第一篇：第一章 半導(dǎo)體器件 模電教師教案
模擬電子技術(shù)
教案
授課人：王旭東
第一章 半導(dǎo)體器件
課時(shí)分配: 6學(xué)時(shí)
目的要求：了解半導(dǎo)體二極管；穩(wěn)壓管；晶體管和MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理和主要參數(shù)。
重 點(diǎn)：PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?；二極管的伏安特性曲線；三極管的電流分配方式和電流放大作用。
難 點(diǎn)：二極管的基本電路及分析方法；二極管的伏安特性曲線；三極管的電流分配方式和電流放大作用。
教 學(xué)
方法手段: 結(jié)合多媒體電子課件, 啟發(fā)式、互動(dòng)式講解；屏幕投影、黑板、模型實(shí)物及實(shí)物投影四體合一課堂教學(xué)手段；理論講解和電路仿真同步。
教 具： 電子課件、計(jì)算機(jī)、投影、電子展臺(tái)。
新 授： 0 引言
模擬電子電路的核心是半導(dǎo)體器件，而半導(dǎo)體器件是由半導(dǎo)體材料制成的。因此，我們必須首先了解半導(dǎo)體的有關(guān)知識(shí)，尤其應(yīng)當(dāng)了解半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。1.1 半導(dǎo)體的特性
物質(zhì)按其導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱，可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。
一、導(dǎo)體
導(dǎo)電能力很強(qiáng)的物質(zhì)，叫導(dǎo)體。如低價(jià)元素銅、鐵、鋁等。
二、絕緣體
導(dǎo)電能力很弱，基本上不導(dǎo)電的物質(zhì),叫絕緣體.如高價(jià)惰性氣體和橡膠、陶瓷、塑料等高分子材料等.三、半導(dǎo)體
導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，叫半導(dǎo)體。如硅、鍺等四價(jià)元素，其簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型如圖1.1.1所示。
為什么物質(zhì)的導(dǎo)電能力有如此大的差別呢？這與它們的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，即與它們的原子最外層的電子受其原子核束縛力的強(qiáng)弱有關(guān)。1.1.1 本征半導(dǎo)體
純凈且呈現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，叫本征半導(dǎo)體。
一、本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)
通過(guò)特殊工藝加工，可以使硅或鍺元素的原子之間靠共有電子對(duì)—共價(jià)鍵，形成非常規(guī)則的晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。結(jié)果每個(gè)原子外層相對(duì)排滿８?jìng)€(gè)電子，形成相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)整齊且單一的純凈半導(dǎo)體，叫本征半導(dǎo)體。如圖1.1.3所示
二.本征激發(fā)
在常溫下，由于熱能的激發(fā)，使本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵中的價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子。同時(shí)，在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，叫空穴。這種產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)的現(xiàn)象，叫本征激發(fā)。溫度一定，自由電子和空穴對(duì)的濃度也一定。
由于本征激發(fā)而在本征半導(dǎo)體中存在一定濃度的自由電子（帶負(fù)電荷）和空穴（帶正電荷）對(duì)，故其具有導(dǎo)電能力，但其導(dǎo)電能力有限。1.1.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體
在本征半導(dǎo)體中摻入適量且適當(dāng)?shù)钠渌兀ń须s質(zhì)元素），就形成雜質(zhì)半導(dǎo)體，其導(dǎo)電能力將大大增強(qiáng)。
一、Ｎ型半導(dǎo)體
在硅或鍺本征半導(dǎo)體中摻入適量的五價(jià)元素（如磷），則磷原子與其周?chē)噜彽乃膫€(gè)硅或鍺原子之間形成共價(jià)鍵后，還多出一個(gè)電子，這個(gè)多出的電子極易成為自由電子參與導(dǎo)電。同時(shí),因本征激發(fā)還產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)。結(jié)果,自由電子成為多數(shù)載流子(稱(chēng)多子),空穴成為少數(shù)載流子(稱(chēng)少子)。這種主要依靠多數(shù)載流子自由電子導(dǎo)電的雜質(zhì)半導(dǎo)體，叫N型半導(dǎo)體，如圖1.1.4所示。
二、P型半導(dǎo)體
在硅或鍺本征半導(dǎo)體中，摻入適量的三價(jià)元素（如硼），則硼原子與周?chē)乃膫€(gè)硅或鍺原子形成共價(jià)鍵后，還留有一個(gè)空穴。同時(shí)，因本征激發(fā) 還產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)。結(jié)果，空穴成為多子，自由電子成為少子。這種主要依靠多子空穴導(dǎo)電的雜質(zhì)半導(dǎo)體，叫P型半導(dǎo)體。如圖1.1.5所示。
無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體對(duì)外均呈現(xiàn)電中性，其內(nèi)部無(wú)電流。
本征半導(dǎo)體、P型和N型半導(dǎo)體都不能單獨(dú)構(gòu)成半導(dǎo)體器件，PN結(jié)才是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基本單元。1.2 半導(dǎo)體二極管
半導(dǎo)體二極管是利用雜質(zhì)半導(dǎo)體做成的。1.2.1 PN結(jié)的形成
一、多數(shù)載流子的擴(kuò)散
在P型和N型半導(dǎo)體交界面兩側(cè),電子和空穴的濃度差很大。在濃度差的作用下，P區(qū)中的多子空穴向N區(qū)擴(kuò)散,在P區(qū)一側(cè)留下雜質(zhì)負(fù)離子,在N區(qū)一側(cè)集中正電荷;同時(shí)，N區(qū)中的多子自由電子向P區(qū)擴(kuò)散，在N區(qū)一側(cè)留下雜質(zhì)正離子，在P區(qū)一側(cè)集中負(fù)電荷。結(jié)果，在P型和N型半導(dǎo)體交界面處形成空間電荷區(qū)，自建內(nèi)電場(chǎng)ε內(nèi)（從N區(qū)指向P區(qū)），如圖1-6所示。
二、少數(shù)載流子的漂移
在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，P區(qū)中的少子自由電子向N區(qū)漂移，而N區(qū)中的少子空穴向P區(qū)飄移，使內(nèi)電場(chǎng)削弱。
三、擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡 當(dāng)內(nèi)電場(chǎng)達(dá)到一定值時(shí)，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與少子的漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)不再變化，這個(gè)空間電荷區(qū)，就稱(chēng)為PN結(jié)。
空間電荷區(qū)無(wú)載流子停留，故曰耗盡層，又叫阻擋層或勢(shì)壘層。無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，PN結(jié)內(nèi)部雖有載流子運(yùn)動(dòng)，但無(wú)定向電流形成。1.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?/p>
一、PN結(jié)加正向電壓
PN結(jié)加正向電壓（正偏）時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)反方向，使空間電荷區(qū)變窄，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)大于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，由濃度大的多子擴(kuò)散形成較大的正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，其正向通態(tài)電阻很小，正向通態(tài)管壓降也很小。
二、PN結(jié)加反向電壓
PN結(jié)加反向電壓（反偏）時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)同方向，使空間電荷區(qū)變寬，多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大大減弱，而少子的漂移運(yùn)動(dòng)相對(duì)加強(qiáng)，由濃度很小的少子漂移形成很小的反向飽和電流IS,PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，反向電阻很大。
PN結(jié)正偏時(shí)導(dǎo)通，反偏時(shí)截止，故具有單向?qū)щ娞匦浴Ｆ涮匦郧€如 圖1-8所示，電壓U與電流I的關(guān)系式為
ID=IS（e?1）
三、反向擊穿
當(dāng)PN結(jié)所加反向電壓達(dá)到UB時(shí)，其反向電流急劇增加，叫反向擊穿，UB叫擊穿電壓。
PN結(jié)有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種擊穿狀態(tài)。無(wú)論處于何種擊穿時(shí)，反向電流只要不超過(guò)允許值，去掉反向電源后，仍能恢復(fù)單向?qū)щ娦浴?/p>
四、PN結(jié)的電容效應(yīng) 1.勢(shì)壘電容CT 當(dāng)PN結(jié)的反偏電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)隨之變寬（相當(dāng)于充入電荷）或變窄（相當(dāng)于放出電荷），故具有電容效應(yīng)，叫勢(shì)壘電容，用CT表示。2.擴(kuò)散電容CD 當(dāng)PN結(jié)的正偏電壓變化時(shí)，P區(qū)和N 區(qū)中多子的濃度和濃度梯度均隨之變化，也具有一定的電容效應(yīng)，叫擴(kuò)散電容，用CD表示 3.PN結(jié)的結(jié)電容CJ CJ=CT+CD
正偏時(shí)，CD起主要作用；反偏時(shí)，CT起主要作用。1.2.3 半導(dǎo)體二極管 一、二極管的結(jié)構(gòu)
給PN結(jié)加上兩個(gè)引線（管腳）和管殼即成二極管，接P區(qū)的管腳稱(chēng)陽(yáng)極，接N區(qū)的管腳稱(chēng)陰極。二、二極管的類(lèi)型 1.按結(jié)構(gòu)區(qū)分
點(diǎn)接觸型：PN結(jié)面積小，工作電流小，PN結(jié)電容小，工作頻率高。面接觸型：PN結(jié)面積大，工作電流大，PN結(jié)電容大，工作頻率低。2.按工作頻率區(qū)分 有高頻管和低頻管。3.按功率區(qū)分
有大功率管和小功率管。4.按用途區(qū)分
有普通管、整流管、穩(wěn)壓管、開(kāi)關(guān)管等等。三、二極管的特性
1.正向特性，與PN結(jié)相同 UPUT2.反向特性，與PN結(jié)相同 3.擊穿特性，與PN結(jié)相同
4.溫度特性，溫度升高時(shí)，二極管的正反向特性曲線均向縱軸靠近。
四、主要參數(shù)
1.最大整流電流IF，又叫額定電流。2.最大反向工作電壓UR，又叫額定電壓。3.反向飽和電流IS。
4.反向電流IR，二極管未擊穿時(shí)的電流值。5.最高工作頻率fM。
6.直流電阻RD：RD=UD/IF，如圖1-14所示。
7.交流電阻rd：RD=ΔUD/ΔID=dud/did,如圖1-15所示。
