，临界饱和或临界放大状态（uCB0）。

1.3.4 晶体管的主要参数

一、直流参数

1． 共射直流电流系数 2． 共基直流电流放大系数 3． 极间反向电流ICBO

二、交流参数 1． 共射交流电流放大系数 2． 共基交流电流放大系数

3． 特征频率fT：使下降到1的信号频率。

三、极限参数（图1.3.7）

1． 最大集电极耗散功率PCM；

2． 最大集电极电流ICM：使明显减小的集电极电流值；

3． 极间反向击穿电压：晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压，UCBO几十伏到上千伏、UCEO、UEBO几伏以下。

UCBOUCEXUCESUCERUCEO

1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响

一、温度对ICBO影响：每升高10度，电流增加一倍，硅管的ICBO要小一些。

二、温度对输入特性的影响：（图1.3.8）与二极管伏安特性相似。温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移，室温时，每升高1度，发射结正向压降减小2～2.5mV。

三、温度对输出特性的影响：（图1.3.9）温度升高变大。

四、两个例题

1.3.6 光电三极管

一、构造：（图1.3.10）

二、光电三极管的输出特性曲线与普通三极管类似（图1.3.11）

三、暗电流：ICEO无光照时的集电极电流，比光电二极管的大，且每上升25度，电流上升10倍；

四、光电流：有光照时的集电极电流。

1.4 场效应管

1.4.1 结型场效应管 1.4.2 绝缘栅型场效应管

一、N沟道增强型MOS管（图1.4.7）

1． 结构：衬底低掺杂P，扩散高掺杂N区，金属铝作为栅极； 2． 工作原理：

(1)栅源不加电压，不会有电流；

(2)（图1.4.8）uDS0且uGS0时，栅极电流为零，形成耗尽层；加大电压，形成反型层（导电沟道）；开启电压UGS(th)；

(3)（图1.4.9）uGSUGS(th)为一定值时，加大uDS，iD线性增大；但uDS的压降均匀地降落在沟道上，使得沟道沿源－漏方向逐渐变窄；当uGD＝UGS(th)时，为预夹断；之后，uDS增大的部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，此时，对应不同的uGS就有不同的iD，从而可以将iD看为电压uGSiD出现恒流。控制的电流源。

3． 特性曲线与电流方程：(1)特性曲线：（图1.4.10）转移特性、输出特性；

u(2)电流方程：iDIDOGS1

UGS(th)

二、N沟道耗尽型MOS管（图1.4.10）

1． 结构：绝缘层加入大量的正离子，直接形成反型层； 2． 符号

三、P沟道MOS管：漏源之间加负压

四、VMOS管

21.4.3 场效应管的主要参数

一、直流参数

1． 开启电压UGS(th)：是UDS一定时，使iD大于零所需的最小UGS值；

2． 夹断电压UGS(off)：是UDS一定时，使iD为规定的微小电流时的uGS；

3． 饱和漏极电流IDSS：对于耗尽型管，在UGS＝0情况下，产生预夹断时的漏极电流； 4． 直流输入电阻RGS(DC)：栅源电压与栅极电流之比，MOS管大于10。

