物理半导体器件.pptx

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1、111.1 半导体基础知识导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。第1页/共81页221.1 半导体基础知识 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。半导体的特点：热敏性 光敏性 掺杂性 第2页/共81页3现代电子学中，用的最多的半导体是硅和现代电子学中，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。锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。Si硅原子硅原子Ge锗原子锗原

2、子1.1.1 本征半导体第3页/共81页441.1.1 本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。本征半导体的原子结构及共价键。共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。第4页/共81页551.1.1 本征半导体本征激发和两种载流子自由电子和空穴 温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。第5页/共81页661.1.1 本征半导体 空穴出现以后，邻近的束缚电子可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位

3、，另一个束缚电子又会填补这个新的空位，这样就形成束缚电子填补空穴的运动。为了区别自由电子的运动，称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。第6页/共81页771.1.1 本征半导体结 论(1)半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。(2)本征半导体中，自由电子和空穴结伴产生，数目相同。(3)一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。(4)温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。第7页/共81页881.1.2 杂质半导体 在本征半导体中

4、加入微量杂质，可使其导电性能显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）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。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。第8页/共81页991.1.2 杂质半导体1、N型半导体 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，则构成N型半导体。五价的元素具有五个价电子，它们进入由硅（或锗）组成的半导体晶体中，五价的原子取代四价的硅（或锗）原子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，因为多一个价电子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子，于是

5、半导体中自由电子的数目大量增加。自由电子参与导电移动后，在原来的位置留下一个不能移动的正离子。每个五价原子给出一个电子，称为施主原子。第9页/共81页10101.1.2 杂质半导体N型半导体的共价键结构N型半导体中的载流子：(1)由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。(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10页/共81页11111.1.2 杂质半导体2、P型半导体 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等，则构成P型半导体。三

6、价的元素只有三个价电子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，由于缺少一个价电子，在晶体中便产生一个空位，邻近的束缚电子如果获取足够的能量，有可能填补这个空位，使原子成为一个不能移动的负离子。由于三价原子接受电子，所以称为受主原子。第11页/共81页12121.1.2 杂质半导体P型半导体中的共价键结构P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。第12页/共81页13131.1.2 杂质半导体杂质半导体的示意表示P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。第13页/共81页14141.1.3

7、 PN结及其单向导电性利用半导体的制作工艺，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。PN结具有单一型半导体所不具有的新特性，利用这种新特性可以制造出各种半导体器件。如二极管、三极管和场效应管等。第14页/共81页15151.1.3 PN结及其单向导电性1、PN结的形成 多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动。第15页/共81页16161.1.3 PN结及其单向导电性扩散运动的结果，在交界面P区一侧因失去了空穴而出现负离子区；而N区一侧因失去自由电子出现了正离子区。正负离子都被束缚在晶格内不能移动，于是在交界面两侧形成了正

8、、负空间电荷区。在空间电荷区内可以认为载流子已被“耗尽”，故又称耗尽区或耗尽层。第16页/共81页17171.1.3 PN结及其单向导电性空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。第17页/共81页18181.1.3 PN结及其单向导电性2、PN结的

9、单向导电性 处于平衡状态下的PN结没有实用价值。如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN结会呈现出不同的导电性能。当PN结在一定的电压范围内外加正向电压时，处于低电阻的导通状态。当外加反向电压时，处于高电阻的截止状态，这种导电特性，就是PN结单向导电性。第18页/共81页19191.1.3 PN结及其单向导电性(1)PN结外加正向电压：PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏。第19页/共81页20PN结正向偏置结正向偏置+内电场减弱，使扩散加强，内电场减弱，使扩散加强，扩散扩散 飘移，正向电流大飘移，正向电流大空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+_

10、正向电流正向电流第20页/共81页21211.1.3 PN结及其单向导电性(2)PN结外加反向电压：PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏。第21页/共81页22PN结反向偏置结反向偏置+空间电荷区变厚空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流反向饱和电流很小，很小，A级级第22页/共81页23231.2 二极管1.2.1 二极管的结构及符号半导体二极管是由一个PN结加上相应的电极和引线及管壳封装而成的。由P区引出的电极称为阳极（正极），N区引出的为阴极（负

11、极）。因为PN结的单向导电性，二极管导通时的电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。电流方向第23页/共81页24241.2.1 二极管的结构及符号二极管按半导体材料的不同可以分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。按结构不同可分为点接触型、面接触型和平面型二极管等。第24页/共81页25251.2.1 二极管的结构及符号 常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形各异。第25页/共81页26261.2.2 伏安特性及主要参数1、二极管的伏安特性曲线 二极管两端的电压U及其流过二极管

12、的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性曲线。用实验的方法，在二极管的正极和负极加上不同极性和不同数值的电压，同时测量流过二极管的电流值，就得到二极管的伏安特性。第26页/共81页27271.2.2 伏安特性及主要参数伏安特性曲线第27页/共81页28281.2.2 伏安特性及主要参数(1)正向特性 二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。当二极管所加正向电压比较小时（0UUT时：当外加反向电压|U|UT时 I=Is 第33页/共81页34341.2.2 伏安特性及主要参数4、主要参数（1）最大整流电流IF 最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大