rd系指某一工作點(diǎn)的動(dòng)態(tài)電阻。常溫下，rd=UT/ID=26(mv)/IDQ IDQ為直流工作點(diǎn)的電流，單位為mA 1.2.4 穩(wěn)壓二極管
一、結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，只是摻雜濃度比普通二極管大得多，通常為硅材料穩(wěn)壓二極管。
二、特性
正向特性曲線與普通二極管的正向特性曲線相似；反響未擊穿的特性曲線與普通二極管的反向擊穿時(shí)的特性曲線相似。但穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性曲線很陡。如圖1-16所示。
三、參數(shù)
1.穩(wěn)定電壓UZ 2.穩(wěn)定電流IZ 3.額定功率PZ
4.動(dòng)態(tài)電阻rZ，rZ=ΔUZ/ΔIZ，rZ很小。
5.電壓溫度系數(shù)α。α=ΔUZ/Ut × 100%。UZ>7V時(shí)，α為正溫度系數(shù)；UZ<5V時(shí)，α為負(fù)溫度系數(shù)；5V 一、發(fā)光二極管 將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件。正偏時(shí)，有正向電流通過(guò)而發(fā)光，其正向通態(tài)管壓降為1.8—2.2V.二、光電二極管 將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件。反向偏置下，當(dāng)光線強(qiáng)弱改變時(shí)，光電二極管的反向電流隨之改變。 三、光電耦合器 光電耦合器由光電二極管和發(fā)光二極管組合封裝而成。發(fā)光二極管為輸入端，光電二極管輸出端。 四、變?nèi)荻O管 變?nèi)荻O管的勢(shì)壘電容隨外加反向電壓變化而變化。1.3 雙極型三極管 半導(dǎo)體三極管又稱(chēng)為晶體管或雙極性三極管，是組成各種電子電路的核心器件。 1.3.1 三級(jí)管的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型 一、結(jié)構(gòu) 三極管有兩個(gè)結(jié)，三個(gè)電極，三個(gè)區(qū)組成。 兩個(gè)結(jié)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié) 三個(gè)極：發(fā)射極E，基極B，和集電極C 三個(gè)區(qū)：發(fā)射區(qū)；參雜濃度大。 基區(qū)；很薄，參雜濃度很小。 集電區(qū):參雜濃度小，但面積大。 這種特殊結(jié)構(gòu)是三極管具有電流放大作用的內(nèi)部依據(jù)。 二、類(lèi)型 1.按結(jié)構(gòu)區(qū)分：有NPN型和PNP型。2.按材料區(qū)分：有硅三極管和鍺三極管。 3.按工作頻率區(qū)分：有高頻三極管和低頻三極管。4.按功率大小區(qū)分：有大功率三極管和小功率三極管。 三、工作條件 三極管有電流放大作用大外部條件。 1.NPN型三極管：VC>VB>VE 2.PNP型三極管：VC 1.共發(fā)射極接法：發(fā)射極為交流輸入和輸出信號(hào)的公共端。2.共集電極接法：集電極為交流輸入和輸出信號(hào)的公共端。3.共基極接法： 基極為交流輸入和輸出信號(hào)的公共端。1.3.3 三極管的電流放大原理 一、載流子傳輸過(guò)程 以NPN型三極管為例進(jìn)行分析。 1.發(fā)射。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)中的多子電子大量地向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流。 2.復(fù)合。從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子，很少一部分與基區(qū)中的空穴相復(fù)合，形成基極電流的主要部分ICN。 3.收集。從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子，除很少部分被復(fù)合掉外，絕大部分電子向集電結(jié)擴(kuò)散，且在集電結(jié)反偏電壓的作用下，迅速漂移過(guò)集電結(jié)被集電區(qū)所收集，形成集電極電流的主要部分。同時(shí)，集電區(qū)少子空穴在集電結(jié)反偏電壓的作用下向基區(qū)漂移，形成集電結(jié)反向飽和電流ICBO，它是集電極電流的極小部分，也是基極電流的一部分。如圖1-32所示。 二、各極電流的關(guān)系 IC=ICN+ICBO ICN=IC-ICBO IB=IBN-ICBO IBN=IB+ICBO IE≈ICN+IBN=IC-ICBO+IB+ICBO IE=IC+IB 三、電流放大系數(shù) 1.直流電流放大系數(shù)β β=ICN/IBN=(IC-ICBO)/(IB+ICBO)≈IC/IB(IC>>IB>>ICBO)2.交流電流放大系數(shù)β β≈ΔIC/ΔIB 3.穿透電流ICEO ICEO=(1+β)ICBO 1.3.4 三極管的特性曲線 一、輸入特性 iB=f(ube)∣UCE=常數(shù) 1.UCE =0V時(shí) 三極管的輸入特性曲線，相當(dāng)于二級(jí)管的正向特性曲線，如圖1-34所示。2.UCE =1V時(shí) 三極管的輸入特性曲線將向右移。3.UCE >1V時(shí) 三極管的特性曲線幾乎與UCE =1V時(shí)的輸入特性曲線重合。 二、輸出特性 iC=f(uCE)∣IB=常數(shù) 輸出特性曲線有三個(gè)主要區(qū)域。如圖1-35所示。1.截止區(qū) UBE≤0V,IB≤0,IC=ICEO,三極管幾乎不導(dǎo)通，叫截止?fàn)顟B(tài)。2.放大區(qū) UBE>0.5—0.7（硅管）,UBE>0.1—0.3V(鍺管)，UCE>>UBE,當(dāng)UCE不變時(shí)，IC=βIB 3.飽和區(qū) UBE>0.5—0.7（硅管）,UBE>0.1—0.3V(鍺管)，UCE 一、電流放大系數(shù) β=ΔIC/ΔIB∣UCE=常數(shù) 二、極間反向電流 ICBO ICEO=(1+β)ICBO 三、極限參數(shù) 1.集電極最大允許電流ICM 2.集電極最大允許功率損耗PCM PCM=UCEIC 3.反向擊穿電壓 BUCBO>BUCEO>BUEBO 為了安全起見(jiàn)，應(yīng)使三極管的UCE 四、溫度對(duì)三極管參數(shù)的影響 1.對(duì)VBE有影響 2.對(duì)ICBO和ICEO有影響 3.對(duì)β有影響 如溫度升高時(shí)，VBE↓,ICBO↑,ICEO↑,β↑；反之，亦反之。1.4 場(chǎng)效應(yīng)三極管 場(chǎng)效應(yīng)管(簡(jiǎn)稱(chēng)FET)是一種電壓控制(電場(chǎng)效應(yīng)控制)器件(uGS~ iD)，工作時(shí)，只有一種(多數(shù))載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。 場(chǎng)效應(yīng)管分為兩大類(lèi)：絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。1.4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 一、結(jié)構(gòu) 在一塊N型半導(dǎo)體的兩邊利用雜質(zhì)擴(kuò)散出高濃度的P型區(qū)域,用P+表示,形成兩個(gè)P+N結(jié)。 N型半導(dǎo)體的兩端引出兩個(gè)電極，分別稱(chēng)為漏極D和源極S。把兩邊的P區(qū)引出電極并連在一起稱(chēng)為柵極G。 二、工作原理 首先，假如在G—S間加上反向電壓VGS，則PN結(jié)反向偏置。顯然,改變VGS將改變耗盡層的寬度。 其次，由于PN結(jié)兩邊，P區(qū)摻雜濃度很高，N區(qū)摻雜濃度相對(duì)較低；PN結(jié)中N區(qū)一側(cè)的正離子數(shù)與P區(qū)一側(cè)的負(fù)離子數(shù)相等，因而交界面兩側(cè)的寬度并不相等。摻雜程度低的N溝道層寬比P區(qū)層寬大很多。 故此,可以認(rèn)為,當(dāng)耗盡層展寬時(shí)主要向著導(dǎo)電溝道的一側(cè)。 UGS、UDS影響ID電流的大小。VGS越負(fù)，溝道越窄，VGD越負(fù)，溝道越窄。 三、特性曲線 JFET的特性曲線有兩條：轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線。 轉(zhuǎn)移特性描述柵源電壓UGS對(duì)漏極電流ID的控制作用。轉(zhuǎn)移特性有兩個(gè)重要參數(shù)：夾斷電壓UP和飽和漏極電流IDSS。 輸出特性描述當(dāng)柵源電壓UGS不變時(shí)，漏極電流ID與漏源電壓UDS的關(guān)系。 1.4.2 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET)分為： 增強(qiáng)型 ? N溝道、P溝道 耗盡型 ? N溝道、P溝道 一、N溝道增強(qiáng)型MOS管 1.結(jié)構(gòu) 四個(gè)電極：漏極D，源極S, 柵極G和 襯底B。 2.工作原理 ①柵源電壓UGS的控制作用 ②漏源電壓UDS對(duì)漏極電流ID的控制作用 3.特性曲線 ①輸出特性曲線： ID=f(UDS)?UGS=const ②轉(zhuǎn)移特性曲線： ID=f(UGS)?UDS=const 4．重要參數(shù)--跨導(dǎo)gm gm=?iD/?uGS?uDS=const(單位mS)gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用.在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。 二、N溝道耗盡型MOSFET 在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)UGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。特點(diǎn)：當(dāng)UGS=0時(shí),就有溝道，加入U(xiǎn)DS，就有ID。 三、P溝道MOSFET P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過(guò)導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。 四、例題 例1.4.1 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管工作狀態(tài)分析 1.4.3 場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù) 一、直流參數(shù) 二、交流參數(shù) 三、極限參數(shù) 課堂討論： 1.何謂本征半導(dǎo)體？其導(dǎo)電能力由什么因素決定。2.P型和N型半導(dǎo)體的特點(diǎn)？ 3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與哪些因素有關(guān)？ 4.三極管如何實(shí)現(xiàn)放大功能？ 5.場(chǎng)效應(yīng)管與三極管如何區(qū)分？ 小 結(jié)： 1．半導(dǎo)體材料中有兩種載流子：電子和空穴。電子帶負(fù)電，空穴帶正電。在純凈半導(dǎo)體中摻入不同的雜質(zhì)，可以得到N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。 2．采用一定的工藝措施，使P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，就形成了PN結(jié)。PN結(jié)的基本特點(diǎn)是單向?qū)щ娦浴?/p> 3．二極管是由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的。其特性可以用伏安特性和一系列參數(shù)來(lái)描述。在研究二極管電路時(shí)，可根據(jù)不同情況，使用不同的二極管模型。 4．BJT是由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的。工作時(shí),有兩種載流子參與導(dǎo)電，稱(chēng)為雙極性晶體管。BJT是一種電流控制電流型的器件,改變基極電流就可以控制集電極電流。BJT的特性可用輸入特性曲線和輸出特性曲線來(lái)描述。其性能可以用一系列參數(shù)來(lái)表征。BJT有三個(gè)工作區(qū)：飽和區(qū)、放大器和截止區(qū)。 5．FET分為JFET和MOSFET兩種。工作時(shí)只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此稱(chēng)為單極性晶體管。