第1章 半导体器件.ppt

第 1 章 半导体器件第第1章章 半导体器件半导体器件 第第 1 节节 半导体基础半导体基础 第第 2 节节 半导体二极管半导体二极管 第第 3 节节 稳压二极管稳压二极管 第第 4 节节 晶体三极管晶体三极管 第第 5 节节 场效应管场效应管第1章 重点 PN结的形成及其单向导电性 二极管的伏安特性 三极管的工作原理与伏安特性 场效应管的工作原理、特性曲线第第1节节 半导体基础半导体基础一、一、半导体半导体导体：很容易导电的物质。如：金属等导体：很容易导电的物质。如：金属等绝缘体：几乎不导电的物质。如：橡皮、陶瓷、塑绝缘体：几乎不导电的物质。如：橡皮、陶瓷、塑料、石英等料、石英等半导体：半导体：导电特性处于导体与绝缘体之间的物质。导电特性处于导体与绝缘体之间的物质。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等当受外界热和光等作用时，它的导电能当受外界热和光等作用时，它的导电能力明显提高。力明显提高。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。现代电子学中，用的最多的半导体是现代电子学中，用的最多的半导体是硅硅和和锗锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi1.本征半导体本征半导体通过一定的工艺过程，可以将半导体通过一定的工艺过程，可以将半导体制成制成晶体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为称为本征半导体本征半导体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价电子。电子。硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除去价电子表示除去价电子后的原子后的原子Si硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为键中，称为束缚电子束缚电子，常温常温下束缚电子很难下束缚电子很难脱离共价键成为脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体，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中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4空穴吸引临近的电子空穴吸引临近的电子对中的电子来填补，对中的电子来填补，这样的现象，结果相这样的现象，结果相当于空穴的迁移，而当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可电荷的移动，因此可以认为：空穴也是载以认为：空穴也是载流子。流子。载流子：自由电子，载流子：自由电子，空穴。成对出现，成空穴。成对出现，成对消失。对消失。空穴空穴自由电子自由电子束缚电子束缚电子热激发热激发2.杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。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其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。大大增加。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为称为N型半导体型半导体（电子半导体），使空穴浓（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为度大大增加的杂质半导体称为P型半导体型半导体（空穴半导体）。（空穴半导体）。+4+4+5+4N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子P型半导体型半导体+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法+N N型半导体型半导体P P型半导体型半导体1、本征半导体中为什么成对产生自由电子和、本征半导体中为什么成对产生自由电子和 空穴空穴?2、N型半导体型半导体中的载流子是什么？中的载流子是什么？自由电子称为自由电子称为多数载流子（多子）多数载流子（多子），空空 穴穴 称为称为少数载流子（少子）少数载流子（少子）。3、P型半导体型半导体中的载流子是什么？中的载流子是什么？自由电子称为自由电子称为少数载流子少数载流子（少子少子），），空空 穴穴 称为称为多数载流子多数载流子（多子多子）。）。4、多数载流子多数载流子由什么决定？由什么决定？少数载流子少数载流子由什由什么决定？么决定？多子扩散运动少子漂移运动+P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+内电场E空间电荷区空间电荷区,耗尽层耗尽层,阻挡层阻挡层二、二、PN结的形成结的形成结合结合浓差浓差多子扩散多子扩散界面复合界面复合,空间电荷区空间电荷区形成内电场形成内电场E E方向方向(NP)(NP)静电场静电场作用作用a.a.阻碍多子扩散阻碍多子扩散,但是扩散愈多但是扩散愈多E E愈强愈强;b.;b.利于少子漂移利于少子漂移,但漂移愈多，但漂移愈多，E E愈弱。愈弱。最终最终动态平衡动态平衡,稳定稳定.耗尽耗尽,阻挡层阻挡层,空间电荷区空间电荷区PNPN结结 PN结结扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。电位电位V VV V0 0PN结结正正向向偏偏置置+内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，内电场被削弱，多子的扩散加强多子的扩散加强能够形成较大的能够形成较大的扩散电流，扩散电流，PN结导通。