第一章半导体器件基础.pptx
(1-1)半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。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。1.掺杂性2.热敏性和光敏性第1页/共119页(1-2)本征半导体（纯净和具有晶体结构的半导体）一、本征半导体的结构特点GeSi现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。第2页/共119页(1-3)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，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共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。第3页/共119页(1-4)硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子第4页/共119页(1-5)共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，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能力很弱。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。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4第5页/共119页(1-6)二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些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，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴第6页/共119页(1-7)+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子第7页/共119页(1-8)2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。第8页/共119页(1-9)温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。（在本征半导体中（在本征半导体中 自由电子和空穴成对出现，自由电子和空穴成对出现，同时又不断的复合）同时又不断的复合）第9页/共119页(1-10)杂质半导体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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。第10页/共119页(1-11)一、N 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。第11页/共119页(1-12)+4+4+5+4多余电子磷原子N 型半导体中的载流子是什么？1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。第12页/共119页(1-13)二、P 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。+4+4+3+4空穴硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。第13页/共119页(1-14)三、杂质半导体的符号P 型半导体+N 型半导体第14页/共119页(1-15)第15页/共119页(1-16)总 结2.N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。3.P型半导体中空穴是多子，电子是少子。1.本征半导体中受激产生的电子很少。第16页/共119页(1-17)结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。1.2 PN结结第17页/共119页(1-18)P 型半导体N 型半导体+扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。第18页/共119页(1-19)漂移运动P型半导体N 型半导体+扩散运动内电场E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。第19页/共119页(1-20)+空间电荷区N型区P型区电位VV0第20页/共119页(1-21)第21页/共119页(1-22)1.空间电荷区中没有载流子。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）。3.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。小结第22页/共119页(1-23)(1)加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场耗尽层变窄扩散运动漂移运动多子扩散形成正向电流I F正向电流 PN结的单向导电性第23页/共119页(1-24)(2)加反向电压电源正极接N区，负极接P区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场耗尽层变宽 漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流I RPN 在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。第24页/共119页(1-25)PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。第25页/共119页(1-26)1.3 半导体二极管基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：阳极+阴极-第26页/共119页(1-27)半导体二极管图片第27页/共119页(1-28)伏安特性UI死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。反向击穿电压UBR第28页/共119页(1-29)主要参数1.最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。3.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。2.反向工作峰值电压UBWM保证二极管不被击穿时的反向峰值电压。第29页/共119页(1-30)4.反向电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。第30页/共119页(1-31)5.微变电阻 rDiDuDIDUDQiDuDrD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。第31页/共119页(1-32)6.二极管的极间电容（结电容）二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。第32页/共119页(1-33)当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容.第33页/共119页(1-34)CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd第34页/共119页(1-35)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 RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流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。第35页/共119页(1-36)二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo第36页/共119页(1-37)1.4 稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。第37页/共119页(1-38)（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压 UZ（2）电压温度系数U（%/）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻第38页/共119页(1-39)在电路中稳压管只有与适当的电阻连接才能起到稳压作用。UIIZIZmaxUZIZUZ第39页/共119页(1-40)稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 方程1要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。第40页/共119页(1-41)令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：第41页/共119页(1-42)光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加第42页/共119页(1-43)发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。第43页/共119页(1-44)基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型 1.5 半导体三极管半导体三极管第44页/共119页(1-45)BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高第45页/共119页(1-46)BECNNP基极发射极集电极发射结集电结第46页/共119页(1-47)BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管符号第47页/共119页(1-48)半导体三极管半导体三极管频率：频率：高频管、低频管功率：功率：材料：材料：小、中、大功率管硅管、锗管类型：类型：NPN型、PNP型半导体三极管是具有电流放大功能的元件第48页/共119页(1-49)ICmAAVVUCEUBERBIBECEB 一.一个实验电流分配和放大原理第49页/共119页(1-50)结论:1.IE=IC+IB3.IB=0,IC=ICEO4.要使晶体管放大,发射结必须正偏,集电结必须反偏。第50页/共119页(1-51)二.电流放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。第51页/共119页(1-52)BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。第52页/共119页(1-53)IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE第53页/共119页(1-54)ICE与IBE之比称为电流放大倍数第54页/共119页(1-55)第55页/共119页(1-56)一.输入特性UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。UCE=0VUCE=0.5V 死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。特性曲线第56页/共119页(1-57)二、输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。第57页/共119页(1-58)IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。第58页/共119页(1-59)IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE0.3V(3)截止区：UBEVbVe放大VcVb0时UGS足够大时（UGSVT）将P区少子电子聚集到P区表面，形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。感应出电子VT称为阈值电压第111页/共119页(1-112)UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。PNNGSDUDSUGS第112页/共119页(1-113)UTiD=f(uGS)uDS=常数三、增强型N沟道MOS管的特性曲线输出特性曲线转移特性曲线第113页/共119页(1-114)一个重要参数跨导gm gm=iD/uGS uDS=const 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。在输出特性曲线上也可求出gm。第114页/共119页(1-115)N沟道增强型MOS管的基本特性uGS UT，管子截止uGS UT，管子导通uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大第115页/共119页(1-116)四、耗尽型N沟道MOS管的特性曲线耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。转移特性曲线0IDUGSVT第116页/共119页(1-117)输出特性曲线IDU DS0UGS=0UGS0第117页/共119页(1-118)N沟道耗尽型MOS管的特点当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。当uGS0时，沟道增宽，iD进一步增加。当uGS0时，沟道变窄，iD减小。第118页/共119页(1-119)感谢您的观看！第119页/共119页