FET是一種電壓控制電流型器件。改變其柵源電壓就可以改變其漏極電流。FET的特性可用轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線來(lái)描述。其性能可以用一系列參數(shù)來(lái)表征。 布置作業(yè):P45-1.3 P46-1.4；1.5；1.8 P47-1.12；1.13 P48-1.15 P49-1.19 第一章 常用半導(dǎo)體器件 1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 1.1.1 本征半導(dǎo)體 一、半導(dǎo)體 1． 概念：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。2． 本征半導(dǎo)體：純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。 二、本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)（圖1.1.1） 1． 晶格：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點(diǎn)陣。2． 共價(jià)鍵 三、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子（圖1.1.2） 1． 本征激發(fā)：在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)的現(xiàn)象。2． 空穴：講解其導(dǎo)電方式； 3． 自由電子 4． 復(fù)合：自由電子與空穴相遇，相互消失。5． 載流子：運(yùn)載電荷的粒子。 四、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度 1． 動(dòng)態(tài)平衡：載流子濃度在一定溫度下，保持一定。2． 載流子濃度公式： ni?pi?K1T3/2e?EGO/(2kT) 自由電子、空穴濃度（cm?5－ 3），T為熱力學(xué)溫度，k為波耳茲曼常數(shù)（8.63?10eV/K），EGO為熱力學(xué)零度時(shí)破壞共價(jià)鍵所需的能量（eV），又稱(chēng)禁帶寬度，K1是與半導(dǎo)體材料載流子有效質(zhì)量、有效能級(jí)密度有關(guān)的常量。 1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體 一、概念：通過(guò)擴(kuò)散工藝，摻入了少量合適的雜質(zhì)元素的半導(dǎo)體。 二、N型半導(dǎo)體（圖1.1.3） 1． 形成：摻入少量的磷。2． 多數(shù)載流子：自由電子 3． 少數(shù)載流子：空穴 4． 施主原子：提供電子的雜質(zhì)原子。 三、P型半導(dǎo)體（圖1.1.4） 1． 形成：摻入少量的硼。2． 多數(shù)載流子：空穴 3． 少數(shù)載流子：自由電子 4． 受主原子：雜質(zhì)原子中的空穴吸收電子。 5． 濃度：多子濃度近似等于所摻雜原子的濃度，而少子的濃度低，由本征激發(fā)形成，對(duì)溫度敏感，影響半導(dǎo)體的性能。 1.1.3 PN結(jié) 一、PN結(jié)的形成（圖1.1.5） 1． 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：多子從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)。2． 空間電荷區(qū)、耗盡層（忽視其中載流子的存在）3． 漂移運(yùn)動(dòng)：少子在電場(chǎng)力的作用下的運(yùn)動(dòng)。在一定條件下，其與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡。4． 對(duì)稱(chēng)結(jié)、不對(duì)稱(chēng)結(jié)：外部特性相同。 二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p> 1． PN結(jié)外加正向電壓：導(dǎo)通狀態(tài)（圖1.1.6）正向接法、正向偏置，電阻R的作用。（解釋為什么Uho與PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)所表現(xiàn)的外部電壓相反：PN結(jié)的外部電壓為U即平時(shí)的0.7V，而內(nèi)電場(chǎng)的電壓并不對(duì)PN結(jié)的外部電壓產(chǎn)生影響。） 2． PN結(jié)外加反向電壓：截止?fàn)顟B(tài)（圖1.1.7）反向電壓、反向偏置、反向接法。形成漂移電流。 三、PN結(jié)的電流方程 1． 方程（表明PN結(jié)所加端電壓u與流過(guò)它的電流i的關(guān)系）： i?IS(euUT?1) UT?kT q為電子的電量。q2．平衡狀態(tài)下載流子濃度與內(nèi)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系： 3． PN結(jié)電流方程分析中的條件： 4． 外加電壓時(shí)PN結(jié)電流與電壓的關(guān)系： 四、PN結(jié)的伏安特性（圖1.1.10） 1． 正向特性、反向特性 2． 反向擊穿：齊納擊穿（高摻雜、耗盡層薄、形成很強(qiáng)電場(chǎng)、直接破壞共價(jià)鍵）、雪崩擊穿（低摻雜、耗盡層較寬、少子加速漂移、碰撞）。 五、PN結(jié)的電容效應(yīng) 1． 勢(shì)壘電容：（圖1.1.11）耗盡層寬窄變化所等效的電容，Cb（電荷量隨外加電壓而增多或減少，這種現(xiàn)象與電容器的充放電過(guò)程相同）。與結(jié)面積、耗盡層寬度、半導(dǎo)體介電常數(shù)及外加電壓有關(guān)。2． 擴(kuò)散電容：（圖1.1.12） （1）平衡少子：PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時(shí)的少子。 （2）非平衡少子：PN結(jié)處于正向偏置時(shí)，從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴和從N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子。 （3）濃度梯度形成擴(kuò)散電流，外加正向電壓增大，濃度梯度增大，正向電流增大。 （4）擴(kuò)散電容：擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，電荷的積累和釋放過(guò)程與電容器充放電過(guò)程相同。i越大、τ越大、UT越小，Cd就越大。 （5）結(jié)電容Cj?Cb?Cd pF級(jí)，對(duì)于低頻忽略不計(jì)。 1.2 半導(dǎo)體二極管 （幾種外形）（圖1.2.1） 1.2.1 半導(dǎo)體二極管的幾種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)（圖1.2.2） 一、點(diǎn)接觸型：電流小、結(jié)電容小、工作頻率高。 二、面接觸型：合金工藝，結(jié)電容大、電流大、工作頻率低，整流管。 三、平面型：擴(kuò)散工藝，結(jié)面積可大可小。 四、符號(hào) 1.2.2 二極管的伏安特性 一、二極管的伏安特性 1． 二極管和PN結(jié)伏安特性的區(qū)別：存在體電阻及引線電阻，相同端電壓下，電流?。淮嬖诒砻媛╇娏?，反向電流大。 2． 伏安特性：開(kāi)啟電壓（使二極管開(kāi)始導(dǎo)通的臨界電壓）（圖1.2.3） 二、溫度對(duì)二極管方案特性的影響 1． 溫度升高時(shí)，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移。 2． 室溫時(shí)，每升高1度，正向壓降減小2～2.5mV；每升高10度，反向電流增大一倍。 1.2.3 二極管的主要參數(shù) 一、最大整流電流IF：長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過(guò)的最大正向平均電流。 二、最高反向工作電壓UR：工作時(shí)，所允許外加的最大反向電壓，通常為擊穿電壓的一半。 三、反向電流IR：未擊穿時(shí)的反向電流。越小，單向?qū)щ娦栽胶?；此值?duì)溫度敏感。 四、最高工作頻率fM：上限頻率，超過(guò)此值，結(jié)電容不能忽略。 1.2.4 二極管的等效電路 一、二極管的等效電路：在一定條件下，能夠模擬二極管特性的由線性元件所構(gòu)成的電路。一種建立在器件物理原理的基礎(chǔ)上（復(fù)雜、適用范圍寬），另一種根據(jù)器件外特性而構(gòu)造（簡(jiǎn)單、用于近似分析）。 二、由伏安特性折線化得到的等效電路：（圖1.2.4） 1． 理想二極管：注意符號(hào) 2． 正向?qū)〞r(shí)端電壓為常量 3． 正向?qū)〞r(shí)端電壓與電流成線性關(guān)系 4． 例1（圖1.2.5）三種不同等效分析：（1）V遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于UD，（2）UD變化范圍很小，(3)接近實(shí)際情況。5． 例2（圖1.2.6）三、二極管的微變等效電路（圖1.2.7）（圖1.2.8）（圖1.2.9） 動(dòng)態(tài)電阻的公式推倒： 1.2.5 穩(wěn)壓二極管 一、概念：一種由硅材料制成的面接觸型晶體二極管，其可以工作在反向擊穿狀態(tài)，在一定電流范圍內(nèi)，端電壓幾乎不變。 二、穩(wěn)壓管的伏安特性：（圖1.2.10） 三、穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 1． 穩(wěn)定電壓UZ：反向擊穿電壓，具有分散性。2． 穩(wěn)定電流IZ：穩(wěn)壓工作的最小電流。 3． 額定功耗PZM：穩(wěn)定電壓與最大穩(wěn)定電流的乘積。4． 動(dòng)態(tài)電阻rZ：穩(wěn)壓區(qū)的動(dòng)態(tài)等效電阻。 5． 溫度系數(shù)α：溫度每變化1度，穩(wěn)壓值的變化量。小于4V為齊納擊穿，負(fù)溫度系數(shù)；大于7V為雪崩擊穿，正溫度系數(shù)。 四、例（圖1.2.11） 1.2.6 其他類(lèi)型二極管 一、發(fā)光二極管（圖1.2.12）可見(jiàn)光、不可見(jiàn)光、激光；紅、綠、黃、橙等；開(kāi)啟電壓大。 二、光電二極管（圖1.2.13）遠(yuǎn)紅外接受管，伏安特性（圖1.2.14）光電流（光電二極管在反壓下，受到光照而產(chǎn)生的電流）與光照度成線性關(guān)系。 三、例（圖1.2.15） 1.3 雙極型晶體管 雙極型晶體管（BJT: Bipolar Junction Transistor）幾種晶體管的常見(jiàn)外形（圖1.3.1） 1.3.1 晶體管的結(jié)構(gòu)及類(lèi)型（圖1.3.2） 一、構(gòu)成方式：同一個(gè)硅片上制造出三個(gè)摻雜區(qū)域，并形成兩個(gè)PN結(jié)。 二、結(jié)構(gòu)： 1． 三個(gè)區(qū)域：基區(qū)（薄且摻雜濃度很低）、發(fā)射區(qū)（摻雜濃度很高）、集電區(qū)（結(jié)面積大）； 2． 三個(gè)電極：基極、發(fā)射極、集電極； 3． 兩個(gè)PN結(jié)：集電結(jié)、發(fā)射結(jié)。 三、分類(lèi)及符號(hào)：PNP、NPN 1.3.2 晶體管的電流放大作用 一、放大：把微弱信號(hào)進(jìn)行能量的放大，晶體管是放大電路的核心元件，控制能量的轉(zhuǎn)換，將輸入的微小變化不失真地放大輸出，放大的對(duì)象是變化量。 二、基本共射放大電路（圖1.3.3） 1． 輸入回路：輸入信號(hào)所接入的基極－發(fā)射極回路； 2． 輸出回路：放大后的輸出信號(hào)所在的集電極－發(fā)射極回路； 3． 共射放大電路：發(fā)射極是兩個(gè)回路的公共端； 4． 放大條件：發(fā)射結(jié)正偏且集電結(jié)反偏； 5． 放大作用：小的基極電流控制大的集電極電流。 三、晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)（圖1.3.4）分析條件?uI?0 1． 發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流IE，空穴電流IEP由于基區(qū)摻雜濃度很低，可以忽略不計(jì)；IE?IEN?IEP 2． 擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成電流IBN； 3． 