半导体器件基础.ppt

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1、 半导体器件基础半导体器件基础p半导体基本知识半导体基本知识p半导体二极管半导体二极管p半导体三极管半导体三极管一、半导体基本知识一、半导体基本知识半导体定义半导体定义 在物理学中，根据材料的导电能力，可以将它们在物理学中，根据材料的导电能力，可以将它们划分为划分为导体导体、绝缘体绝缘体和和半导体半导体。导体导体很容易传导电流的物质；如很容易传导电流的物质；如金属铜、铝金属铜、铝等。等。绝缘体绝缘体不容易传导电流的物质；如不容易传导电流的物质；如陶瓷、橡胶陶瓷、橡胶等。等。半导体半导体导电性能介于导体和绝缘体之间的物质；如导电性能介于导体和绝缘体之间的物质；如锗、硅、硒锗、硅、硒及许多及许多金

2、属氧化物金属氧化物和和硫化物硫化物等。等。半导体的特性半导体的特性1 1、在受到光和热的刺激时，导电性能将发生、在受到光和热的刺激时，导电性能将发生显著的变化。显著的变化。2 2、在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导、在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导电性能会显著的增强。电性能会显著的增强。最常用的半导体是最常用的半导体是锗（锗（GeGe)和和硅硅(Si)Si)，并并且被制作成晶体。它们都是且被制作成晶体。它们都是4 4价价元素。元素。束缚电子束缚电子在绝对温度在绝对温度T=0KT=0K时时，所，所有的价电子都被紧紧束缚在有的价电子都被紧紧束缚在共价键中，不会成为共价键中，不会成为自由电自由

3、电子子，因此本征半导体的导电，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。能力很弱，接近绝缘体。制制造造半半导导体体器器件件的的半半导导体体材材料料的的纯纯度度要要达达到到99.9999999%99.9999999%，常常称称为为“9 9个个9 9”，现现在在随随着着集集成成规规模模的的提提高高，纯纯度度达达到到“1313个个9 9”。本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分纯净的半导体晶体。半导体为什么会导电？半导体为什么会导电？这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，束束缚缚电电子子获获得得能能量量，

4、有有的的电电子子可可以以挣挣脱脱共共价价键键的的束束缚缚，成成为为自自由由电电子子。同同时时，在在其其原原来来的的共共价价键键中中就就出出现现了了一一个个空空位，称为位，称为空穴空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4 自由电子和空穴总是成对出自由电子和空穴总是成对出现的，外加能量越大，本征半导现的，外加能量越大，本征半导体中产生的电子空穴对越多。体中产生的电子空穴对越多。常温常温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：锗：锗：在本征激发的过程中，还存在一种相反的现象：在本征激发的过程中，还存在一种相反的现象：复合复合即其它的电子可能会转移到这个空位上。即其它的电子可能会转移

5、到这个空位上。在一定温度下在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡时，电子空穴对的浓度一定。到动态平衡时，电子空穴对的浓度一定。硅晶体导电性能的温硅晶体导电性能的温度稳定性比锗晶体好。度稳定性比锗晶体好。结论：结论：本征半导体的本征半导体的导电性取决于外加能量：导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。光照变化，导电性变化。空穴空穴的出现是半导体的出现是半导体区别于导体的一个重要区别于导体的一个重要特点。所以，半导体在特点。所以，半导体在导电时，形成电流的导电时，形成电流的自自由电荷由电荷（载流子载流子）有两）

6、有两种：种：自由电子自由电子和和空穴空穴。自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子N N型半导体型半导体【NegativeNegative电子电子】在锗或硅晶体内在锗或硅晶体内掺入少量五价元素掺入少量五价元素杂质，如磷；这样杂质，如磷；这样在晶体中就有了多在晶体中就有了多余的余的自由电子自由电子。多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子空穴空穴N N型半导体主要是电子导电。型半导体主要是电子导电。N N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体P P型半导体型半导体【

7、PositivePositive空穴空穴】在锗或硅晶体内在锗或硅晶体内掺入少量三价元素掺入少量三价元素杂质，如硼；这样杂质，如硼；这样在晶体中有了多余在晶体中有了多余的的空穴空穴。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子多数载流子多数载流子空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P P型半导体主要是空穴导电。型半导体主要是空穴导电。PNPN结及其特性结及其特性 PNPN结结是构成各种半导体器件的基础，是构成各种半导体器件的基础，PNPN结的作用使半导体获得广泛应用。结的作用使半导体获得广泛应用。把一块把一块P P型半导体型半导体和一块和一块N N型半导体型半导体连接在一起，在它们的结合处就会形成连