二、交流参数

1． 低频跨导：gm9iDuGS

UDS常数2． 极间电容：栅源电容Cgs、栅漏电容Cgd、1～3pF，漏源电容Cds0.1～1pF

三、极限参数

1． 最大漏极电流IDM：管子正常工作时，漏极电流的上限值； 2． 击穿电压：漏源击穿电压U(BR)DS，栅源击穿电压U(BR)GS。3． 最大耗散功率PDM：

4． 安全注意：栅源电容很小，容易产生高压，避免栅极空悬、保证栅源之间的直流通路。

四、例

1.4.4 场效应管与晶体管的比较

一、场效应管为电压控制、输入电阻高、基本不需要输入电流，晶体管电流控制、需要信号源提供一定的电流；

二、场效应管只有多子参与导电、稳定性好，晶体管因为有少子参与导电，受温度、辐射等因素影响大；

三、场效应管噪声系数很小；

四、场效应管漏极、源极可以互换，而晶体管很少这样；

五、场效应管比晶体管种类多，灵活性高；

六、场效应管应用更多。

1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6 集成电路中的元件

第三篇：说课稿-半导体器件

尊敬的各位领导、各位老师下午好，我今天说课的题目是：平衡PN结

一、分析教材

首先我对本节的教材内容进行分析：

《半导体器件物理》是应用物理学专业的一门重要专业方向课程。通过本课程的学习，使学生能够结合各种半导体的物理效应掌握常用和特殊半导体器件的工作原理，从物理角度深入了解各种半导体器件的基本规律。PN结是构成各类半导体器件的基础，如双极型晶体管、结型场效应晶体管、可控硅等，都是由PN结构成的。PN结的性质集中反映了半导体导电性能的特点，如存在两种载流子、载流子有漂移运动、扩散运动、产生与复合三种基本运动形式等。获得在本课程领域内分析和处理一些最基本问题的初步能力，为进一步深入学习和独立解决实际工作中的有关问题奠定一定的基础。

根据以上分析，结合本节教学要求，再联系学生实际，我确立了以下教学目标：

1、知识目标

(1)了解PN结的结构、制备方法；

(2)掌握平衡PN结的空间电荷区和能带图；

(3)掌握平衡PN结的载流子浓度分布。

2、能力目标

(1)通过典型图例，指导学生进行观察和认识PN结，培养学生的观察现象、分析问题以及理论联系实际的能力；

(2)指导学生自己分析，借助教材和图例，培养学生的动手能力以及通过实验研究问题的习惯；

3、情感目标

(1)培养学生学习半导体器件物理的兴趣，进而激发学生对本专业热爱的激情；

(2)培养学生科学严谨的学习态度。

考虑到一方面学生的文化基础比较薄弱，综合解决问题的能力有待提高，另一方面，对于高职类学校的学生而言，要求有较强的动手能力，我把教学的重点和难点设置如下：

1、教学重点

平衡p–n结空间电荷区的形成；平衡p–n结的能带图

2、教学难点

平衡p–n结中载流子的分布

二、说教法

兴趣是推动学生求知欲的强大动力，在教学中把握学生好奇心的特点至关重要。另一方面，在教学课堂中，不仅要求传授书本的理论知识，更要注重培养学生的思维判断能力、依据理论解决实际问题的能力以及自学探索的能力。据此，我准备以演示法和引导式教学为主，遵循学生为学生为主体，教师为主导的原则，通过讲授理论知识，使学生获得必要的感性认识，让疑问激起他们的学习研究兴趣，然后再引导学生掌握必要的基础知识，最后在开放的课堂上提供学生进一步研究的机会，满足他们的好奇心，开发他们的创新潜力。

三、说学法

学生是教学活动的主体，教学活动中要注意学生学法的指导，使学生从“学会”转化为“会学”。根据教学内容，本节采用观察、分析的学习方法，在做好演示图例的同时，引导学生合作讨论，进而获取知识。

另外，在教学过程中，我还会鼓励学生运用探究性的学习方法，培养他们发现、探究、解决问题的能力。

四、说教学过程

为了完成教学目标，解决教学重点，突破教学难点，课堂教学我准备按以下几个环节展开：

1、新课导入

通过半导体物理基础的学习，分析了P型和N型半导体中的载流子浓度分布和运动情况，如果将P型和N型半导体结合在一起，在二者的交界处就形成了PN结。首先学习PN结。引出问题：什么是PN结？

设计意图：通过问题的提出，引导学生形成对所学事物的轮廓，丰富他们的感性认识，吸引学生的注意力和好奇心。

2、讲解新课

通过讲解在本征半导体中参入不同杂质，引出半导体的一个特殊结构：PN结。

(1)讲解PN结

用图示演示PN结的基本结构，两种不同类型的半导体：P型半导体和N型半导体。为了加深学生的理解，可以采用情景教学的方式，让学生在轻松有趣的互动游戏中掌握枯燥的概念。

(2)平衡PN结的空间电荷区和能带图

通过图例展示，教师讲解平衡PN结空间电荷区的形成和能带图，然后让学生复述，倾听学生自己的理解，在此基础上进一步分析，讲解各名词的概念：扩散、漂移、空间电荷区、自建电场、势垒、势垒区。