集電結(jié)加反向電壓，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流IC，其中非平衡少子的漂移形成ICN，平衡少子形成ICBO。 ??ICBO4． 晶體管的電流分配關(guān)系：IC?ICN?ICBO，IB?IBN?IEP?ICBO?IB，IE?IB?IC 四、晶體管的共射電流放大系數(shù) 1． 共射直流電流放大系數(shù)：??ICNIC?ICBO ??IBIB?ICBO2． 穿透電流ICEO：IC??IB?(1??)ICBO??IB?ICEO 基極開(kāi)路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間的電流； 3． 集電結(jié)反向飽和電流ICBO：發(fā)射極開(kāi)路時(shí)的IB電流； 4．近似公式：IC??IB，IE?(1??)IB 5． 共射交流電流放大系數(shù)：當(dāng)有輸入動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，???ic ?iB6． 交直流放大系數(shù)之間的近似：若在動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)，交流放大系數(shù)基本不變，則有iC?IC??iC??IB?ICEO???iB??(IB??iB)?ICEO因?yàn)橹绷鞣糯笙禂?shù)在線性區(qū)幾乎不變，可以把動(dòng)態(tài)部分看成是直流大小的變化，忽略穿透電流，有：???，放大系數(shù)一般取幾十至一百多倍的管子，太小放大能力不強(qiáng)，太大性能不穩(wěn)定； 7． 共基直流電流放大系數(shù)：??ICN??，??，?? 1??IE1???iC，??? ?iE8． 共基交流電流放大系數(shù)：?? 1.3.3 晶體管的共射特性曲線 一、輸入特性曲線（圖1.3.5）iB?f(uBE)u的能力有關(guān)。 二、輸出特性曲線（圖1.3.6）iC?f(uCE)IB?常數(shù)CE?常數(shù)，解釋曲線右移原因，與集電區(qū)收集電子 （解釋放大區(qū)曲線幾乎平行于橫軸的原因） 1． 截止區(qū)：發(fā)射結(jié)電壓小于開(kāi)啟電壓，集電結(jié)反偏，穿透電流硅1uA，鍺幾十uA； 2． 放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，iB和iC成比例； 3． 飽和區(qū)：雙結(jié)正偏，iB和iC不成比例，臨界飽和或臨界放大狀態(tài)（uCB?0）。 1.3.4 晶體管的主要參數(shù) 一、直流參數(shù) 1． 共射直流電流系數(shù)? 2． 共基直流電流放大系數(shù)? 3． 極間反向電流ICBO 二、交流參數(shù) 1． 共射交流電流放大系數(shù)? 2． 共基交流電流放大系數(shù)? 3． 特征頻率fT：使?下降到1的信號(hào)頻率。 三、極限參數(shù)（圖1.3.7） 1． 最大集電極耗散功率PCM； 2． 最大集電極電流ICM：使?明顯減小的集電極電流值； 3． 極間反向擊穿電壓：晶體管的某一電極開(kāi)路時(shí)，另外兩個(gè)電極間所允許加的最高反向電壓，UCBO幾十伏到上千伏、UCEO、UEBO幾伏以下。 UCBO?UCEX?UCES?UCER?UCEO 1.3.5 溫度對(duì)晶體管特性及參數(shù)的影響 一、溫度對(duì)ICBO影響：每升高10度，電流增加一倍，硅管的ICBO要小一些。 二、溫度對(duì)輸入特性的影響：（圖1.3.8）與二極管伏安特性相似。溫度升高時(shí)，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移，室溫時(shí)，每升高1度，發(fā)射結(jié)正向壓降減小2～2.5mV。 三、溫度對(duì)輸出特性的影響：（圖1.3.9）溫度升高?變大。 四、兩個(gè)例題 1.3.6 光電三極管 一、構(gòu)造：（圖1.3.10） 二、光電三極管的輸出特性曲線與普通三極管類(lèi)似（圖1.3.11） 三、暗電流：ICEO無(wú)光照時(shí)的集電極電流，比光電二極管的大，且每上升25度，電流上升10倍； 四、光電流：有光照時(shí)的集電極電流。 1.4 場(chǎng)效應(yīng)管 1.4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 1.4.2 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管 一、N溝道增強(qiáng)型MOS管（圖1.4.7） 1． 結(jié)構(gòu)：襯底低摻雜P，擴(kuò)散高摻雜N區(qū)，金屬鋁作為柵極； 2． 工作原理： (1)柵源不加電壓，不會(huì)有電流； (2)（圖1.4.8）uDS?0且uGS?0時(shí)，柵極電流為零，形成耗盡層；加大電壓，形成反型層（導(dǎo)電溝道）；開(kāi)啟電壓UGS(th)； (3)（圖1.4.9）uGS?UGS(th)為一定值時(shí)，加大uDS，iD線性增大；但uDS的壓降均勻地降落在溝道上，使得溝道沿源－漏方向逐漸變窄；當(dāng)uGD＝UGS(th)時(shí)，為預(yù)夾斷；之后，uDS增大的部分幾乎全部用于克服夾斷區(qū)對(duì)漏極電流的阻力，此時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的uGS就有不同的iD，從而可以將iD看為電壓uGSiD出現(xiàn)恒流?？刂频碾娏髟础?/p> 3． 特性曲線與電流方程：(1)特性曲線：（圖1.4.10）轉(zhuǎn)移特性、輸出特性； ?u?(2)電流方程：iD?IDO?GS?1? ?U??GS(th)? 二、N溝道耗盡型MOS管（圖1.4.10） 1． 結(jié)構(gòu)：絕緣層加入大量的正離子，直接形成反型層； 2． 符號(hào) 三、P溝道MOS管：漏源之間加負(fù)壓 四、VMOS管 21.4.3 場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù) 一、直流參數(shù) 1． 開(kāi)啟電壓UGS(th)：是UDS一定時(shí)，使iD大于零所需的最小UGS值； 2． 夾斷電壓UGS(off)：是UDS一定時(shí)，使iD為規(guī)定的微小電流時(shí)的uGS； 3． 飽和漏極電流IDSS：對(duì)于耗盡型管，在UGS＝0情況下，產(chǎn)生預(yù)夾斷時(shí)的漏極電流； 4． 直流輸入電阻RGS(DC)：柵源電壓與柵極電流之比，MOS管大于10?。 二、交流參數(shù) 1． 低頻跨導(dǎo)：gm?9?iD?uGS UDS?常數(shù)2． 極間電容：柵源電容Cgs、柵漏電容Cgd、1～3pF，漏源電容Cds0.1～1pF 三、極限參數(shù) 1． 最大漏極電流IDM：管子正常工作時(shí)，漏極電流的上限值； 2． 擊穿電壓：漏源擊穿電壓U(BR)DS，柵源擊穿電壓U(BR)GS。3． 最大耗散功率PDM： 4． 安全注意：柵源電容很小，容易產(chǎn)生高壓，避免柵極空懸、保證柵源之間的直流通路。 四、例 1.4.4 場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較 一、場(chǎng)效應(yīng)管為電壓控制、輸入電阻高、基本不需要輸入電流，晶體管電流控制、需要信號(hào)源提供一定的電流； 二、場(chǎng)效應(yīng)管只有多子參與導(dǎo)電、穩(wěn)定性好，晶體管因?yàn)橛猩僮訁⑴c導(dǎo)電，受溫度、輻射等因素影響大； 三、場(chǎng)效應(yīng)管噪聲系數(shù)很??； 四、場(chǎng)效應(yīng)管漏極、源極可以互換，而晶體管很少這樣； 五、場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管種類(lèi)多，靈活性高； 六、場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用更多。 1.5 單結(jié)晶體管和晶閘管 1.6 集成電路中的元件 尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)、各位老師下午好，我今天說(shuō)課的題目是：平衡PN結(jié) 一、分析教材 首先我對(duì)本節(jié)的教材內(nèi)容進(jìn)行分析： 《半導(dǎo)體器件物理》是應(yīng)用物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)方向課程。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠結(jié)合各種半導(dǎo)體的物理效應(yīng)掌握常用和特殊半導(dǎo)體器件的工作原理，從物理角度深入了解各種半導(dǎo)體器件的基本規(guī)律。PN結(jié)是構(gòu)成各類(lèi)半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，如雙極型晶體管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管、可控硅等，都是由PN結(jié)構(gòu)成的。PN結(jié)的性質(zhì)集中反映了半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的特點(diǎn)，如存在兩種載流子、載流子有漂移運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)、產(chǎn)生與復(fù)合三種基本運(yùn)動(dòng)形式等。獲得在本課程領(lǐng)域內(nèi)分析和處理一些最基本問(wèn)題的初步能力，為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)和獨(dú)立解決實(shí)際工作中的有關(guān)問(wèn)題奠定一定的基礎(chǔ)。 根據(jù)以上分析，結(jié)合本節(jié)教學(xué)要求，再聯(lián)系學(xué)生實(shí)際，我確立了以下教學(xué)目標(biāo)： 1、知識(shí)目標(biāo) (1)了解PN結(jié)的結(jié)構(gòu)、制備方法； (2)掌握平衡PN結(jié)的空間電荷區(qū)和能帶圖； (3)掌握平衡PN結(jié)的載流子濃度分布。 2、能力目標(biāo) (1)通過(guò)典型圖例，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察和認(rèn)識(shí)PN結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的觀察現(xiàn)象、分析問(wèn)題以及理論聯(lián)系實(shí)際的能力； (2)指導(dǎo)學(xué)生自己分析，借助教材和圖例，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究問(wèn)題的習(xí)慣； 3、情感目標(biāo) (1)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件物理的興趣，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)熱愛(ài)的激情； (2)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。 考慮到一方面學(xué)生的文化基礎(chǔ)比較薄弱，綜合解決問(wèn)題的能力有待提高，另一方面，對(duì)于高職類(lèi)學(xué)校的學(xué)生而言，要求有較強(qiáng)的動(dòng)手能力，我把教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)設(shè)置如下： 1、教學(xué)重點(diǎn) 平衡p–n結(jié)空間電荷區(qū)的形成；平衡p–n結(jié)的能帶圖 2、教學(xué)難點(diǎn) 平衡p–n結(jié)中載流子的分布 二、說(shuō)教法 興趣是推動(dòng)學(xué)生求知欲的強(qiáng)大動(dòng)力，在教學(xué)中把握學(xué)生好奇心的特點(diǎn)至關(guān)重要。另一方面，在教學(xué)課堂中，不僅要求傳授書(shū)本的理論知識(shí)，更要注重培養(yǎng)學(xué)生的思維判斷能力、依據(jù)理論解決實(shí)際問(wèn)題的能力以及自學(xué)探索的能力。據(jù)此，我準(zhǔn)備以演示法和引導(dǎo)式教學(xué)為主，遵循學(xué)生為學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的原則，通過(guò)講授理論知識(shí)，使學(xué)生獲得必要的感性認(rèn)識(shí)，讓疑問(wèn)激起他們的學(xué)習(xí)研究興趣，然后再引導(dǎo)學(xué)生掌握必要的基礎(chǔ)知識(shí)，最后在開(kāi)放的課堂上提供學(xué)生進(jìn)一步研究的機(jī)會(huì)，滿足他們的好奇心，開(kāi)發(fā)他們的創(chuàng)新潛力。 