第1章半导体元器件PPT讲稿.ppt
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1、第1章半导体元器件第1页,共114页,编辑于2022年,星期一第一章 晶体二极管及应用电路第一节 半导体基础知识1-1半导体一 、半导体:其导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质。其电阻率在10-3109欧.米。半导体具有某些特殊性质外界条件改变,导电能力改变。:如压敏、热敏、光照及掺杂特性等。二、半导体材料:用于制造半导体器件的材料。半导体管又称晶体管。常见材料硅(Si)和锗(Ge)。微波中有砷化镓(GaAs)第2页,共114页,编辑于2022年,星期一三、本征半导体:纯净的且具有完整晶体结构的半导体。天然的硅和锗经提纯(99.999%以上)即为本征半导体。在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组
2、成晶体点阵,每在硅和锗晶体中,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的顶点,每个原子与其相临的原子之间形成共价键共价键,共用一,共用一对价电子。对价电子。图1-1 硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构四本征激发:价电子因热运动获得能量,争脱共价键的束缚,成为自由电子,同时在共价键上留下空位,这一现象成为本征激发。图1-1 温度越高,本征激发越强,产生的自由电子和空穴越多。第3页,共114页,编辑于2022年,星期一第4页,共114页,编辑于2022年,星期一五、五
3、、半导体中载流子:能够导电的电荷称载流子。半导体中载流子:能够导电的电荷称载流子。半导体中的两种载流子:半导体中的两种载流子:自由电子,空穴自由电子,空穴两种载流子导电的差异:图两种载流子导电的差异:图1-4自由电子在晶格中自由运动;空穴运动即价电子的填补空穴的运动,始终在原子的自由电子在晶格中自由运动;空穴运动即价电子的填补空穴的运动,始终在原子的共价键间运动。共价键间运动。第5页,共114页,编辑于2022年,星期一本征半导体结构示意图本征半导体结构示意图1-5本征半导体中电子与空穴本征半导体中电子与空穴1-6第6页,共114页,编辑于2022年,星期一六六载流子的复合和平衡载流子的复合和
4、平衡载流子的复合:载流子的复合:自由电子与空穴在热运动中相遇,使自由电子与空穴在热运动中相遇,使一对自由一对自由电子空穴对消失。电子空穴对消失。动态平衡:动态平衡:当温度当温度T一定时,单位时间内产生的自由电子空一定时,单位时间内产生的自由电子空穴对数目与单位时间内因复合而消失掉的自由电子空穴对穴对数目与单位时间内因复合而消失掉的自由电子空穴对数目相等,称为载流子的动态平衡。数目相等,称为载流子的动态平衡。本征浓度本征浓度ni:平衡状态下本征半导体单位体积内的自由电子数平衡状态下本征半导体单位体积内的自由电子数(空穴数)。(空穴数)。第7页,共114页,编辑于2022年,星期一七.杂质半导体
5、引言:杂质半导体:在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体。分为N型半导体和P 型半导体。(一)N型半导体:在本征Si和Ge中掺入微量V族元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入V族元素称为施主杂质,简称施主(能供给自由电子)。图1-7第8页,共114页,编辑于2022年,星期一(二)P型半导体:在本征Si和Ge中掺入微量族元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入族元素称为受主杂质,简称受主(能供给自由电子)。P型半导体中,空穴为多子,自由电子为少子。图1-8第9页,共114页,编辑于2022年,星期一(三三)杂质半导体的载流子浓度:杂质半导体的载流子浓度:少量掺杂,平衡状态
6、下:少量掺杂,平衡状态下:ni2=n0p0 其中,其中,ni 为本征浓度,为本征浓度,n0 为自由电子浓度,为自由电子浓度,p0 为为空穴浓度图空穴浓度图1-9 杂质半导体的电荷模型,图中少子未画杂质半导体的电荷模型,图中少子未画出来。温度出来。温度T增加,本征激发加剧,增加,本征激发加剧,但本征激发产生的多但本征激发产生的多子远小杂质电离产生的多子。子远小杂质电离产生的多子。半导体工作机理:杂质是电特性。半导体工作机理:杂质是电特性。Si半导体比半导体比Ge半导体有更高的温度。因为同温度时,半导体有更高的温度。因为同温度时,Si半半导体比导体比Ge半导体本征激发弱,更高的温度时半导体本征激发
7、弱,更高的温度时Si半导体半导体才会失去杂质导电特性。才会失去杂质导电特性。图图1-9第10页,共114页,编辑于2022年,星期一八漂移电流和扩散电流1 漂移电流:漂移电流:载流子受外电场力作用做宏观定向运动形成漂移电流。载流子受外电场力作用做宏观定向运动形成漂移电流。漂移电流与电场强度、载流子浓度成正比。漂移电流与电场强度、载流子浓度成正比。2 扩散电流:扩散电流:因扩散运动形成的电流,称为扩散电流。因扩散运动形成的电流,称为扩散电流。扩散运动:扩散运动:因载流子因载流子 浓度差而产生的载流子宏观定向运动。浓度差而产生的载流子宏观定向运动。物理现象:物理现象:半导体(半导体(N型型P型)内
8、的载流子浓度分布不规则,无型)内的载流子浓度分布不规则,无规则热规则热 运动,载流子从高浓度向低浓度方向净迁移。运动,载流子从高浓度向低浓度方向净迁移。第11页,共114页,编辑于2022年,星期一1-2 PN结工作原理PN结:将结:将P型和型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面,界面附近形成一个极薄的特殊区域,称为内有一物理界面,界面附近形成一个极薄的特殊区域,称为PN结。结。一一 PN结的形成:结的形成:内电场:由内电场:由N区指向区指向P区的电场区的电场E。阻止两区多子的扩散。阻止两区多子的扩散。电场电场E产生的两区少子越结漂移电