结导通。三、三、PN结的单向导电性结的单向导电性PN结结反反向向偏偏置置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被加强，内电场被加强，多子的扩散受抑多子的扩散受抑制。少子漂移加制。少子漂移加强，但少子数量强，但少子数量有限，只能形成有限，只能形成较小的反向电流，较小的反向电流，PN结截止结截止。PN结的单向导电性结的单向导电性正向偏置正向偏置PN结导通结导通反向偏置反向偏置 PN结截止结截止少子漂移电流少子漂移电流(微微)(P区高电位、区高电位、N区低电位区低电位)(P区低电位、区低电位、N区高电位区高电位)多子扩散电流（大）多子扩散电流（大）引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型第第2节节 半导体二极管半导体二极管一、结构和类型一、结构和类型PN结加上引线和管壳，就成为半导体二极管结加上引线和管壳，就成为半导体二极管。符号符号阳极阳极正极正极阴极阴极负极负极二、伏安特性二、伏安特性UI导通压降导通压降:硅管硅管0.60.7V,锗管锗管0.20.3V。反向击穿电反向击穿电压压U(BR)线性工作区线性工作区门坎区门坎区死区死区反向饱和区反向饱和区反向击反向击穿区穿区死区电压死区电压 硅管硅管0.6V锗管锗管0.2V三、主要参数三、主要参数1、最大整流电流最大整流电流 IF长期使用时，允许流过二极管的长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均最大正向平均电流。电流。2、最高反向工作电压最高反向工作电压URM允许施加的最高反向电压，为击穿电压允许施加的最高反向电压，为击穿电压UBR的一半左右。的一半左右。3、反向电流反向电流 IR指二极管加反向工作电压时的反向电流。反向电流越小越指二极管加反向工作电压时的反向电流。反向电流越小越好。受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向好。受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。4、最高工作频率、最高工作频率fMrd势垒电容和扩散势垒电容和扩散电容的综合效应电容的综合效应四、理想二极管四、理想二极管含义：含义：正偏时正偏时，二极管完全导通（死区电压为零，二极管完全导通（死区电压为零，正向管压降为零，正向导通电阻为零），正向管压降为零，正向导通电阻为零），相当于开关相当于开关闭合导通闭合导通；反偏时反偏时，二极管完全截止（反向电流为零，二极管完全截止（反向电流为零，反向电阻为无穷大），反向电阻为无穷大），相当于开关相当于开关断开、开路断开、开路。相当于理想的开关。相当于理想的开关。二极管的应用是主要利用它的单向导电性。包二极管的应用是主要利用它的单向导电性。包括整流、限幅、保护、检波、开关、括整流、限幅、保护、检波、开关、信号处理信号处理等等。等等。五、主要应用五、主要应用例例1：二极管的应用：二极管的应用例例2：二极管的应用：二极管的应用：假设截止法假设截止法(反证反证,定二极管通断定二极管通断)1.1.断开断开V,V,2.2.绘绘V+,V-V+,V-波形波形,3.3.比较比较,V+V-V+V-二级管导通二级管导通(短路处理短路处理)V+V-V+IC，UCES 0.3V称为称为饱和饱和区区。条件：条件：发射结发射结正偏正偏集电结集电结正偏正偏功能：功能：RCECE 0 0近似电子开关接通近似电子开关接通 饱和区饱和区IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中:IB=0,IC=ICEOUBE UBE=0.7V,说明说明发射结正偏发射结正偏，集电结反偏集电结反偏，故三极管处于故三极管处于放大放大状态。状态。2).集电极临界饱和电流：集电极临界饱和电流：ICS=EC UCESRC ECRC0.33mA基极临界饱和电流：基极临界饱和电流：IB=EB UBERBIBS I c/=33 A 当当RB=100k时，基极电流时，基极电流：43A IBS故三极管处于故三极管处于饱和饱和状态。状态。例例2.2.测得在测得在放大放大状态的两个三极管的电位分别为：状态的两个三极管的电位分别为：2.5V、3.2V、9V 和和0.7V、1V、6V，试判断，试判断这两个三极管的类型和管脚。这两个三极管的类型和管脚。解：解：三极管在三极管在放大放大状态。说明状态。说明发射结正偏发射结正偏，集电结反偏。集电结反偏。对对NPN：UBE 0、UBC VB VENPNNPN型三极管一般为型三极管一般为硅硅管管UBE=0.7V，PNPPNP型三极管一般为型三极管一般为锗锗管管UBE=0.3VBECBEC对对PNP：UBE 0。则为则为 VC VB 0时时UGS足够大时足够大时（UGSVT）感应出足够多感应出足够多电子，这里以电子，这里以电子导电为主电子导电为主出现出现N型的导型的导电沟道。电沟道。感应出电子感应出电子VT称为阈值电压称为阈值电压PNNGSDUDSUGSUGS较小时，较小时，导电沟道相当导电沟道相当于电阻将于电阻将D-S连接起来，连接起来，UGS越大此电越大此电阻越小。阻越小。PNNGSDUDSUGS当当UDS不太大不太大时，导电沟时，导电沟道在两个道在两个N区区间是均匀的。间是均匀的。当当UDS较较大时，靠大时，靠近近D区的区的导电沟道导电沟道变窄。变窄。PNNGSDUDSUGSUDS增加，增加，UGD=VT时，时，靠近靠近D端的沟端的沟道被夹断，道被夹断，称为予夹断。称为予夹断。夹断后夹断后ID呈呈恒流特性。恒流特性。ID增强型增强型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSUGS（TH）UGS0IDU DS0输出特性曲线输出特性曲线三、场效应三、场效应管的特性曲线管的特性曲线耗尽型耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS=0时就有