三、說(shuō)學(xué)法 學(xué)生是教學(xué)活動(dòng)的主體，教學(xué)活動(dòng)中要注意學(xué)生學(xué)法的指導(dǎo)，使學(xué)生從“學(xué)會(huì)”轉(zhuǎn)化為“會(huì)學(xué)”。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，本節(jié)采用觀察、分析的學(xué)習(xí)方法，在做好演示圖例的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生合作討論，進(jìn)而獲取知識(shí)。 另外，在教學(xué)過(guò)程中，我還會(huì)鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用探究性的學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)、探究、解決問(wèn)題的能力。 四、說(shuō)教學(xué)過(guò)程 為了完成教學(xué)目標(biāo)，解決教學(xué)重點(diǎn)，突破教學(xué)難點(diǎn)，課堂教學(xué)我準(zhǔn)備按以下幾個(gè)環(huán)節(jié)展開(kāi)： 1、新課導(dǎo)入 通過(guò)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，分析了P型和N型半導(dǎo)體中的載流子濃度分布和運(yùn)動(dòng)情況，如果將P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在二者的交界處就形成了PN結(jié)。首先學(xué)習(xí)PN結(jié)。引出問(wèn)題：什么是PN結(jié)？ 設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)問(wèn)題的提出，引導(dǎo)學(xué)生形成對(duì)所學(xué)事物的輪廓，豐富他們的感性認(rèn)識(shí)，吸引學(xué)生的注意力和好奇心。 2、講解新課 通過(guò)講解在本征半導(dǎo)體中參入不同雜質(zhì)，引出半導(dǎo)體的一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)：PN結(jié)。 (1)講解PN結(jié) 用圖示演示PN結(jié)的基本結(jié)構(gòu)，兩種不同類(lèi)型的半導(dǎo)體：P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。為了加深學(xué)生的理解，可以采用情景教學(xué)的方式，讓學(xué)生在輕松有趣的互動(dòng)游戲中掌握枯燥的概念。 (2)平衡PN結(jié)的空間電荷區(qū)和能帶圖 通過(guò)圖例展示，教師講解平衡PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成和能帶圖，然后讓學(xué)生復(fù)述，傾聽(tīng)學(xué)生自己的理解，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析，講解各名詞的概念：擴(kuò)散、漂移、空間電荷區(qū)、自建電場(chǎng)、勢(shì)壘、勢(shì)壘區(qū)。 (3)平衡PN結(jié)的接觸電勢(shì)差 由此，也進(jìn)一步引出N區(qū)和P區(qū)之間存在電勢(shì)差，稱(chēng)為PN結(jié)的接觸電勢(shì)差。給出n區(qū)電子濃度、p區(qū)空穴濃度的公式，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)接觸電勢(shì)差。 (4)平衡PN結(jié)的載流子濃度分布 通過(guò)圖示回顧上課過(guò)程中提到的空間電荷區(qū)、自建電場(chǎng)、擴(kuò)散、漂移、載流子的耗盡等概念，總結(jié)平衡PN結(jié)的載流子濃度分布并給出示意圖。 3、歸納總結(jié)，布置作業(yè) 設(shè)計(jì)問(wèn)題，由學(xué)生回答問(wèn)題,通過(guò)設(shè)問(wèn)回答補(bǔ)充的方式小結(jié)，學(xué)生自主回答三個(gè)問(wèn)題，教師關(guān)注全體學(xué)生對(duì)本節(jié)課知識(shí)的掌握程度，學(xué)生是否愿意表達(dá)自己的觀點(diǎn)。 (1)什么是PN結(jié)？ (2)PN結(jié)的制備方法有哪些？ (3)平衡PN結(jié)的空間電荷區(qū)是如何形成的？ (4)平衡PN結(jié)的能帶圖中費(fèi)米能級(jí)的作用？ (5)平衡PN結(jié)接觸電勢(shì)差的推導(dǎo)過(guò)程？ 設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)提問(wèn)方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小結(jié)，養(yǎng)成學(xué)習(xí)——總結(jié)——再學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣，發(fā)揮自我評(píng)價(jià)作用，同時(shí)可培養(yǎng)學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力。作業(yè)分層要求，做到面向全體學(xué)生，給基礎(chǔ)好的學(xué)生充分的空間，滿足他們的求知欲。 五、板書(shū)設(shè)計(jì) 采用三欄式 以上，我從教材、教法、學(xué)法、教學(xué)過(guò)程和板書(shū)設(shè)計(jì)五個(gè)方面對(duì)本課進(jìn)行了說(shuō)明，我的說(shuō)課到此結(jié)束，謝謝各位評(píng)委老師。 《模擬電子技術(shù)》電子教案 授 課 教 案 課程： 模擬電子技術(shù) 任課教師： 教研室主任： 課號(hào)： 課題： 電子線路課程介紹及半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 教學(xué)目的：了解本課程的特點(diǎn) 掌握半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性和原理 掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p> 教學(xué)內(nèi)容：本征半導(dǎo)體；雜質(zhì)半導(dǎo)體；PN結(jié) 教學(xué)重點(diǎn)：P型、N型半導(dǎo)體的特點(diǎn)；PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。教學(xué)難點(diǎn)：PN結(jié)的伏安特性；PN結(jié)的電容效應(yīng)。教學(xué)時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí) 課前提問(wèn)及復(fù)習(xí)：物質(zhì)導(dǎo)電性的決定因素？ 新課導(dǎo)入：半導(dǎo)體定義 特點(diǎn):導(dǎo)電能力可控（受控于光、熱、雜質(zhì)等）典型半導(dǎo)體材料:硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等 新課介紹： 緒 論 1、電子技術(shù)： 無(wú)確切定義。因?yàn)榻陙?lái)它發(fā)展迅猛，分支龐雜。有種說(shuō)法為“凡是研究含有電子器件的電路、系統(tǒng)及應(yīng)用的學(xué)科”。 2、發(fā)展歷程： 以電子器件的更新?lián)Q代為標(biāo)志！ 電子學(xué)近百年發(fā)展史上三個(gè)重要里程碑： A、1904年電子管發(fā)明（真正進(jìn)入電子時(shí)代）B、1948年晶體管問(wèn)世 C、60年代集成電路出現(xiàn)(SSI、MSI、LSI、VLSI) 3、若干蓬勃發(fā)展的研究方向 A、納米電子學(xué)：納米空間電子所表現(xiàn)出來(lái)的特性（波動(dòng)性）和功能 B、生物電子學(xué)：生物芯片，計(jì)算機(jī) C、單芯片系統(tǒng)：微型衛(wèi)星和納米衛(wèi)星應(yīng)用，一片單芯片系統(tǒng)＝一顆衛(wèi)星 世界經(jīng)濟(jì)興衰波動(dòng)遵循“周期理論”，周期約為 60年。電子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程周期約 40年： 1905～1947（42年）：電子管－晶體管 1947～1987（40年）：晶體管－集成電路 1987～2027（40年），預(yù)計(jì)納米電子學(xué)將在21世紀(jì)上葉形成規(guī)模 4、模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)比較表 第1章 第1頁(yè) 共10頁(yè) 《模擬電子技術(shù)》電子教案 項(xiàng)目 模擬信號(hào)(Analog)數(shù)字信號(hào)(Digital)特點(diǎn) 波形 數(shù)學(xué) 電平數(shù) 典型 發(fā)展 連續(xù) 十進(jìn)制 無(wú)窮多個(gè) 溫度、壓力等 早、慢 離散 二進(jìn)制 有限個(gè) 數(shù)字系統(tǒng)的信號(hào) 晚、快 5、課程特點(diǎn) 規(guī)律性：基本電子電路的組成具有規(guī)律性； 非線性：半導(dǎo)體器件具有非線性； 工程性：即近似性，抓主要矛盾； 實(shí)踐性：實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)。 第一章 半導(dǎo)體器件 1.1 半導(dǎo)體 1.1.1 本征(intrinsic)半導(dǎo)體 1、定義： 純凈無(wú)摻雜的半導(dǎo)體。 2、本征半導(dǎo)體的載流子： 本征半導(dǎo)體有兩種載流子，即自由電子和空穴均參與導(dǎo)電。 并且自由電子與空穴是成對(duì)產(chǎn)生的，因此在本征半導(dǎo)體中這兩種載流子的濃度的相等的。其載流子濃度取決于激發(fā)程度。 3、本征半導(dǎo)體缺點(diǎn)：（1）、電子濃度=空穴濃度； （2）、載流子少，導(dǎo)電性差，溫度穩(wěn)定性差。1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體 1、N型半導(dǎo)體： 在本征半導(dǎo)體中摻入+5價(jià)的施主雜質(zhì)，如磷等，得到多子為自由電子的雜質(zhì)半導(dǎo)體，稱(chēng)為N型半導(dǎo)體。 其多子數(shù)量大多數(shù)取決于摻雜程度，少子數(shù)量取決于激發(fā)程度。 2、P型半導(dǎo)體： 在本征半導(dǎo)體中摻入+3價(jià)的受主雜質(zhì)，如銦等，得到多子為空穴的雜質(zhì)半導(dǎo)體，稱(chēng)為P型 第1章 第2頁(yè) 共10頁(yè) 《模擬電子技術(shù)》電子教案 半導(dǎo)體。其多子數(shù)量大多數(shù)取決于摻雜程度，少子數(shù)量取決于激發(fā)程度。 1.1.3 PN結(jié) 1、PN結(jié)的形成： 兩種載流子的兩種運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)形成PN結(jié)。 兩種運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散（濃度差）、漂移（自建電場(chǎng)力），當(dāng)多子擴(kuò)散和少子漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成PN結(jié)。 PN結(jié)又稱(chēng)空間電荷區(qū)、耗盡層、內(nèi)電場(chǎng)。 2、單向?qū)щ娦裕?/p> PN結(jié)正偏時(shí)導(dǎo)通（大電流），PN結(jié)反偏時(shí)截止（小電流）。 3、PN結(jié)的伏安特性： 分為正向特性、反向特性及擊穿特性。 4、PN結(jié)的電容效應(yīng)： 表現(xiàn)為：勢(shì)壘電容CB（barrier）、擴(kuò)散電容CD（diffusion）。 