(3)平衡PN结的接触电势差

由此，也进一步引出N区和P区之间存在电势差，称为PN结的接触电势差。给出n区电子浓度、p区空穴浓度的公式，引导学生推导接触电势差。

(4)平衡PN结的载流子浓度分布

通过图示回顾上课过程中提到的空间电荷区、自建电场、扩散、漂移、载流子的耗尽等概念，总结平衡PN结的载流子浓度分布并给出示意图。

3、归纳总结，布置作业

设计问题，由学生回答问题,通过设问回答补充的方式小结，学生自主回答三个问题，教师关注全体学生对本节课知识的掌握程度，学生是否愿意表达自己的观点。

(1)什么是PN结？

(2)PN结的制备方法有哪些？

(3)平衡PN结的空间电荷区是如何形成的？

(4)平衡PN结的能带图中费米能级的作用？

(5)平衡PN结接触电势差的推导过程？

设计意图：通过提问方式引导学生进行小结，养成学习——总结——再学习的良好习惯，发挥自我评价作用，同时可培养学生的语言表达能力。作业分层要求，做到面向全体学生，给基础好的学生充分的空间，满足他们的求知欲。

五、板书设计

采用三栏式

以上，我从教材、教法、学法、教学过程和板书设计五个方面对本课进行了说明，我的说课到此结束，谢谢各位评委老师。

第四篇：《模拟电子技术》教案：半导体器件

《模拟电子技术》电子教案

授 课 教 案

课程： 模拟电子技术

任课教师：

教研室主任：

课号：

课题： 电子线路课程介绍及半导体基础知识

教学目的：了解本课程的特点

掌握半导体材料的导电特性和原理 掌握PN结的单向导电性

教学内容：本征半导体；杂质半导体；PN结

教学重点：P型、N型半导体的特点；PN结的单向导电性。教学难点：PN结的伏安特性；PN结的电容效应。教学时数：2学时

课前提问及复习：物质导电性的决定因素？ 新课导入：半导体定义

特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等）典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等

新课介绍：

绪 论

1、电子技术：

无确切定义。因为近年来它发展迅猛，分支庞杂。有种说法为“凡是研究含有电子器件的电路、系统及应用的学科”。

2、发展历程：

以电子器件的更新换代为标志！

电子学近百年发展史上三个重要里程碑：

A、1904年电子管发明（真正进入电子时代）B、1948年晶体管问世

C、60年代集成电路出现(SSI、MSI、LSI、VLSI)

3、若干蓬勃发展的研究方向

A、纳米电子学：纳米空间电子所表现出来的特性（波动性）和功能 B、生物电子学：生物芯片，计算机

C、单芯片系统：微型卫星和纳米卫星应用，一片单芯片系统＝一颗卫星

世界经济兴衰波动遵循“周期理论”，周期约为 60年。电子技术的发展进程周期约 40年： 1905～1947（42年）：电子管－晶体管 1947～1987（40年）：晶体管－集成电路

1987～202_（40年），预计纳米电子学将在21世纪上叶形成规模

4、模拟信号与数字信号比较表

第1章

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《模拟电子技术》电子教案

项目 模拟信号(Analog)数字信号(Digital)特点 波形 数学 电平数 典型 发展 连续 十进制 无穷多个 温度、压力等 早、慢 离散 二进制 有限个 数字系统的信号 晚、快