9、流将部分抵消因浓差产产生的两区少子越结漂移电流将部分抵消因浓差产生的使两区多子越结的扩散电流。生的使两区多子越结的扩散电流。扩散进一步进行,空间电荷区内的暴露离子数增多,电场扩散进一步进行,空间电荷区内的暴露离子数增多,电场E增增强,漂移电流增大,当扩散电流强,漂移电流增大,当扩散电流=漂移电流时,达到平衡漂移电流时,达到平衡状态,形成状态,形成PN结。无净电流流过结。无净电流流过PN结。结。其强弱与材料有关,一般其强弱与材料有关,一般Si:约为:约为0.7v;Ge约为约为0.2V。第12页,共114页,编辑于2022年,星期一+P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电
10、场E漂移运动漂移运动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。内电场越强,就使漂移运内电场越强,就使漂移运动越强,而漂移使空间电动越强,而漂移使空间电荷区变薄。荷区变薄。空间电荷区,空间电荷区,也称耗尽层。也称耗尽层。图图1-10第13页,共114页,编辑于2022年,星期一二 PN结的特点:1.空间电荷区是非线性中性区,内建电场和内建电位差 0(内建电压)。2 PN结又称耗尽层。3 PN结又称阻挡层:内建电场E阻止两区多子越结扩散。PN结又称势垒区:4 不对称PN结。1 1、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2 2、空
11、间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴、中的空穴、N区区 中的电子中的电子(都是多子都是多子)向对方运动()向对方运动(扩散运动扩散运动)。)。3 3、P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴(区中的空穴(都是少都是少),数量有限,),数量有限,因此由它们形成的电流很小。因此由它们形成的电流很小。注意注意:第14页,共114页,编辑于2022年,星期一图图1-11第15页,共114页,编辑于2022年,星期一三 PN结的单向导电特性:无外接电压的无外接电压的PN结结开路开路PN结,平衡状态结,平衡状态PN结;结;PN结外加电压时结外加电压时 外电路产生电流有两种情况:外电
12、路产生电流有两种情况:1 正向偏置(简称正偏)正向偏置(简称正偏)PN结:图结:图1-10 PN结外加直流电压结外加直流电压V:P区接高电位(正电位),区接高电位(正电位),N区接低电位区接低电位(负电位)正偏正向电流+_+RE内电场内电场外电场外电场变薄变薄内电场被削弱,多子的内电场被削弱,多子的扩散加强能够形成较大扩散加强能够形成较大的扩散电流。的扩散电流。图图1-12第16页,共114页,编辑于2022年,星期一2 反向偏置(简称反偏)PN结:反偏指P区接低电位(负电位),N区接高电位(正电位)。硅PN结的Is 为pA级 温度T增大 IsNP+内电场内电场外电场外电场变厚变厚_内电场被被
13、加强,多子内电场被被加强,多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强,但少子数量有移加强,但少子数量有限,只能形成较小的反限,只能形成较小的反向电流。向电流。RE图图1-13第17页,共114页,编辑于2022年,星期一3 PN结的伏安特性结的伏安特性 伏安特性方程:伏安特性方程:I=Is(eU/VT-1);Is 为少子漂移的反向饱和漏为少子漂移的反向饱和漏电流电流U为外加电压为外加电压,VT=KT/q为温度电压当量为温度电压当量,常温下位常温下位26mV.PN结的伏安特性曲线:图结的伏安特性曲线:图1-12图图1-14第18页,共114页,编辑于2022年,星期一第19页,共114页
14、,编辑于2022年,星期一第20页,共114页,编辑于2022年,星期一1-3 晶体二极管 二极管的结构和符号:图1-13(a)为结构,(b)为符号。一 二极管的伏安特性:1 单向导电特性:2 导通电压VON :3 锗管的Is比硅管的Is大三个数量级;4 Is随温度升高而增大:图1-165 锗管与硅管伏安特性的差异:图1-16第21页,共114页,编辑于2022年,星期一图图1-15第22页,共114页,编辑于2022年,星期一图图1-16图图1-17第23页,共114页,编辑于2022年,星期一二二极管的RD和rd1 直流电阻RD:二极管的伏安特性为曲线二极管为非线性电阻器件。结论:Q点处的
15、电流越大,二极管的直流电阻RD越小;二极管的正反向直流电阻相差很大。2 交流电阻rd 二极管工作点Q处的微变电压增量dvd 和微变电流增量did之比,称为该点处的交流电阻rd。图1-18。第24页,共114页,编辑于2022年,星期一图图1-18第25页,共114页,编辑于2022年,星期一3 二极管的参数:二极管的参数:最大平均整流电流最大平均整流电流;最大反向工作电压最大反向工作电压V VR R;反向电流反向电流I IR;R;最高工作频率最高工作频率f fm m.三三、二极管的模型:、二极管的模型:器件模型:由理想元件构成的能近似反映电子器件特性的器件模型:由理想元件构成的能近似反映电子器
16、件特性的等效电路。等效电路。二极管的二极管的伏安特性的分段线性近似模型伏安特性的分段线性近似模型:理想理想开关模型开关模型:二极管二极管 理想开关理想开关,正偏时正向电压正偏时正向电压=0,反偏,反偏时反向电流时反向电流=0。图图1-19第26页,共114页,编辑于2022年,星期一 恒压源模型:图1-20(b)原因:二极管导通时电流较大,rd很小,近似认为二极管的端电压不随电流变化 恒压特性。折线近似模型:图1-20(c)第27页,共114页,编辑于2022年,星期一2二极管的交流小信号模型:工作点Q处的交流电阻rd。其交流与直流通路如下图:注意电容C:(1)C称为隔直电容;(2)C称为耦合
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