課堂小結(jié)： 本征半導(dǎo)體的材料構(gòu)成、特點(diǎn) 雜質(zhì)半導(dǎo)體的材料構(gòu)成、特點(diǎn)，與本征半導(dǎo)體的區(qū)別 PN結(jié)的構(gòu)成及伏安特性，單向?qū)щ娦?/p> 作業(yè)布置： 思考題：PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?/p> 第1章 第3頁(yè) 共10頁(yè) 《模擬電子技術(shù)》電子教案 授 課 教 案 課程： 模擬電子技術(shù) 任課教師： 教研室主任： 課號(hào)： 課題：半導(dǎo)體二極管 教學(xué)目的：掌握半導(dǎo)體二極管的幾種常見(jiàn)結(jié)構(gòu) 掌握半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)和單向?qū)щ娦?掌握穩(wěn)壓管的特性和主要參數(shù) 教學(xué)內(nèi)容：半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體二極管的伏安特性、主要參數(shù) 二極管的等效電路 穩(wěn)壓管的特性和主要參數(shù) 教學(xué)重點(diǎn)：二極管的單向?qū)щ娞匦?教學(xué)難點(diǎn)：二極管的靈活應(yīng)用 教學(xué)時(shí)數(shù)： 2學(xué)時(shí) 課前提問(wèn)及復(fù)習(xí)：PN結(jié)的形成 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?/p> 新課導(dǎo)入： 由PN結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu) 二極管的伏安特性 二極管的主要參數(shù)，等效電路 利用二極管反向擊穿特性制成穩(wěn)壓管 新課介紹： 1.2半導(dǎo)體二極管 將PN結(jié)加外殼和電極引線就構(gòu)成半導(dǎo)體二極管 1.2.1 結(jié)構(gòu)類(lèi)型和符號(hào) 類(lèi)型：點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面 1.2.2 伏安特性 一、二極管和PN結(jié)伏安特性的區(qū)別 與PN結(jié)相似，二極管具有單向?qū)щ娦裕海?）PN結(jié)外加正向電壓，二極管導(dǎo)通。（2）PN結(jié)外加反向電壓，二極管截止。 由于半導(dǎo)體體電阻和引線電阻的作用，與PN結(jié)比較，二極管外加正向電壓時(shí)，正向電流，偏小，外加反向電壓時(shí)，反向飽和電流偏大。 二極管經(jīng)常應(yīng)用于以下場(chǎng)合：（1）整流。（2）限幅。（3）邏輯（二極管邏輯）。1.2.3 主要參數(shù) 第1章 第4頁(yè) 共10頁(yè) 《模擬電子技術(shù)》電子教案 (1)IF——最大整流電流 (2)VBR——反向擊穿電壓 (3)IR（IS）—— 反向飽和電流 (4)rd ——?jiǎng)討B(tài)電阻 1.2.4二極管的等效電路 定義：能夠模擬二極管特性的電路稱(chēng)為二極管的等效電路。 一、由伏安特性折線化得到的等效電路 理想二極管：二極管導(dǎo)通時(shí)正向壓降為零，截止時(shí)反向電流為零。二、二極管的微變等效電路 1.2.5穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓管在反向擊穿時(shí)，在一定的電流范圍內(nèi)，端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性。 一、穩(wěn)壓管的伏安特性 應(yīng)用在反向擊穿區(qū)（雪崩擊穿和齊納擊穿） 二、穩(wěn)壓管的主要參數(shù) （1）、穩(wěn)定電壓UZ （2）、穩(wěn)定電流IZ IZmin ~IZmax、額定功耗 （3） PZM、動(dòng)態(tài)電阻rZ （4）（5）、溫度系數(shù) 穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)應(yīng)反接，并串入一只電阻。 電阻的作用： 限流保護(hù) 誤差調(diào)節(jié) 1.2.6 特殊二極管 一、發(fā)光二極管 二、光電二極管 課堂小結(jié)：半導(dǎo)體二極管的伏安特性 半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù) 二極管的等效電路 穩(wěn)壓管的特性和主要參數(shù) 思考問(wèn)題： 如何用萬(wàn)用表判斷二極管的好與壞、測(cè)試二極管的P、N極？ 作業(yè)布置： 1.4 1.5 1.9 第1章 第5頁(yè) 共10頁(yè) 《模擬電子技術(shù)》電子教案 授 課 教 案 課程： 模擬電子技術(shù) 任課教師： 教研室主任： 課號(hào)： 課題：雙極型晶體管 教學(xué)目的：掌握常用晶體管的基本工作原理 掌握晶體管的特性、主要參數(shù) 能夠合理選擇，正確使用晶體管。 教學(xué)內(nèi)容：晶體管的結(jié)構(gòu)及類(lèi)型 晶體管的電流放大作用、電流放大系數(shù) 晶體管的共射特性曲線 晶體管的主要參數(shù) 溫度對(duì)晶體管特性及參數(shù)的影響 光電三極管 教學(xué)重點(diǎn)：三極管工作在放大區(qū)的條件和特點(diǎn) 教學(xué)難點(diǎn)：三極管工作區(qū)的判斷 教學(xué)時(shí)數(shù)： 2學(xué)時(shí) 課前提問(wèn)及復(fù)習(xí)：PN結(jié)的形成 PN結(jié)所具有的單向?qū)щ娦?穩(wěn)壓二極管 新課導(dǎo)入：半導(dǎo)體三極管工作原理 半導(dǎo)體三極管的特性曲線 新課介紹： 1.3 半導(dǎo)體三極管 1.3.1 晶體管的結(jié)構(gòu)與類(lèi)型： 在同一個(gè)硅片上制造出三個(gè)摻雜區(qū)域，并形成兩個(gè)PN結(jié)，構(gòu)成晶體管。 這三個(gè)區(qū)域分別稱(chēng)基區(qū)、集電區(qū)、發(fā)射區(qū)。 對(duì)應(yīng)的電極分別為：基極b、集電極c、發(fā)射極e。 兩種類(lèi)型：NPN和PNP 1.3.2晶體管的電流放大(控制)作用 共射放大電路：發(fā)射極是輸入、輸出回路的公共端。 晶體管工作在放大狀態(tài)的外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，且集電結(jié)反向偏置。 一、晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng) 1、發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流IE。 2、擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成基極電流IB。 3、集電結(jié)加反向電壓，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流IC。 第1章 第6頁(yè) 共10頁(yè) 《模擬電子技術(shù)》電子教案 二、晶體管的電流分配關(guān)系 從外部看：IE = IC+ IB 三、晶體管的共射電流放大系數(shù) β：共射電流放大系數(shù)（支流放大系數(shù)和交流放大系數(shù)近似相等）IC=βIB 1.3.3 特性曲線 描述晶體管各電極之間電壓、電流的關(guān)系。 一、輸入特性曲線： 方程： iB=f(vBE)? vCE=const 與PN結(jié)的伏安特性相類(lèi)似，呈指數(shù)關(guān)系 二、輸出特性曲線： 方程： iC=f(vCE)? iB=const 有三個(gè)工作區(qū)域： 1、截止區(qū) 發(fā)射結(jié)電壓小于開(kāi)啟電壓UON且集電結(jié) 反向偏置。此時(shí)，可以認(rèn)為ic=0。 2、放大區(qū) 發(fā)射結(jié)正向偏置且集電結(jié)反向偏置。此時(shí) ic幾乎取決于IB，與uCE無(wú)關(guān)，表現(xiàn)出IB對(duì)ic的控制作用。 3、飽和區(qū) 發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均處于正向偏置，此時(shí)ic不僅與IB有關(guān)，而且明顯隨Uce增大而增大。對(duì)于小功率管，可以認(rèn)為當(dāng)Uce=Ube時(shí)，晶體管處于臨界飽和（臨界放大）狀態(tài)。1.3.4 晶體管的主要參數(shù) 一、直流參數(shù) 1、共射直流電流放大系數(shù) 2、共基直流電流放大系數(shù) 3、極間反向電流 二、交流參數(shù) 1、共射交流電流放大系數(shù) 2、共基交流電流放大系數(shù) 3、特征頻率 三、極限參數(shù) 1、最大集電極耗散功率PCM 2、最大集電極電流ICM 3、極間反向擊穿電壓 第1章 第7頁(yè) 共10頁(yè) 《模擬電子技術(shù)》電子教案 由PCM、ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定三區(qū)：過(guò)流區(qū)、過(guò)損區(qū)、過(guò)壓區(qū)。1.3.5 溫度對(duì)晶體管特性及參數(shù)的影響 一、溫度對(duì)ICBO的影響 溫度每升高10度，ICBO增加約一倍。 二、溫度對(duì)輸入特性的影響 溫度升高，iB增大。 三、溫度對(duì)輸出特性的影響 溫度升高，ICEO、β增大。1.3.6 光電三極管 光電三極管依據(jù)光照的強(qiáng)度來(lái)控制集電極電流的大小。 課堂小結(jié)：晶體管的結(jié)構(gòu)及類(lèi)型 晶體管的電流放大系數(shù) 晶體管的共射特性曲線 晶體管的主要參數(shù) 溫度對(duì)晶體管特性及參數(shù)的影響 思考題：如何用萬(wàn)用表判斷三極管的三個(gè)管腳及好壞？ 作業(yè)布置：1.16 1.17 1.18 第1章 第8頁(yè) 共10頁(yè) 《模擬電子技術(shù)》電子教案 授 課 教 案 課程： 模擬電子技術(shù) 任課教師： 教研室主任： 課號(hào)： ４ 課題： 場(chǎng)效應(yīng)管 教學(xué)目的：熟練掌握結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的構(gòu)造原理和特性參數(shù) 教學(xué)內(nèi)容：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的形成原理和特性參數(shù) 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的構(gòu)造原理和特性參數(shù) 教學(xué)重點(diǎn)：場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理 教學(xué)難點(diǎn)：場(chǎng)效應(yīng)管的恒流區(qū)工伯原理 教學(xué)時(shí)數(shù)： 2學(xué)時(shí) 課前提問(wèn)及復(fù)習(xí)：半導(dǎo)體三極管的工作原理 半導(dǎo)體三極管的特性曲線 新課導(dǎo)入：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的構(gòu)造原理和特性參數(shù) 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的構(gòu)造原理及應(yīng)用場(chǎng)合 新課介紹： 概念：場(chǎng)效應(yīng)管是利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件。按結(jié)構(gòu)分有兩類(lèi)：結(jié)型、絕緣柵型 1.4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 柵極g 漏極d 源極s 導(dǎo)電溝道 一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理 1、當(dāng)uDS=0時(shí)，uGS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用。 2、當(dāng)uDS為UGS（off）~0中某一固定值時(shí)，uDS對(duì)漏極電流iD的影響。 3、當(dāng)uGD〈UGS（off）時(shí)，uGS對(duì)iD的控制作用。