13、正向电流的平均值。（2）反向击穿电压UBR 反向击穿电压是指二极管击穿时的电压值。（3）反向饱和电流IS 它是指管子没有击穿时的反向电流值。其值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。第34页/共81页35351.2.3 二极管电路的分析方法及应用（1）二极管理想模型 如果二极管正向压降远小于和它串联的电路的电压，反向电流远小于和它并联的电路的电流，则可忽略二极管的正向压降和反向电流对电路的影响，即认为二极管具有理想的伏安特性。理想的二极管可以用一个理想的开关来等效，正偏时开关闭合，反偏时开关断开。第35页/共81页36361.2.3 二极管电路的分析方法及应用（2）二极管恒压源模型 若二极管的工作

14、电流处于伏安特性曲线的近似指数部分，即使电流变化，二极管的端电压也基本不变。因此可用一条与实际伏安特性曲线基本重合的垂直曲线来代替原特性曲线。相应的电路模型叫恒压源模型。电路模型中UD(on)是二极管的恒定导通电压，对硅管可取0.7V，对锗管可取0.3V。利用二极管的恒压源模型时，只有当二极管两端正向电压大于UD(on)时，二极管才有电流流过，小于UD(on)时，二极管截止。这个模型与二极管的伏安特性较为接近。第36页/共81页37371.2.3 二极管电路的分析方法及应用例1-1第37页/共81页38381.2.3 二极管电路的分析方法及应用例1-2第38页/共81页39391.2.3 二极

15、管电路的分析方法及应用第39页/共81页40RLuiuouiuott二极管的应用举例：二极管的应用举例：二极管半波整流二极管半波整流第40页/共81页41411.3 稳压二极管稳压管是利用半导体特殊工艺制成，实质上也是一个半导体二极管，外形也相似，因为具有稳定电压的作用，称它为稳压管。在电子电路中，稳压管工作于反向击穿状态。击穿电压从几伏到几十伏，反向电流也较一般二极管大。在反向击穿状态下正常工作而不损坏，是稳压管的特点。第41页/共81页42421.3 稳压二极管1、稳压管的伏安特性和符号第42页/共81页43431.3 稳压二极管2、稳压管的主要参数 稳定电压UZ：它是指当稳压管中的电流为

16、规定值时，稳压管在电路中其两端产生的稳定电压值。稳定电流IZ：它是指稳压管工作在稳压状态时，稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大稳定电流IZmax之分。动态电阻rZ：指稳压管在正常的工作范围内，管子两端电压UZ的变化量和管中电流IZ的变化量之比，稳压管反向特性曲线越陡，rZ越小稳压性能越好。rZ=UZ /IZ第43页/共81页44441.3 稳压二极管3、稳压管的典型稳压电路第44页/共81页45451.3 稳压二极管4、例题：负载电阻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解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。

17、求：求：电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值。的正常值。方程方程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。第45页/共81页46461.3 稳压二极管令输入电压降到下限时，令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为流过稳压管的电流为Izmin。方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2，可解得：，可解得：第46页/共81页47471.4 其它类型二极管1、发光二极管发光二极管是一种光发射器件，英文缩写是LED。此类管子通常由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等元素的化合物制成，管子正向导通，当导通电流足够大时，能把电能直接转换为光能，发出光来。目前发光

18、二极管的颜色有红、黄、橙、绿、白和蓝6种，所发光的颜色主要取决于制作管子的材料。发光二极管应用非常广泛，常用作各种电子设备如仪器仪表、计算机、电视机等的电源指示灯和信号指示等，还可以做成七段数码显示器等。发光二极管的另一个重要用途是将电信号转为光信号。第47页/共81页48481.4 其它类型二极管第48页/共81页49491.4 其它类型二极管2、光电二极管光电二极管又称为光敏二极管，它是一种光接受器件，其PN结工作在反偏状态，可以将光能转换为电能，实现光电转换。第49页/共81页50501.4 其它类型二极管3、激光二极管激光二极管是在发光二极管的PN结间安置一层具有光活性的半导体，构成一

19、个光谐振腔。工作时接正向电压，可发射出激光。激光二极管的应用非常广泛，在计算机的光盘驱动器，激光打印机中的打印头，激光唱机，激光影碟机中都有激光二极管。第50页/共81页51511.5 半导体三极管 半导体三极管又称晶体三极管（下称三极管），一般简称晶体管，或双极型晶体管。它是通过一定的制作工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互作用，使三极管成为一个具有控制电流作用的半导体器件。第51页/共81页52521.5.1 基本结构和类型三极管可以是由半导体硅材料制成，称为硅三极管；也可以由锗材料制成，称为锗三极管。三极管从应用的角度讲，种类很多。根据工作频率分为高频管、低频管和开关管；根

20、据工作功率分为大功率管、中功率管和小功率管。第52页/共81页531.5.1 基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型第53页/共81页54BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高第54页/共81页55BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极发射结集电结第55页/共81页561.5.2 电流放大原理电流放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴基区空穴向发射区向发射区的扩散可的扩散可忽略。忽略。IBE进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与