5、课程特点

规律性：基本电子电路的组成具有规律性； 非线性：半导体器件具有非线性； 工程性：即近似性，抓主要矛盾； 实践性：实验和设计。

第一章

半导体器件

1.1 半导体

1.1.1 本征(intrinsic)半导体

1、定义：

纯净无掺杂的半导体。

2、本征半导体的载流子：

本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。

并且自由电子与空穴是成对产生的，因此在本征半导体中这两种载流子的浓度的相等的。其载流子浓度取决于激发程度。

3、本征半导体缺点：（1）、电子浓度=空穴浓度；

（2）、载流子少，导电性差，温度稳定性差。1.1.2 杂质半导体

1、N型半导体：

在本征半导体中掺入+5价的施主杂质，如磷等，得到多子为自由电子的杂质半导体，称为N型半导体。

其多子数量大多数取决于掺杂程度，少子数量取决于激发程度。

2、P型半导体：

在本征半导体中掺入+3价的受主杂质，如铟等，得到多子为空穴的杂质半导体，称为P型

第1章

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《模拟电子技术》电子教案

半导体。其多子数量大多数取决于掺杂程度，少子数量取决于激发程度。

1.1.3 PN结

1、PN结的形成：

两种载流子的两种运动动态平衡时形成PN结。

两种运动：扩散（浓度差）、漂移（自建电场力），当多子扩散和少子漂移达到动态平衡，形成PN结。

PN结又称空间电荷区、耗尽层、内电场。

2、单向导电性：

PN结正偏时导通（大电流），PN结反偏时截止（小电流）。

3、PN结的伏安特性：

分为正向特性、反向特性及击穿特性。

4、PN结的电容效应：

表现为：势垒电容CB（barrier）、扩散电容CD（diffusion）。

课堂小结：

本征半导体的材料构成、特点

杂质半导体的材料构成、特点，与本征半导体的区别 PN结的构成及伏安特性，单向导电性

作业布置：

思考题：PN结的单向导电性？

第1章

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《模拟电子技术》电子教案

授 课 教 案

课程： 模拟电子技术

任课教师：

教研室主任： 课号：

课题：半导体二极管

教学目的：掌握半导体二极管的几种常见结构

掌握半导体二极管的主要参数和单向导电性 掌握稳压管的特性和主要参数

教学内容：半导体二极管的结构

半导体二极管的伏安特性、主要参数

二极管的等效电路

稳压管的特性和主要参数 教学重点：二极管的单向导电特性 教学难点：二极管的灵活应用 教学时数： 2学时

课前提问及复习：PN结的形成

PN 结的单向导电性

新课导入： 由PN结构成的半导体二极管的结构

二极管的伏安特性

二极管的主要参数，等效电路

利用二极管反向击穿特性制成稳压管

新课介绍： 1.2半导体二极管

将PN结加外壳和电极引线就构成半导体二极管 1.2.1 结构类型和符号

类型：点接触型、面接触型和平面 1.2.2 伏安特性 一、二极管和PN结伏安特性的区别

与PN结相似，二极管具有单向导电性：（1）PN结外加正向电压，二极管导通。（2）PN结外加反向电压，二极管截止。

由于半导体体电阻和引线电阻的作用，与PN结比较，二极管外加正向电压时，正向电流，偏小，外加反向电压时，反向饱和电流偏大。

二极管经常应用于以下场合：（1）整流。（2）限幅。（3）逻辑（二极管逻辑）。1.2.3 主要参数

第1章

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《模拟电子技术》电子教案

(1)IF——最大整流电流

(2)VBR——反向击穿电压

(3)IR（IS）—— 反向饱和电流

(4)rd ——动态电阻 1.2.4二极管的等效电路

定义：能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路。

一、由伏安特性折线化得到的等效电路

理想二极管：二极管导通时正向压降为零，截止时反向电流为零。二、二极管的微变等效电路 1.2.5稳压二极管

稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性。

一、稳压管的伏安特性

应用在反向击穿区（雪崩击穿和齐纳击穿）

二、稳压管的主要参数

（1）、稳定电压UZ

（2）、稳定电流IZ

IZmin ~IZmax、额定功耗

（3）

PZM、动态电阻rZ

（4）（5）、温度系数

稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。

电阻的作用： 限流保护

误差调节 1.2.6 特殊二极管

一、发光二极管

二、光电二极管

课堂小结：半导体二极管的伏安特性

半导体二极管的主要参数

二极管的等效电路

稳压管的特性和主要参数 思考问题：

如何用万用表判断二极管的好与坏、测试二极管的P、N极？

作业布置：

1.4

1.5

1.9

第1章

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《模拟电子技术》电子教案