低頻跨導(dǎo)gm 二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線 1、輸出特性曲線 場(chǎng)效應(yīng)管有三個(gè)工作區(qū)域： 可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、夾斷區(qū) 2、轉(zhuǎn)移特性 1.4.2 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管 特點(diǎn)： 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與源極、柵極與漏極之間均采用SiO2絕緣層隔離。 具有四種類(lèi)型：N溝道增強(qiáng)型管、N溝道耗盡型管、P溝道增強(qiáng)型管、P溝道耗盡型管。 第1章 第9頁(yè) 共10頁(yè) 《模擬電子技術(shù)》電子教案 一、N溝道增強(qiáng)型管 1、工作原理 開(kāi)啟電壓UGS（th） 2、特性曲線與電流方程 二、N溝道耗盡型管 在SiO2絕緣層中摻入大量正離子，便可得到耗盡型管。 其符號(hào)如圖所示： Ｐ４３頁(yè)所示場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)及特性 1.4.３ 場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù) 一、直流參數(shù) 開(kāi)啟電壓UGS（th）、夾斷電壓UGS（off）、飽和漏極電流ＩＤＳＳ、直流輸入電阻ＲＧＳ（ＤＣ） 二、交流參數(shù) 低頻跨導(dǎo)gm、極間電容、三、極限參數(shù) 最大漏極電流ＩＤＭ、擊穿電壓、最大耗散功率ＰＤＭ 1.4.４ 場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較： 1、場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻高。 2、場(chǎng)效應(yīng)管的溫度穩(wěn)定性更好。 3、場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)小。 4、場(chǎng)效應(yīng)管的漏極和源極可以互換使用。 5、場(chǎng)效應(yīng)管的種類(lèi)更多。課堂小結(jié)： 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的構(gòu)造原理和特性參數(shù) 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的構(gòu)造原理和特性參數(shù) 作業(yè)布置：1.23 第1章 第10頁(yè) 共10頁(yè) 《半導(dǎo)體器件物理》教學(xué)大綱 （2006版） 課程編碼：07151022 學(xué)時(shí)數(shù)：56 一、課程性質(zhì)、目的和要求 半導(dǎo)體器件物理課是微電子學(xué)，半導(dǎo)體光電子學(xué)和電子科學(xué)與技術(shù)等專(zhuān)業(yè)本科生必修的主干專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。它的前修課程是固體物理學(xué)和半導(dǎo)體物理學(xué)，后續(xù)課程是半導(dǎo)體集成電路等專(zhuān)業(yè)課，是國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科微電子學(xué)與固體電子學(xué)碩士研究生入學(xué)考試專(zhuān)業(yè)課。本課程的教學(xué)目的和要求是使學(xué)生掌握半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)、物理原理和特性，熟悉半導(dǎo)體器件的主要工藝技術(shù)及其對(duì)器件性能的影響，了解現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的發(fā)展過(guò)程和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)典型的新器件和新的工藝技術(shù)有所了解，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)課打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 二、教學(xué)內(nèi)容、要點(diǎn)和課時(shí)安排 第一章 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)（復(fù)習(xí)）（2學(xué)時(shí)） 第二節(jié) 載流子的統(tǒng)計(jì)分布 一、能帶中的電子和空穴濃度 二、本征半導(dǎo)體 三、只有一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體 四、雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體 第三節(jié) 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 一、載流子濃度 二、發(fā)生簡(jiǎn)并化的條件 第四節(jié) 載流子的散射 一、格波與聲子 二、載流子散射 三、平均自由時(shí)間與弛豫時(shí)間 四、散射機(jī)構(gòu) 第五節(jié) 載流子的輸運(yùn) 一、漂移運(yùn)動(dòng) 遷移率 電導(dǎo)率 二、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散電流 三、流密度和電流密度 四、非均勻半導(dǎo)體中的自建場(chǎng) 第六節(jié) 非平衡載流子 一、非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合 二、準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)和修正歐姆定律 三、復(fù)合機(jī)制 四、半導(dǎo)體中的基本控制方程：連續(xù)性方程和泊松方程 第二章 PN結(jié)（12學(xué)時(shí)）第一節(jié) 熱平衡PN結(jié) 一、PN結(jié)的概念：同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)、同型結(jié)、異型結(jié)、金屬－半導(dǎo)體結(jié) 突變結(jié)、緩變結(jié)、線性緩變結(jié) 二、硅PN結(jié)平面工藝流程（多媒體演示 圖2.1） 三、空間電荷區(qū)、內(nèi)建電場(chǎng)與電勢(shì) 四、采用費(fèi)米能級(jí)和載流子漂移與擴(kuò)散的觀點(diǎn)解釋PN結(jié)空間電荷區(qū)形成的過(guò)程 五、利用熱平衡時(shí)載流子濃度分布與自建電勢(shì)的關(guān)系求中性區(qū)電勢(shì) 及PN結(jié)空間電荷區(qū)兩側(cè)的內(nèi)建電勢(shì)差 六、解poisson’s Eq 求突變結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)分布、電勢(shì)分布、內(nèi)建電勢(shì)差和空間電荷區(qū)寬度（利用耗盡近似） 第二節(jié) 加偏壓的P?N結(jié) 一、畫(huà)出熱平衡和正、反偏壓下PN結(jié)的能帶圖，定性說(shuō)明PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p> 二、導(dǎo)出空間電荷區(qū)邊界處少子的邊界條件，解釋PN結(jié)的正向注入和反向抽取現(xiàn)象 第三節(jié) 理想P?N結(jié)的直流電流-電壓特性 一、解擴(kuò)散方程導(dǎo)出理想PN結(jié)穩(wěn)態(tài)少子分布表達(dá)式，電流分布表達(dá)式，電流－電壓關(guān)系 二、說(shuō)明理想PN結(jié)中反向電流產(chǎn)生的機(jī)制（擴(kuò)散區(qū)內(nèi)熱產(chǎn)生載流子電流） 第四節(jié) 空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流 一、復(fù)合電流 二、產(chǎn)生電流 第五節(jié) 隧道電流 一、隧道電流產(chǎn)生的條件 二、隧道二極管的基本性質(zhì)（多媒體演示 Fig2.12） 第六節(jié) I?V特性的溫度依賴(lài)關(guān)系 一、反向飽和電流和溫度的關(guān)系 二、I?V特性的溫度依賴(lài)關(guān)系 第七節(jié)耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管 一、PN結(jié)C-V特性 二、過(guò)渡電容的概念及相關(guān)公式推導(dǎo) 求雜質(zhì)分布的程序（多媒體演示 Fig2.19） 三、變?nèi)荻O管 第八節(jié) 小訊號(hào)交流分析 一、交流小信號(hào)條件下求解連續(xù)性方程，導(dǎo)出少子分布，電流分布和總電流公式 二、擴(kuò)散電容與交流導(dǎo)納 三、交流小信號(hào)等效電路 第九節(jié) 電荷貯存和反響瞬變 一、反向瞬變及電荷貯存效應(yīng) 二、利用電荷控制方程求解?s 三、階躍恢復(fù)二極管基本理論 第十節(jié) P-Ｎ結(jié)擊穿 一、PN結(jié)擊穿 二、兩種擊穿機(jī)制，PN結(jié)雪崩擊穿基本理論的推導(dǎo) 三、計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算例題2－3及相關(guān)習(xí)題 第三章 雙極結(jié)型晶體管（10學(xué)時(shí)）第一節(jié)雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu) 一、了解晶體管發(fā)展的歷史過(guò)程 二、BJT的基本結(jié)構(gòu)和工藝過(guò)程（多媒體 圖3.1）概述 第二節(jié) 基本工作原理 一、理想BJT的基本工作原理 二、四種工作模式 三、放大作用（多媒體Fig3.6） 四、電流分量（多媒體Fig3.7） 五、電流增益（多媒體Fig3.8 3.9） 第三節(jié) 理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸 一、理想BJT中的電流傳輸：解擴(kuò)散方程求各區(qū)少子分布和電流分布 二、正向有源模式 三、電流增益～集電極電流關(guān)系 第四節(jié) 愛(ài)拜耳斯-莫爾（Ebers?Moll）方程 一、四種工作模式下少子濃度邊界條件及少子分布 二、E-M模型等效電路 三、E-M方程推導(dǎo) 第五節(jié) 緩變基區(qū)晶體管 一、基區(qū)雜質(zhì)濃度梯度引起的內(nèi)建電場(chǎng)及對(duì)載流子的漂移作用 二、少子濃度推導(dǎo) 三、電流推導(dǎo) 四、基區(qū)輸運(yùn)因子推導(dǎo) 第六節(jié) 基區(qū)擴(kuò)展電阻和電流集聚 一、基區(qū)擴(kuò)展電阻 二、電流集聚效應(yīng) 第七節(jié) 基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng) 一、基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)（EARLY效應(yīng)） 二、hFE和ICE0的改變 第八節(jié) 晶體管的頻率響應(yīng) 一、基本概念：小信號(hào)共基極與共射極電流增益（?，hfe），共基極截止頻率和共射極截止頻率（Wɑ ,W?）,增益－頻率帶寬或稱(chēng)為特征頻率（WT），二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推導(dǎo) 三、影響截止頻率的四個(gè)主要因素：τB、τE、τC、τD及相關(guān)推導(dǎo) 四、Kirk效應(yīng) 第九節(jié) 混接?