《半导体器件》PPT课件.ppt

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1、上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础1.1.1 PN结的形成的形成1 半半导体二极管及其体二极管及其应用用1.1 PN结半半导体体：导电能力介于能力介于导体和体和绝缘体之体之间。最常用的半最常用的半导体材料：体材料：物体根据其物体根据其导电能力（能力（电阻率）分阻率）分半半导体体 Semiconductor绝缘体体导体体锗GeGe硅硅SiSi上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础+14284Si硅原子硅原子结构示意构示意图+3228 18Ge锗原子原子结构示意构示意图4原子原子结构示意构示意图上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础平面平面结构构立体立体结构构SiSiSiSi

2、SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi1.本征半本征半导体体本征半本征半导体就是体就是完全完全纯净的的半半导体。体。上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi共价共价键价价电子子上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi本本征征激激发产生生电子子和和空空穴穴自由自由电子子空穴空穴上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi电子、空穴子、空穴成成对产生生上上页下

3、下页后退后退模模拟电子技子技术基基础SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi电子、空穴子、空穴成成对产生生电子、空穴子、空穴成成对复合复合上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础电子和空穴的子和空穴的产生生过程程动画演示画演示上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础 本征激本征激发使使空穴空穴和和自由自由电子子成成对产生。生。相遇复合相遇复合时，又成，又成对消失。消失。小小结：空穴空穴浓度（度（np)=电子子浓度度(nn)温度温度T一定一定时np nn=K(T)K(T)与温度有关的常

4、数与温度有关的常数上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础半半导体体导电机理机理动画演示画演示上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础1)在半在半导体中有体中有两种两种载流子流子这就是就是半半导体和金属体和金属导电原理的原理的 本本质区区别。a.电阻率大。阻率大。2)本征半本征半导体的特点：体的特点：b.导电性能随温度性能随温度变化大。化大。小小结：带正正电的的空穴空穴带负电的的自由自由电子子本征半本征半导体不能在半体不能在半导体器件中直接使用体器件中直接使用上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础2杂质半半导体体 在本征半在本征半导体硅或体硅或锗中中掺入微量的其它适当入微量的其它

5、适当元素元素后后所形成的半所形成的半导体。体。根据根据掺杂的不同，的不同，杂质半半导体分体分为N型型导体体P型型导体体（1）N型半型半导体体掺入入五价五价杂质元素（如磷、砷）的元素（如磷、砷）的杂质半半导体。体。上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi掺入少量五价入少量五价杂质元素磷元素磷P P上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiP P多出多出一个一个电子子出出现了了一一个正离个正离子子上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础+半半导体

6、中体中产生了大量的自由生了大量的自由电子和正离子子和正离子上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础N型半型半导体的形成体的形成过程程上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础c.电子子是多数是多数载流子，流子，简称称多子多子;空穴空穴是少数是少数载流流子，子，简称称少子少子。e.因因电子子带负电，称，称这种半种半导体体为N(negative)型或型或电子子型半型半导体。体。f.f.掺入的入的杂质能能给出出电子，称子，称为施主施主杂质。a.N型半型半导体是在本征半体是在本征半导体中体中掺入少量五价入少量五价杂质元元素形成的。素形成的。b.N型半型半导体体产生了大量的生了大量的(自由）自由）

7、电子和正离子子和正离子。小小结：d.np nn=K(T)上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础(2)P型半型半导体体 在本征半在本征半导体中体中掺入入三价三价杂质元素元素，如硼等如硼等:SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiB B上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiB B上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiB BSiSiSiSi出出现了了一一个个空空位位上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础SiSiSiSiSiSi

8、SiSiSiSiSiSiB BSiSiSiSi出出现了了一个空一个空穴穴出出现了了一个一个负离子。离子。上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础-半半导体中体中产生了大量的空穴和生了大量的空穴和负离子离子上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础P型半型半导体的形成体的形成过程程上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础c.空穴空穴是多数是多数载流子流子,电子是少数子是少数载流子流子。e.因因空穴空穴带正正电，称，称这种半种半导体体为p(positive)型或型或空穴空穴型半型半导体。体。f.掺入的入的杂质能接受能接受电子，称子，称为受主受主杂质。a.P型半型半导体体是在本征半是在本征

9、半导体中体中掺入少量的入少量的三价三价杂质元素形成的。元素形成的。b.P型半型半导体体产生大量的生大量的空穴空穴和和负离子离子。小小结：d.np nn=K(T)上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础当当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可，可将将N型型转型型为P型；型；杂质半半导体的体的转型：型：当当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可，可将将P型型转型型为N N型型上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础N+N+以以N型半型半导体体为基片基片通通过半半导体体扩散工散工艺3.PN结的形成的形成上上页下下页

10、后退后退模模拟电子技子技术基基础使半使半导体的一体的一边形成形成N型区，另一型区，另一边形成形成P型区型区N+-P-上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础PN结形成形成过程程动画演示画演示上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础耗尽耗尽层势垒区区空空间电荷区荷区N+-P-当漂移运当漂移运动和和扩散运散运动相等相等时，形成，形成稳定的定的PN结上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础当当N区和区和P区的区的掺杂浓度不等度不等时：离子密离子密度大度大空空间电荷荷区的区的宽度度较窄窄离子密离子密度小度小空空间电荷荷区的区的宽度度较宽高高掺杂浓度区度区域用域用N+表示表示+_PN+上上页

