半导体器件概论优秀课件.ppt

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1、半导体器件概论1第1页，本讲稿共80页 课程名称课程名称：模拟与数字模拟与数字电子技术电子技术教材：教材：电子技术（电子技术（电工学电工学IIII比电工技术难但更有趣）史仪凯主编史仪凯主编绪论绪论一、内容一、内容 体系：体系：1、模拟电子技术（教材第、模拟电子技术（教材第15章）章）重点：第重点：第2、4两章两章2、数字电子技术（教材第、数字电子技术（教材第69章章）重点：第重点：第6、7两章两章3、电电工工电电子子应应用用技技术术（电电工工学学）第第6章章电电力力电电子子技技术术基基础础 电子技术电子技术又可分为又可分为“信息电子技术信息电子技术”与与“电力电子技术电力电子技术”二、课时分配

2、：讲课二、课时分配：讲课52，实验，实验182第2页，本讲稿共80页三、讲授、学习方法：三、讲授、学习方法：从管到路，管为路用，从小到大，逐步扩展。从管到路，管为路用，从小到大，逐步扩展。核心器件核心器件典型环节典型环节基本单元基本单元应用系统应用系统模电部分：模电部分：以分立元件为基础；以集成电路为重点。以分立元件为基础；以集成电路为重点。数电部分：数电部分：以以SSICSSIC为入门；以为入门；以MSICMSIC为重点，适当引为重点，适当引 入入LSIC*LSIC*。四、对课程内容的要求：四、对课程内容的要求：了解内部机理，理解外部特性，熟悉主要参数，设计了解内部机理，理解外部特性，熟悉主

3、要参数，设计简单电路，分析典型系统。简单电路，分析典型系统。定性分析，定量估算定性分析，定量估算3第3页，本讲稿共80页主要参考书主要参考书 1、电工学上册电子技术电工学上册电子技术秦曾煌主编秦曾煌主编高等教育出版社（第高等教育出版社（第5或或6版）版）2、电子技术典型题解析及自测试题电子技术典型题解析及自测试题史仪史仪凯等编凯等编 西北工业大学出版社西北工业大学出版社3、电工学电工学 电子技术导教电子技术导教导学导学导考导考 朱建坤编朱建坤编 西北工业大学出版社西北工业大学出版社4第4页，本讲稿共80页第一章 半导体器件 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 1.2 PN 结及半导体二极

4、管结及半导体二极管 1.3 特殊二极管特殊二极管 1.4 半导体三极管半导体三极管 1.5 场效应晶体管场效应晶体管5第5页，本讲稿共80页1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金，金属一般都是导体。属一般都是导体。有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡胶、陶瓷、塑料和石英。胶、陶瓷、塑料和石英。另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些，如锗、硅、砷

5、化镓和一些硫化物、氧化物等。硫化物、氧化物等。6第6页，本讲稿共80页 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不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。比如同于其它物质的特点。比如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。兴利热敏、光敏元件除弊加散热片、加黑色塑封以避光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。这一特性的利用揭开了电子技术发展史上新的一页！7第7页，本讲稿共80页1.1.2 本征半导体现代电子技术中，用的最多的半导体是硅现代电子技术中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四

6、个。个。GeSi8第8页，本讲稿共80页硅和锗的晶体结构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，原子按四在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价电子。共用一对价电子。9第9页，本讲稿共80页硅和锗的共价键结构

7、共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子10第10页，本讲稿共80页共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为中，称为束缚电子（价电子）束缚电子（价电子），常温下束缚，常温下束缚电子很难脱离共价键成为电子很难脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力非常弱。体的导电能力非常弱。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，构成子是八个，构成稳定结构稳定结构。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

8、晶体。使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+411第11页，本讲稿共80页本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度（度（T=0K）和没有外界激发时）和没有外界激发时,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没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（即有可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的），它的导电能力为导电能力为0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些在常温下，由于热激发，使一些价电子价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个空位，同时共价键上留下一个空位，称为称为空穴

9、空穴。12第12页，本讲稿共80页+4+4+4+4本征半导体的导电机理自由电子空穴束缚电子（价电子）13第13页，本讲稿共80页本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸在其它力的作用下，空穴吸引引临近的临近的价电子（不是自由价电子（不是自由电子）电子）来填补来填补。填补填补的结果的结果相当于相当于空穴的迁空穴的迁移移超女快男的演唱会，玉米花生前移超女快男的演唱会，玉米花生前移，而空穴的迁移，而空穴的迁移相当于相当于正电荷的移动（正电荷的移动（为为什么？什么？），因此可以认为空），因此可以认为空穴是带正电荷的载流子。穴是带正电荷的载流子。14第14页，本讲稿共80页本征半导体