型等效電路 一、參數(shù)：gm、gbe、CD 的推導(dǎo) 二、等效電路圖（圖3－23） 三、證明公式（3－85）、（3－86） 第十節(jié) 晶體管的開(kāi)關(guān)特性 一、開(kāi)關(guān)作用 二、影響開(kāi)關(guān)時(shí)間的四個(gè)主要因素：td、tr、tf、ts 三、解電荷控制方程求貯存時(shí)間ts 第十一節(jié) 擊穿電壓 一、兩種擊穿機(jī)制 二、計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算：習(xí)題 閱讀 §3.12、§3.13、§3.14 第四章 金屬—半導(dǎo)體結(jié)（4學(xué)時(shí)）第一節(jié)肖特基勢(shì)壘 一、肖特基勢(shì)壘的形成 二、加偏壓的肖特基勢(shì)壘 三、M－S結(jié)構(gòu)的C-V特性及其應(yīng)用 第二節(jié) 界面態(tài)對(duì)勢(shì)壘高度的影響 一、界面態(tài) 二、被界面態(tài)鉗制的費(fèi)米能級(jí) 第三節(jié) 鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響 一、鏡像力 二、肖特基勢(shì)壘高度降低 第四節(jié)肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性 一、熱電子發(fā)射 二、理查德-杜師曼方程 第五節(jié) 肖特基勢(shì)壘二極管的結(jié)構(gòu) 一、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu) 二、金屬搭接結(jié)構(gòu) 三、保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu) 第六節(jié) 金屬-絕緣體-半導(dǎo)體肖特基勢(shì)壘二極管 一、基本結(jié)構(gòu) 二、工作原理 第七節(jié) 肖特基勢(shì)壘二極管和PN結(jié)二極管之間的比較 一、開(kāi)啟電壓 二、反向電流 三、溫度特性 第八節(jié) 肖特基勢(shì)壘二極管的應(yīng)用 一、肖特基勢(shì)壘檢波器或混頻器 二、肖特基勢(shì)壘鉗位晶體管 第九節(jié) 歐姆接觸 一、歐姆接觸的定義和應(yīng)用 二、形成歐姆接觸的兩種方法 第五章 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（4學(xué)時(shí)）第一節(jié)JFET的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程 一、兩種N溝道JFET 二、工作原理 第二節(jié) 理想JFET的I-V特性 一、基本假設(shè) 二、夾斷電壓 三、I-V特性 第三節(jié) 靜態(tài)特性 一、線性區(qū) 二、飽和區(qū) 第四節(jié) 小信號(hào)參數(shù)和等效電路 一、參數(shù)：gl gml gm CG 二、JFET小信號(hào)等效電路圖 第五節(jié)JFET的截止頻率 一、輸入電流和輸出電流 二、截止頻率 第六節(jié) 夾斷后的JFET性能 一、溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng) 二、漏極電阻 第七節(jié) 金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 一、基本結(jié)構(gòu) 二、閾值電壓和夾斷電壓 三、I-V特性 第八節(jié) JFET和MESFET的類(lèi)型 一、N—溝增強(qiáng)型 N—溝耗盡型 二、P—溝增強(qiáng)型 P—溝耗盡型 閱讀 §5.8 §5.9 第六章 金屬-氧化物-場(chǎng)效應(yīng)晶體管（10學(xué)時(shí)）第一節(jié) 理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 一、MOSFET的基本結(jié)構(gòu)（多媒體演示Fig6-1） 二、半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)的形成 三、利用電磁場(chǎng)邊界條件導(dǎo)出電場(chǎng)與電荷的關(guān)系公式（6－1） 四、載流子的積累、耗盡和反型 五、載流子濃度表達(dá)式 六、三種情況下MOS結(jié)構(gòu)能帶圖 七、反型和強(qiáng)反型條件，MOSFET工作的物理基礎(chǔ) 第二節(jié) 理想MOS電容器 一、基本假設(shè) 二、C～V特性：積累區(qū)，平帶情況，耗盡區(qū)，反型區(qū) 三、溝道電導(dǎo)與閾值電壓：定義 公式（6－53）和（6－55）的推導(dǎo) 第三節(jié) 溝道電導(dǎo)與閾值電壓 一、定義 二、公式（6－53）和（6－55）的推導(dǎo) 第四節(jié) 實(shí)際MOS的電容—電壓特性 一、M-S功函數(shù)差引起的能帶彎曲以及相應(yīng)的平帶電壓，考慮到M-S功函數(shù)差，MOS結(jié)構(gòu)的能帶圖的畫(huà)法 二、平帶電壓的概念 三、界面電荷與氧化層內(nèi)電荷引起的能帶彎曲以及相應(yīng)的平帶電壓四、四種電荷以及特性平帶電壓的計(jì)算 五、實(shí)際MOS的閾值電壓和C～V曲線 第五節(jié) MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管 一、基本結(jié)構(gòu)和工作原理 二、靜態(tài)特性 第六節(jié) 等效電路和頻率響應(yīng) 一、參數(shù)：gd gm rd 二、等效電路 三、截止頻率 第七節(jié) 亞閾值區(qū) 一、亞閾值概念 二、MOSFET的亞閾值概念 第九節(jié) MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的類(lèi)型 一、N—溝增強(qiáng)型 N—溝耗盡型 二、P—溝增強(qiáng)型 P—溝耗盡型 第十節(jié) 器件尺寸比例 MOSFET制造工藝 一、P溝道工藝 二、N溝道工藝 三、硅柵工藝 四、離子注入工藝 第七章 太陽(yáng)電池和光電二極管（6學(xué)時(shí)）第一節(jié)半導(dǎo)體中光吸收 一、兩種光吸收過(guò)程 二、吸收系數(shù) 三、吸收限 第二節(jié) PN結(jié)的光生伏打效應(yīng) 一、利用能帶分析光電轉(zhuǎn)換的物理過(guò)程（多媒體演示） 二、光生電動(dòng)勢(shì)，開(kāi)路電壓，短路電流，光生電流（光電流） 第三節(jié) 太陽(yáng)電池的I-V特性 一、理想太陽(yáng)電池的等效電路 二、根據(jù)等效電路寫(xiě)出I-V公式，I-V曲線圖（比較：根據(jù)電流分量寫(xiě)出I-V公式） 三、實(shí)際太陽(yáng)能電池的等效電路 四、根據(jù)實(shí)際電池的等效電路寫(xiě)出I-V公式 五、RS對(duì)I-V特性的影響 第四節(jié) 太陽(yáng)電池的效率 一、計(jì)算 Vmp Imp Pm 二、效率的概念??FFVOCIL?100% Pin第五節(jié) 光產(chǎn)生電流和收集效率 一、“P在N上”結(jié)構(gòu)，光照，GL???Oe??x少子滿足的擴(kuò)散方程 二、例1－1，求少子分布，電流分布 三、計(jì)算光子收集效率：?col?JptJnG?O 討論：波長(zhǎng)長(zhǎng)短對(duì)吸收系數(shù)的影響 少子擴(kuò)散長(zhǎng)度和吸收系數(shù)對(duì)收集效率的影響 理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意義 第六節(jié) 提高太陽(yáng)能電池效率的考慮 一、光譜考慮(多媒體演示) 二、最大功率考慮 三、串聯(lián)電阻考慮 四、表面反射的影響 五、聚光作用 第七節(jié) 肖特基勢(shì)壘和MIS太陽(yáng)電池 一、基本結(jié)構(gòu)和能帶圖 二、工作原理和特點(diǎn) 閱讀 §7.8 第九節(jié) 光電二極管 一、基本工作原理 二、P-I-N光電二極管 三、雪崩光電二極管 四、金屬－半導(dǎo)體光電二極管 第十節(jié) 光電二極管的特性參數(shù) 一、量子效率和響應(yīng)度 二、響應(yīng)速度 三、噪聲特性、信噪比、噪聲等效功率（NEP） 四、探測(cè)率（D）、比探測(cè)率（D*）第八章 發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器（4學(xué)時(shí)）第一節(jié)輻射復(fù)合與非輻射復(fù)合 一、輻射復(fù)合：帶間輻射復(fù)合，淺施主和主帶之間的復(fù)合，施主－受主對(duì)（D-A 對(duì)）復(fù)合，深能級(jí)復(fù)合，激子復(fù)合，等電子陷阱復(fù)合 二、非輻射復(fù)合：多聲子躍遷，俄歇過(guò)程（多媒體演示），表面復(fù)合 第二節(jié) LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程 一、基本結(jié)構(gòu) 二、工作原理（能帶圖） 第三節(jié) LED的特性參數(shù) 一、I-V特性 二：量子效率：注射效率?、輻射效率?r、內(nèi)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徑，光學(xué)窗口 四、光譜分布，峰值半高寬 FWHM,峰值波長(zhǎng)，主波長(zhǎng)，亮度 第四節(jié) 可見(jiàn)光LED 一、GaP LED 二、GaAs1-xPx LED 三、GaN LED 第五節(jié) 紅外 LED 一、性能特點(diǎn) 二、應(yīng)用 光隔離器 閱讀§8.6 , §8.7 , §8.8 , §8.9 , §8.10(不做作業(yè)和考試要求)第九章 集成器件（閱讀，不做作業(yè)和考試要求）第十章 電荷轉(zhuǎn)移器件（4學(xué)時(shí)）第一節(jié) 電荷轉(zhuǎn)移 一、CCD基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程 二、電荷轉(zhuǎn)移 第二節(jié) 深耗盡狀態(tài)和表面勢(shì)阱 一、深耗盡狀態(tài)—非熱平衡狀態(tài) 二、公式（10-8）的導(dǎo)出 第三節(jié) MOS電容的瞬態(tài)特性 深耗盡狀態(tài)的能帶圖 一、熱弛豫時(shí)間 二、信號(hào)電荷的影響 第四節(jié) 信息電荷的輸運(yùn) 轉(zhuǎn)換效率 一、電荷轉(zhuǎn)移的三個(gè)因素 二、轉(zhuǎn)移效率、填充速率和排空率 第五節(jié) 電極排列和CCD制造工藝 一、三相CCD 二、二相CCD 第六節(jié) 體內(nèi)（埋入）溝道CCD 一、表面態(tài)對(duì)轉(zhuǎn)移損耗和噪聲特性的影響 二、體內(nèi)（埋入）溝道CCD的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 第七節(jié) 電荷的注入、檢測(cè)和再生 一、電注入與光注入 二、電荷檢測(cè) 電荷讀出法 三、電荷束的周期性再生或刷新 第八節(jié) 集成斗鏈器件 一、BBD的基本結(jié)構(gòu) 二、工作原理 三、性能 第九節(jié) 電荷耦合圖象器件 一、行圖象器 二、面圖象器 三、工作原理和應(yīng)用 三、教學(xué)方法 板書(shū)、講授、多媒體演示 四、成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方式 閉卷考試加平時(shí)作業(yè)、課堂討論 五、主要參考書(shū)目 1、孟慶巨、劉海波、孟慶輝編著 《半導(dǎo)體器件物理》，科學(xué)出版社，2005-6第二次印刷。 2、S M Sze.《半導(dǎo)體器件:物理和工藝》。王陽(yáng)元、嵇光大、盧文豪譯。北京：科學(xué)出版社，1992 3、S M Sze.《現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理》科學(xué)出版社 2001年6月第一次印刷 4、愛(ài)得華·S·揚(yáng) 《半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)》，盧紀(jì)譯。北京：人民教育出版社，1981 5、劉文明 《半導(dǎo)體物理學(xué)》長(zhǎng)春：吉林人民出版社，1982 6、孟憲章，康昌鶴.《半導(dǎo)體物理學(xué)》長(zhǎng)春：吉林大學(xué)出版社，1993 7、R A史密斯.《半導(dǎo)體》(第二版).高鼎三等譯。北京：科學(xué)出版社，1987 8、Casey H C,Panish Jr M B.Heterostructure lasers.Academic Press,1978 9、Donald A·Nermen著《半導(dǎo)體物理與器件》 趙毅強(qiáng)，姚淑英，謝曉東譯 電子工業(yè)出版社，2005年2月第一次印刷第二篇：常用半導(dǎo)體器件教案
第三篇：說(shuō)課稿-半導(dǎo)體器件
第四篇：《模擬電子技術(shù)》教案：半導(dǎo)體器件
第五篇：《半導(dǎo)體器件物理》教學(xué)大綱(精)
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