11、下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础1.1.2 PN结的的单向向导电性性1PN结正向偏置正向偏置-PN+-+RSE内内+上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础PN结正偏正偏动画演示画演示上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础小小结：当当PN结加上正向加上正向电压时，形成，形成多子的多子的扩散散电流（流（较大）。大）。上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础-PN+-+RSE内内+2PN结反向偏置反向偏置 上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础PN结反偏反偏动画演示画演示上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础小小结：当当PN结加上反向加上反向电压时，形成少子的漂移，

12、形成少子的漂移电流（很小）。流（很小）。因少子因少子浓度主要与温度有关，反向度主要与温度有关，反向电流与反流与反向向电压几乎无关。几乎无关。此此电流称流称为反向反向饱和和电流，流，记为IS。上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础1.1.3 PN结的的电压与与电流关系流关系+_PN_ui上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础IS PN结反向反向饱和和电流流UT 热电压式中式中UT=KT qq电子子电量量T绝对温度温度在室温（在室温（T=300K)时，K玻耳玻耳兹曼常数曼常数其中其中上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础（1）当）当u=0时，i=0（3）当当uUT时，i-IS讨论

13、：（2）当）当u0，且，且uUT时，上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础思思 考考 题1.半半导体中的体中的载流子流子浓度主要与那些因素有关？度主要与那些因素有关？2.温度升高，半温度升高，半导体的体的导电率如何率如何变化？化？3.扩散散电流与漂移流与漂移电流的区流的区别是什么？是什么？上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础半半导体二极管体二极管 半半导体二极管的体二极管的结构和构和类型型 二二极极管管就就是是一一个个封封装装的的PN结平面型平面型点接触型点接触型引线引线触丝触丝外壳外壳N N型锗片型锗片N N型硅型硅阳极引线阳极引线PNPN结结阴极引线阴极引线金锑合金金锑合金底

14、座底座铝合金小球铝合金小球上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础半半导体二极管的外型和符号体二极管的外型和符号负极极外型外型正极正极正极正极负极极符号符号上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础半半导体二极管的体二极管的类型型（1）按使用的半）按使用的半导体材料不同分体材料不同分为（2）按）按结构形式不同分构形式不同分硅管硅管锗管管点接触型点接触型平面型平面型上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础半半导体二极管的伏安特性体二极管的伏安特性 硅管硅管

15、00.8反向特性反向特性正向特性正向特性击穿穿特特性性00.8反向特性反向特性锗管管正向特性正向特性uDiD上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础(1)整个正向特性曲整个正向特性曲线近似地呈近似地呈现为指数形式。指数形式。(2)有死区有死区（iD0的区域）的区域）1正向特性正向特性死区死区电压约为硅管硅管0.7V锗管管0.3VOiD正向特性正向特性击穿穿电压死区死区电压U(BR)反向特性反向特性uD上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础(3)导通后（即通后（即uD大于死区大于死区电压后）后）OiD正向特性正向特性击穿穿电压死区死区电压U(BR)反向特性反向特性uD即即 uD升高升高

16、，iD急急剧增大增大上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础2反向特性反向特性（1）当当时，IS硅管硅管0时输出出波形波形电流流流流动方向方向D1D2D4D3+_uOTRu2+_u1ab+_RL上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础b.当当u20时输出出波形波形电流流流流动方向方向+_uOTRu2+_u1ab+_RLD1D2D4D3上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础 限幅限幅电路路工作原理工作原理a.当当ui i较小使二极管小使二极管D1、D1截止截止时电路正常放大路正常放大b.当当uii较大大使二极管使二极管D1 或或D1导通通时RD2ARi+D1+上上页下下页后退后退模

17、模拟电子技子技术基基础uit0输入入电压波形波形RD2ARi+D1+上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础输出端出端电压波形波形uit02UFRD2ARi+D1+上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础 特种二极管特种二极管 硅硅稳压二极管二极管特点：特点：a.正向特性与普通管正向特性与普通管类似似稳压管管通常工作于反向通常工作于反向电击穿穿状状态用来用来稳定直流定直流电压伏安特性伏安特性+iZuZuZQBA0UZiZIZ UZ IZ符号符号b.反向反向击穿特性很陡穿特性很陡上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础2.2.变容二极管容二极管变容二极管是利用容二极管是利用PNPN结

18、的的电容效容效应制成的，其制成的，其电容容量随着外加反向量随着外加反向电压的的变化而改化而改变。主要用来。主要用来实现“电压-频率率变换”。正极正极负极极上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础+3.3.发光二极管光二极管发光二极管光二极管简称称LED,LED,它是它是一种把一种把电能能转化成光能的化成光能的半半导体器件。在外加正偏体器件。在外加正偏压的作用下，的作用下，P P区和区和N N区的区的多子向多子向对方方扩散，并与散，并与对方的多子复合。复合方的多子复合。复合过程程中，部分能量以光的形式中，部分能量以光的形式释放出来。放出来。为使使发光二极管正常工作，光二极管正常工作，必必须使其正向使其正向电压大于大于门限限电压，工作，工作电流要合适。流要合适。正极正极负极极U上上页下下页后退后退模模拟电子技子技术基基础4.4.光光电二极管二极管光光电二极管是以后二极管是以后总把光把光信号信号转化化为电信号的半信号的半导体器件。体器件。结构与普通的二构与普通的二极管相似，只是在管壳上极管相似，只是在管壳上留着一个光留着一个光线入射窗口。入射窗口。光光电二极管在反偏状二极管在反偏状态下下工作。工作。正极正极负极极U