授 课 教 案

课程： 模拟电子技术

任课教师：

教研室主任： 课号：

课题：双极型晶体管 教学目的：掌握常用晶体管的基本工作原理

掌握晶体管的特性、主要参数 能够合理选择，正确使用晶体管。

教学内容：晶体管的结构及类型

晶体管的电流放大作用、电流放大系数

晶体管的共射特性曲线

晶体管的主要参数

温度对晶体管特性及参数的影响

光电三极管

教学重点：三极管工作在放大区的条件和特点 教学难点：三极管工作区的判断 教学时数： 2学时

课前提问及复习：PN结的形成

PN结所具有的单向导电性 稳压二极管

新课导入：半导体三极管工作原理

半导体三极管的特性曲线

新课介绍： 1.3 半导体三极管

1.3.1 晶体管的结构与类型：

在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，构成晶体管。

这三个区域分别称基区、集电区、发射区。

对应的电极分别为：基极b、集电极c、发射极e。

两种类型：NPN和PNP 1.3.2晶体管的电流放大(控制)作用

共射放大电路：发射极是输入、输出回路的公共端。

晶体管工作在放大状态的外部条件：发射结正向偏置，且集电结反向偏置。

一、晶体管内部载流子的运动

1、发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流IE。

2、扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流IB。

3、集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流IC。

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《模拟电子技术》电子教案

二、晶体管的电流分配关系

从外部看：IE = IC+ IB

三、晶体管的共射电流放大系数

β：共射电流放大系数（支流放大系数和交流放大系数近似相等）IC=βIB 1.3.3 特性曲线

描述晶体管各电极之间电压、电流的关系。

一、输入特性曲线：

方程： iB=f(vBE) vCE=const

与PN结的伏安特性相类似，呈指数关系

二、输出特性曲线：

方程： iC=f(vCE) iB=const

有三个工作区域：

1、截止区

发射结电压小于开启电压UON且集电结

反向偏置。此时，可以认为ic=0。

2、放大区

发射结正向偏置且集电结反向偏置。此时

ic几乎取决于IB，与uCE无关，表现出IB对ic的控制作用。

3、饱和区

发射结与集电结均处于正向偏置，此时ic不仅与IB有关，而且明显随Uce增大而增大。对于小功率管，可以认为当Uce=Ube时，晶体管处于临界饱和（临界放大）状态。1.3.4 晶体管的主要参数

一、直流参数

1、共射直流电流放大系数

2、共基直流电流放大系数

3、极间反向电流

二、交流参数

1、共射交流电流放大系数

2、共基交流电流放大系数

3、特征频率

三、极限参数

1、最大集电极耗散功率PCM

2、最大集电极电流ICM

3、极间反向击穿电压

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《模拟电子技术》电子教案

由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定三区：过流区、过损区、过压区。1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响

一、温度对ICBO的影响

温度每升高10度，ICBO增加约一倍。

二、温度对输入特性的影响

温度升高，iB增大。

三、温度对输出特性的影响

温度升高，ICEO、β增大。1.3.6 光电三极管

光电三极管依据光照的强度来控制集电极电流的大小。

课堂小结：晶体管的结构及类型

晶体管的电流放大系数

晶体管的共射特性曲线

晶体管的主要参数

温度对晶体管特性及参数的影响

思考题：如何用万用表判断三极管的三个管脚及好坏？

作业布置：1.16 1.17 1.18

第1章

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《模拟电子技术》电子教案

授 课 教 案

课程： 模拟电子技术

任课教师：

教研室主任： 课号：

４

课题： 场效应管

教学目的：熟练掌握结型场效应管、绝缘栅型场效应管的构造原理和特性参数 教学内容：结型场效应管的形成原理和特性参数

绝缘栅型场效应管的构造原理和特性参数

教学重点：场效应管的工作原理 教学难点：场效应管的恒流区工伯原理 教学时数： 2学时

课前提问及复习：半导体三极管的工作原理

半导体三极管的特性曲线

新课导入：结型场效应管的构造原理和特性参数

绝缘栅型场效应管的构造原理及应用场合

新课介绍：

概念：场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。按结构分有两类：结型、绝缘栅型 1.4.1 结型场效应管