10、的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种载流子，本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即即自由电子自由电子和和空穴空穴。（。（与金属比？与金属比？）自由电子和空穴自由电子和空穴成对产生与消失（成对产生与消失（复合复合）温度越高，载流子的浓度越高。因此本征温度越高，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，这是半导体的性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。浓度。15第15页，本讲稿共80页1.1.3 杂质半导体在本征半

11、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掺杂掺杂，就会，就会使半导体的导电性能发生显著变化。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其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。加。使使自由电子自由电子浓度大大增加的杂质半导体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（电子半导体），使空穴空穴浓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）。16第16页，本讲稿共80页N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷五价元素磷（或锑），晶体点阵中的

12、某些半导体原子被（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定必定多出一个价电子多出一个价电子，这个价电子几乎不受，这个价电子几乎不受束缚，束缚，很容易被激发而成为自由电子很容易被激发而成为自由电子，这样，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每。每个磷原子给出一个电子，称为个磷原子给出一个电子，称为施主原子施主原子。17第17页，本讲稿共80页+4+4+5+4N型半导体多余电子准自由电子磷原子18第18页，本讲稿

13、共80页N型半导体N型半导体中的载流子的来源？1 1、由施主原子提供的准自由电子，浓度与施主原子、由施主原子提供的准自由电子，浓度与施主原子 相同。相同。2 2、本征半导体中成对产生的自由电子和空穴、本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。注意注意：由于掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，：由于掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，由施主原子提供的准自由电子浓度远大于原本征所以，由施主原子提供的准自由电子浓度远大于原本征半导体空穴浓度；而自由电子增多又增加了复合的机会，半导体空穴浓度；而自由电子增多又增加了复合的机会，故掺杂后故掺杂后N型半导体中的空穴数比原本征半导体中的型半导体中的空穴

14、数比原本征半导体中的空穴数小得多。因此，空穴数小得多。因此，N型半导体中的空穴比自由型半导体中的空穴比自由电子少得多！电子少得多！故故N型半导体中的自由电子称为型半导体中的自由电子称为多数载多数载流子流子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。19第19页，本讲稿共80页P型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素三价元素，如，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子硼原子的最外层有三个价电子，与，与相临的半导体原子形成共价键时，相临的半导体原子

15、形成共价键时，产生一个空产生一个空穴穴。这个空穴。这个空穴很容易吸引邻近价电子来填补很容易吸引邻近价电子来填补，使得使得硼原子成为不能移动的带负电的离子硼原子成为不能移动的带负电的离子。由。由于硼原子接受电子，所以称为于硼原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。20第20页，本讲稿共80页+4+4+3+4空穴P型半导体硼原子21第21页，本讲稿共80页总 结1、N型半导体中自由电子是多子型半导体中自由电子是多子（其中大部分是由掺其中大部分是由掺杂提供的，本征半导体中受激产生的自由电子只占少数杂提供的，本征半导体中受激产生的自由电子只占少数）；空穴是少子。空穴是少子。2、P型半导体中空穴是多子，

16、自由电子是少子。型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。3、少子的迁移虽然也能形成电流，但由于它、少子的迁移虽然也能形成电流，但由于它们数量很少，起导电作用的主要是多子。近似们数量很少，起导电作用的主要是多子。近似认为多子浓度与杂质浓度相等。认为多子浓度与杂质浓度相等。22第22页，本讲稿共80页杂质半导体的示意表示法P型半导体+N型半导体23第23页，本讲稿共80页1.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管1.2.1 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型型半导体和半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面

17、处就形成了在它们的交界面处就形成了PN结结。24第24页，本讲稿共80页P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动由载流子浓度差而产生，使多子越过PN结流向对方。由内电场而产生，使少子越过PN结流向对方。二二者者产产生生的的电电流流方方向向相相反反25第25页，本讲稿共80页扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽，漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场就越强，漂移运动就加强，而漂移使空间电荷区变薄。26第26页，本讲稿共80页漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动所以扩散和漂移这一对相反的

18、运动最终达到动态平衡，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。27第27页，本讲稿共80页+空间电荷区N型区P型区电位VV028第28页，本讲稿共80页1、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、中的空穴、N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、P中的电子和中的电子和N中的空穴（中的空穴（都是少子都是少子），），数量有限，因此由它们形成的电流很小。数量有限，因此由它们形成的电流很小。请注意29第29页，本讲稿共80页1.2.2 PN结的单向导电性 PN结结