21、基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IBE ，多数，多数扩散到集电结。扩散到集电结。发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。第56页/共81页57BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBO ICEIBEICE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57页/共81页58IB=IBE-ICBO IBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE第58页/共81页59ICE与与IBE之比称为电流放

22、大倍数之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。偏，集电结反偏。第59页/共81页60BECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管第60页/共81页611.5.3 特性曲线特性曲线ICmA AVVUCEUBERBIBECEB 实验线路实验线路第61页/共81页62一、一、输入特性输入特性UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：工作压降：硅管硅管UBE 0.60.7V,锗锗管管UBE 0.20.3V。UCE=0VUCE=0.5V 死区电死区电压，硅管压，硅管0.5

23、V，锗，锗管管0.2V。第62页/共81页63二、二、输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域满此区域满足足IC=IB称为线性称为线性区（放大区（放大区）。区）。当当UCE大于一大于一定的数值时，定的数值时，IC只与只与IB有关，有关，IC=IB。第63页/共81页64IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中UCE UBE,集电结正偏，集电结正偏，IBIC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。第64页/共81页65IC(mA )1234UCE(V

24、)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE 0.3V(3)截止区：截止区：UBE 死区电压，死区电压，IB=0，IC=ICEO 0 第66页/共81页67例：例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当当USB=-2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？当当USB=-2V时：时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大饱和电流：Q位于截止区位于截止区 第67页/共81页68例：例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=

25、6k 当当USB=-2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？IC Icmax(=2 mA)，Q位于饱和区。位于饱和区。(实际上，此时实际上，此时IC和和IB 已不是已不是 的关系）的关系）第69页/共81页70三、主要参数三、主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。集接法。共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流

26、的变化量为直流上的交流信号。基极电流的变化量为 IB，相应的集电极电流变化为相应的集电极电流变化为 IC，则则交流电流交流电流放大倍数放大倍数为：为：1.电流放大倍数电流放大倍数 和和 第70页/共81页71例：例：UCE=6V时时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA。在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理：=第71页/共81页722.集集-基极反向截止电流基极反向截止电流ICBO AICBOICBO是集是集电结反偏电结反偏由少子的由少子的漂移形成漂移形成的反向电的反向电流，受温流，受温度的变化度的变化影响。影响。第72页/共81页7

27、3BECNNPICBOICEO=IBE+ICBO IBE IBEICBO进入N区，形成IBE。根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流 IBE。集电结反偏有ICBO3.集集-射极反向截止电流射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。第73页/共81页744.集电极最大电流集电极最大电流ICM集电极电流集电极电流IC上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的下降，值的下降，当当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为流即为ICM。5.集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压当集当

28、集-射极之间的电压射极之间的电压UCE超过一定的数值时，超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25 C、基极开路时的击穿电压基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。第74页/共81页756.集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM 集电极电流集电极电流IC 流过三极管，流过三极管，所发出的焦耳所发出的焦耳 热为：热为：PC=ICUCE 必定导致结温必定导致结温 上升，所以上升，所以PC 有限制。有限制。PC PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区第75页/共81页761.6 场效应管场效应管是比较新型的半导体器件，

29、利用电场效应来控制晶体管的电流，因而得名。场效应管具有很高的输入电阻，几乎不取信号源的输出电流，因而功耗小，体积小，易于集成化。场效应管被广泛应用于模拟集成电路和数字集成电路中。第76页/共81页771.6 场效应管场效应管按其结构可分为结(J)型和绝缘栅(MOS)型场效应管；从工作性能可分为耗尽型和增强型两类；根据所用基片(衬底)材料不同，又可分P沟道和N沟道两种导电沟道；因此，有结型P沟道和N沟道，绝缘栅耗尽型P沟道和N沟道，及增强型P沟道和N沟道六种类型场效应管。第77页/共81页78结型场效应管分为N沟道结型管和P沟道结型管，它们都具有3个电极：栅极、源极和漏极，分别与三极管的基极、发

30、射极和集电极相对应。1.6 场效应管第78页/共81页79与晶体管的比较(1)场效应管是电压控制器件，基本不取信号电流，在只允许向信号源索取极小电流的情况下，应采用场效应管；而三极管是电流控制器件，取用一定的信号电流。(2)场效应管为单极型器件，只有多子参与导电；三极管既有多子参与导电也有少子参与导电，因此为双极型器件。场效应管具有较好的温度稳定性，且输入电阻高，抗辐射、抗干扰能力强。(3)由于场效应管结构对称，源极和漏极可互换，且耗尽型的MOS管的控制电压UGS可正、可负，具有一定灵活性。(4)场效应管还具有工艺简单、易集成和占用芯片面积小的优点，尤其适用于大规模的集成电路。1.6 场效应管第79页/共81页8080作业书后习题：1.1、1.2、1.3、1.4、1.6、1.7、1.8、1.9 第80页/共81页81谢谢您的观看！第81页/共81页