栅极g

漏极d

源极s 导电沟道

一、结型场效应管的工作原理

1、当uDS=0时，uGS对导电沟道的控制作用。

2、当uDS为UGS（off）~0中某一固定值时，uDS对漏极电流iD的影响。

3、当uGD〈UGS（off）时，uGS对iD的控制作用。低频跨导gm

二、结型场效应管的特性曲线

1、输出特性曲线

场效应管有三个工作区域： 可变电阻区、恒流区、夹断区

2、转移特性

1.4.2 绝缘栅型场效应管

特点： 绝缘栅型场效应管的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离。

具有四种类型：N沟道增强型管、N沟道耗尽型管、P沟道增强型管、P沟道耗尽型管。

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《模拟电子技术》电子教案

一、N沟道增强型管

1、工作原理

开启电压UGS（th）

2、特性曲线与电流方程

二、N沟道耗尽型管

在SiO2绝缘层中掺入大量正离子，便可得到耗尽型管。

其符号如图所示：

Ｐ４３页所示场效应管的符号及特性

1.4.３ 场效应管的主要参数

一、直流参数

开启电压UGS（th）、夹断电压UGS（off）、饱和漏极电流ＩＤＳＳ、直流输入电阻ＲＧＳ（ＤＣ）

二、交流参数

低频跨导gm、极间电容、三、极限参数

最大漏极电流ＩＤＭ、击穿电压、最大耗散功率ＰＤＭ 1.4.４ 场效应管与晶体管的比较：

1、场效应管输入电阻高。

2、场效应管的温度稳定性更好。

3、场效应管的噪声系数小。

4、场效应管的漏极和源极可以互换使用。

5、场效应管的种类更多。课堂小结：

结型场效应管的构造原理和特性参数 绝缘栅型场效应管的构造原理和特性参数

作业布置：1.23

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第五篇：半导体器件物理 教学内容和要点

教学内容和要点

第一章 半导体物理基础

第二节 载流子的统计分布

一、能带中的电子和空穴浓度

二、本征半导体

三、只有一种杂质的半导体

四、杂质补偿半导体 第三节 简并半导体

一、载流子浓度

二、发生简并化的条件

第四节 载流子的散射

一、格波与声子

二、载流子散射

三、平均自由时间与弛豫时间

四、散射机构 第五节 载流子的输运

一、漂移运动 迁移率 电导率

二、扩散运动和扩散电流

三、流密度和电流密度

四、非均匀半导体中的自建场

第六节 非平衡载流子

一、非平衡载流子的产生与复合

二、准费米能级和修正欧姆定律

三、复合机制

四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程

第二章 PN结

第一节 热平衡PN结

一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体结

突变结、缓变结、线性缓变结

二、硅PN结平面工艺流程（多媒体演示 图2.1）

三、空间电荷区、内建电场与电势

四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程

五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势

及PN结空间电荷区两侧的内建电势差

六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差和空间电荷区宽度（利用耗尽近似）

第二节 加偏压的PN结

一、画出热平衡和正、反偏压下PN结的能带图，定性说明PN结的单向导电性

二、导出空间电荷区边界处少子的边界条件，解释PN结的正向注入和反向抽取现象

第三节 理想PN结的直流电流-电压特性

一、解扩散方程导出理想PN结稳态少子分布表达式，电流分布表达式，电流－电压关系

二、说明理想PN结中反向电流产生的机制（扩散区内热产生载流子电流）

第四节 空间电荷区的复合电流和产生电流

一、复合电流

二、产生电流

第五节 隧道电流

一、隧道电流产生的条件

二、隧道二极管的基本性质（多媒体演示 Fig2.12）第六节 IV特性的温度依赖关系

一、反向饱和电流和温度的关系

二、IV特性的温度依赖关系

第七节耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管

一、PN结C-V特性

二、过渡电容的概念及相关公式推导 求杂质分布的程序（多媒体演示 Fig2.19）

三、变容二极管 第八节 小讯号交流分析

一、交流小信号条件下求解连续性方程，导出少子分布，电流分布和总电流公式

二、扩散电容与交流导纳

三、交流小信号等效电路 第九节 电荷贮存和反响瞬变

一、反向瞬变及电荷贮存效应

二、利用电荷控制方程求解s

三、阶跃恢复二极管基本理论 第十节 P-Ｎ结击穿

一、PN结击穿

二、两种击穿机制，PN结雪崩击穿基本理论的推导

三、计算机辅助计算例题2－3及相关习题

第三章 双极结型晶体管

第一节双极结型晶体管的结构

一、了解晶体管发展的历史过程

二、BJT的基本结构和工艺过程（多媒体 图3.1）概述

第二节 基本工作原理

一、理想BJT的基本工作原理 二、四种工作模式

三、放大作用（多媒体Fig3.6）

四、电流分量（多媒体Fig3.7）

五、电流增益（多媒体Fig3.8 3.9）

第三节 理想双极结型晶体管中的电流传输

一、理想BJT中的电流传输：解扩散方程求各区少子分布和电流分布

二、正向有源模式

三、电流增益～集电极电流关系

第四节 爱拜耳斯-莫尔（EbersMoll）方程 一、四种工作模式下少子浓度边界条件及少子分布

二、E-M模型等效电路

三、E-M方程推导

第五节 缓变基区晶体管

一、基区杂质浓度梯度引起的内建电场及对载流子的漂移作用

二、少子浓度推导

三、电流推导

四、基区输运因子推导

第六节 基区扩展电阻和电流集聚

一、基区扩展电阻

二、电流集聚效应

第七节 基区宽度调变效应

一、基区宽度调变效应（EARLY效应）

二、hFE和ICE0的改变

第八节 晶体管的频率响应

一、基本概念：小信号共基极与共射极电流增益（，hfe），共基极截止频率和共射极截止频率（Wɑ ,Wß）,增益－频率带宽或称为特征频率（WT），二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推导