19、加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意的意思都是：思都是：P区加正、区加正、N区加负电压。区加负电压。PN结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意的意思都是：思都是：P区加负、区加负、N区加正电压。区加正电压。30第30页，本讲稿共80页PN结正向偏置+内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。31第31页，本讲稿共80页PN结反向偏置+内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。32第32页，本讲稿共80页1.2.3 半导体二极管(1)、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为

20、半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳触丝线基片点接触型点接触型一般为锗管，一般为锗管，适于高频、小适于高频、小功率。功率。33第33页，本讲稿共80页PN结面接触型面接触型一般为硅管，适一般为硅管，适于低频、中、大于低频、中、大功率功率。PN34第34页，本讲稿共80页(2)、伏安特性反向反向击穿击穿电压电压U(BR)UImAA反向电流特点：反向电流特点：1 随温度上升而快速增长随温度上升而快速增长2 UEB55第55页，本讲稿共80页IB=IBE-ICBO IBEIB3BECNNPEBRBEcIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE56第56页，本讲稿共

21、80页4ICE与与IBE之比称为电流放大倍数之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏必须使发射结正偏,集电结反集电结反偏（偏（这是放大的外部条件）这是放大的外部条件）；即：即：UBE 0 ，UCE0；对对PNP型管满足型管满足 UBE0，UCE0。57第57页，本讲稿共80页BECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管 图中所示各电流方向既是正方向，又是放大工作状态下的图中所示各电流方向既是正方向，又是放大工作状态下的实际方向，不得改变各电流标示方向！实际方向，不得改变各电流标示方向！旧符号旧符号带圆圈带圆圈58第58

22、页，本讲稿共80页1.4.3 特性曲线ICmAAVVUCEUBERBIBECEB 实验线路输入端IB、UBE输出端IC、UCE名词解释：四端（二端口名词解释：四端（二端口)网络网络共射极接法59第59页，本讲稿共80页注意：1、各电流与电压的符号与方向及其含义；2、统一按规范的电流与电压的符号来标注;3、对PNP型管子，电源极性与NPN型管子 相反，UBE0 UCE0;（双下标不可对调）4、为满足放大的外部条件，须 保证UBE IC，称为饱和区。63第63页，本讲稿共80页IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,U

23、BEIC，UCE 0(3)截止区：UBE 死区电压，IB=0，IC=ICEO 074第74页，本讲稿共80页例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB=-2V、2V、5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？当当USB=-2V时：时：IB=0，IC=0Q位于截止区位于截止区 ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE75第75页，本讲稿共80页USB=2V时：USC=UCE+ICRCUCE=6.3VQ处于放大区处于放大区ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE76第76页，本讲稿共80页USB=5V时:Q 位于饱和区，此时位于饱和区，此时IC 和和IB 已不是已不是

24、 倍的关系。倍的关系。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE77第77页，本讲稿共80页1.二极管部分：二极管部分：从二极管的主要用途出发了解其单向导电的机理，在电子电路中它主从二极管的主要用途出发了解其单向导电的机理，在电子电路中它主要用作开关，由此出发，弄清为何它能单向导电？为使其有良好的开关作要用作开关，由此出发，弄清为何它能单向导电？为使其有良好的开关作用，应具备何种工作条件？结合它的外特性去理解。用，应具备何种工作条件？结合它的外特性去理解。第一章 半导体器件要点：2.稳压管部分：稳压管部分：从稳压管的主要作用是稳定输出电压这点出发了解其性能特点，并结合从稳压管的主要作用是稳

25、定输出电压这点出发了解其性能特点，并结合其外特性了解应具备何种工作条件才能使其稳压？其外特性了解应具备何种工作条件才能使其稳压？3.三极管部分：三极管部分：三极管的主要作用是放大，由此了解为何能放大？它放大什三极管的主要作用是放大，由此了解为何能放大？它放大什么物理量？结合其外特性了解应具备哪些条件才能使其放大？么物理量？结合其外特性了解应具备哪些条件才能使其放大？外因（外因（外部条件外部条件）通过内因（）通过内因（内部机理、根据内部机理、根据）而起作用。）而起作用。78第78页，本讲稿共80页晶体三极管内容完晶体三极管内容完（自学（自学2.1.5复合晶体管复合晶体管）79第79页，本讲稿共80页练习与思考：练习与思考：2.1.12.1.1、2.1.22.1.2、2.1.42.1.4作业：作业集题目作业：作业集题目 1.4与与2.1课后看书：课后看书：第第2.12.1节节80第80页，本讲稿共80页