三、影响截止频率的四个主要因素：τB、τE、τC、τD及相关推导

四、Kirk效应

第九节 混接型等效电路

一、参数：gm、gbe、CD 的推导

二、等效电路图（图3－23）

三、证明公式（3－85）、（3－86）

第十节 晶体管的开关特性

一、开关作用

二、影响开关时间的四个主要因素：td、tr、tf、ts

三、解电荷控制方程求贮存时间ts

第十一节 击穿电压

一、两种击穿机制

二、计算机辅助计算：习题

阅读 §3.12、§3.13、§3.14

第四章 金属—半导体结 第一节肖特基势垒

一、肖特基势垒的形成

二、加偏压的肖特基势垒

三、M－S结构的C-V特性及其应用

第二节 界面态对势垒高度的影响

一、界面态

二、被界面态钳制的费米能级

第三节 镜像力对势垒高度的影响

一、镜像力

二、肖特基势垒高度降低

第四节肖特基势垒二极管的电流电压特性

一、热电子发射

二、理查德-杜师曼方程

第五节 肖特基势垒二极管的结构

一、简单结构

二、金属搭接结构

三、保护环结构

第六节 金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管

一、基本结构

二、工作原理

第七节 肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较

一、开启电压

二、反向电流

三、温度特性

第八节 肖特基势垒二极管的应用

一、肖特基势垒检波器或混频器

二、肖特基势垒钳位晶体管

第九节 欧姆接触

一、欧姆接触的定义和应用

二、形成欧姆接触的两种方法

第五章 结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管 第一节JFET的基本结构和工作过程

一、两种N沟道JFET

二、工作原理

第二节 理想JFET的I-V特性

一、基本假设

二、夹断电压

三、I-V特性

第三节 静态特性

一、线性区

二、饱和区 第四节 小信号参数和等效电路

一、参数：gl gml gm CG

二、JFET小信号等效电路图

第五节JFET的截止频率

一、输入电流和输出电流

二、截止频率

第六节 夹断后的JFET性能

一、沟道长度调制效应

二、漏极电阻

第七节 金属-半导体场效应晶体管

一、基本结构

二、阈值电压和夹断电压

三、I-V特性

第八节 JFET和MESFET的类型

一、N—沟增强型 N—沟耗尽型

二、P—沟增强型 P—沟耗尽型 阅读 §5.8 §5.9 第六章 金属-氧化物-场效应晶体管

第一节 理想MOS结构的表面空间电荷区

一、MOSFET的基本结构（多媒体演示Fig6-1）

二、半导体表面空间电荷区的形成

三、利用电磁场边界条件导出电场与电荷的关系公式（6－1）

四、载流子的积累、耗尽和反型

五、载流子浓度表达式 六、三种情况下MOS结构能带图

七、反型和强反型条件，MOSFET工作的物理基础

第二节 理想MOS电容器

一、基本假设

二、C～V特性：积累区，平带情况，耗尽区，反型区

三、沟道电导与阈值电压：定义 公式（6－53）和（6－55）的推导

第三节 沟道电导与阈值电压

一、定义

二、公式（6－53）和（6－55）的推导

第四节 实际MOS的电容—电压特性

一、M-S功函数差引起的能带弯曲以及相应的平带电压，考虑到M-S功函数差，MOS结构的能带图的画法

二、平带电压的概念

三、界面电荷与氧化层内电荷引起的能带弯曲以及相应的平带电压四、四种电荷以及特性平带电压的计算

五、实际MOS的阈值电压和C～V曲线

第五节 MOS场效应晶体管

一、基本结构和工作原理

二、静态特性 第六节 等效电路和频率响应

一、参数：gd gm rd

二、等效电路

三、截止频率

第七节 亚阈值区

一、亚阈值概念

二、MOSFET的亚阈值概念

第九节 MOS场效应晶体管的类型

一、N—沟增强型 N—沟耗尽型

二、P—沟增强型 P—沟耗尽型

第十节 器件尺寸比例

MOSFET制造工艺

一、P沟道工艺

二、N沟道工艺

三、硅栅工艺

四、离子注入工艺

第七章 太阳电池和光电二极管 第一节半导体中光吸收

一、两种光吸收过程

二、吸收系数

三、吸收限

第二节 PN结的光生伏打效应

一、利用能带分析光电转换的物理过程（多媒体演示）

二、光生电动势，开路电压，短路电流，光生电流（光电流）

第三节 太阳电池的I-V特性

一、理想太阳电池的等效电路

二、根据等效电路写出I-V公式，I-V曲线图（比较：根据电流分量写出I-V公式）

三、实际太阳能电池的等效电路

四、根据实际电池的等效电路写出I-V公式

五、RS对I-V特性的影响

第四节 太阳电池的效率

一、计算 Vmp Imp Pm

二、效率的概念FFVOCIL100% Pin第五节 光产生电流和收集效率

一、“P在N上”结构，光照，GLOex少子满足的扩散方程

二、例1－1，求少子分布，电流分布

三、计算光子收集效率：colJptJnGO

讨论：波长长短对吸收系数的影响 少子扩散长度和吸收系数对收集效率的影响 理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意义

第六节 提高太阳能电池效率的考虑

一、光谱考虑(多媒体演示)

二、最大功率考虑

三、串联电阻考虑

四、表面反射的影响

五、聚光作用

第七节 肖特基势垒和MIS太阳电池

一、基本结构和能带图

二、工作原理和特点 阅读 §7.8 第九节 光电二极管

一、基本工作原理

二、P-I-N光电二极管

三、雪崩光电二极管

四、金属－半导体光电二极管

第十节 光电二极管的特性参数

一、量子效率和响应度

二、响应速度

三、噪声特性、信噪比、噪声等效功率（NEP）

四、探测率（D）、比探测率（D*）

第八章 发光二极管与半导体激光器 第一节辐射复合与非辐射复合

一、辐射复合：带间辐射复合，浅施主和主带之间的复合，施主－受主对（D-A 对）复合，深能级复合，激子复合，等电子陷阱复合

二、非辐射复合：多声子跃迁，俄歇过程（多媒体演示），表面复合

第二节 LED的基本结构和工作过程

一、基本结构

二、工作原理（能带图）

第三节 LED的特性参数

一、I-V特性

二：量子效率：注射效率、辐射效率r、内量子效率i，逸出概率o、外量子效率

三、提高外量子效率的途径，光学窗口

四、光谱分布，峰值半高宽 FWHM,峰值波长，主波长，亮度

第四节 可见光LED

一、GaP LED

二、GaAs1-xPx LED

三、GaN LED 第五节 红外 LED 一、性能特点

二、应用 光隔离器 阅读§8.6 , §8.7 , §8.8 , §8.9 , §8.10(不做作业和考试要求)第九章 集成器件 第十章 电荷转移器件 第一节 电荷转移

一、CCD基本结构和工作过程

二、电荷转移

第二节 深耗尽状态和表面势阱

一、深耗尽状态—非热平衡状态

二、公式（10-8）的导出

第三节 MOS电容的瞬态特性

深耗尽状态的能带图

一、热弛豫时间

二、信号电荷的影响

第四节 信息电荷的输运 转换效率

一、电荷转移的三个因素

二、转移效率、填充速率和排空率

第五节 电极排列和CCD制造工艺 一、三相CCD二、二相CCD 第六节 体内（埋入）沟道CCD

一、表面态对转移损耗和噪声特性的影响

二、体内（埋入）沟道CCD的基本结构和工作原理

第七节 电荷的注入、检测和再生

一、电注入与光注入

二、电荷检测 电荷读出法

三、电荷束的周期性再生或刷新

第八节 集成斗链器件

一、BBD的基本结构

二、工作原理

三、性能

第九节 电荷耦合图象器件

一、行图象器

二、面图象器

三、工作原理和应用

主要参考书目

孟庆巨、刘海波、孟庆辉编著 《半导体器件物理》，科学出版社，202_第二次印刷。