8、接在一起，在它们的结合处就会形成一个特殊的接触面称为一个特殊的接触面称为PNPN结结。内电场E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。PNPN结合结合空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流PNPN结的形成结的形成 v 随着随着扩散运动扩散运动的进行，的进行，空间电荷区的宽度将空间电荷区的宽度将逐渐增大逐渐增大；v 随着随着漂移运动漂移运动的进行，的进行，空间电荷区的宽度将空间电荷区的宽度将逐渐减小逐渐减小。到达平衡时，到达平衡时，扩散电流漂移电流扩散电流漂移电流

9、PNPN结中总电流结中总电流0 0空间电荷区的宽度也达到稳定空间电荷区的宽度也达到稳定形成形成PN结结 PNPN结的单向导电特性：结的单向导电特性：加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）P P区接电源正极，区接电源正极，N N区区接电源负极，接电源负极，则电源产生的外电场与则电源产生的外电场与PNPN结的内电场结的内电场方向相反，内电场被削弱，方向相反，内电场被削弱，PNPN结变窄，表现为结变窄，表现为很小很小的电阻的电阻，形成，形成较大正向电流较大正向电流（多数载流子形成的扩（多数载流子形成的扩散电流）散电流），PNPN结处于结处于正向导通状态。正向导通状态。加反向电压加反向电压(反偏反偏)N

10、 N区接电源正极，区接电源正极，P P区接区接电源负极，电源负极，则电源产生的外电场与则电源产生的外电场与PNPN结的内电场方结的内电场方向相同，增强了内电场，向相同，增强了内电场，PNPN结变宽，表现为结变宽，表现为很大的很大的电阻电阻，有有较小的反向电流较小的反向电流（少数载流子形成的漂移（少数载流子形成的漂移电流），电流），PNPN结结处于处于反向截反向截止止状态。状态。PN 在一定的温度下，在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓由本征激发产生的少子浓度是一定的，故度是一定的，故I IR R基本上与基本上与外加反压的大小无关外加反压的大小无关，所所以称为以称为反向饱和电流反向饱和电流。但

11、。但I IR R与温度有关。与温度有关。注：当反向电压增注：当反向电压增大到一定程度，反向大到一定程度，反向电流会突然增大，电流会突然增大，PNPN结被电击穿，失去单结被电击穿，失去单向导电性。如果没有向导电性。如果没有适当的限流措施，适当的限流措施，PNPN结会被热烧毁。结会被热烧毁。综上所述综上所述 PNPN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，具有较大的正向扩散电流，PNPN结导通结导通（相当开关闭合）；（相当开关闭合）；PNPN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，具有很小的反向漂移电流，PNPN结截止

12、结截止（相当开关断开）。（相当开关断开）。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单向结具有单向导电性（开关特性）。导电性（开关特性）。小结小结1 1半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间。半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间。半导体具有热敏、光敏、杂敏等特性。常用的半半导体具有热敏、光敏、杂敏等特性。常用的半导体材料是硅和锗，并被制作成晶体。导体材料是硅和锗，并被制作成晶体。2 2、半导体导电时、半导体导电时有两种载流子（有两种载流子（自由电子自由电子和和空穴空穴）参与形成电流。参与形成电流。在纯净的半导体中掺入不同的微在纯净的半导体中掺入不同的微量杂质，可以得到量杂质，可以

13、得到N N型半导体型半导体（电子型）和（电子型）和P P型半型半导体导体（空穴型）。（空穴型）。3 3、P P型半导体和型半导体和N N型半导体相连接在结合处形成型半导体相连接在结合处形成PNPN结结，PNPN结的基本特性是具有结的基本特性是具有单向导电性单向导电性。二、半导体二极管及其特性半导体二极管及其特性 半导体二极管，也叫半导体二极管，也叫晶体二极晶体二极管管。它由。它由一个一个PN结结构成，具有构成，具有单向单向导电性导电性，是整流电路的核心器件。，是整流电路的核心器件。几种常见二极管的外形几种常见二极管的外形二极管的结构及电路符号二极管的结构及电路符号 二极管二极管 =PNPN结结

14、 +管壳管壳 +引线引线1 1、正向导通特性：、正向导通特性：正向电压达到一定程度正向电压达到一定程度（硅二极管为（硅二极管为0.60.6V,V,锗二锗二极管为极管为0.20.2V V），），二极管导通，正向电流增加很快，二极管导通，正向电流增加很快，导通时正向电压有一个很小的变化，就会引起正向导通时正向电压有一个很小的变化，就会引起正向电流很大的变化，电流很大的变化，两引脚之间的电阻很小，相当于两引脚之间的电阻很小，相当于开关接通。开关接通。二极管在电路中受外加电压控制共有两种工作二极管在电路中受外加电压控制共有两种工作状态：状态：正向导通正向导通和和反向截止反向截止。二极管的特性二极管的特

15、性单向导电性单向导电性2 2、反向截止特性：、反向截止特性：给二极管加反向电压，则处于截止状态，二极管给二极管加反向电压，则处于截止状态，二极管两引脚之间的电阻很大，反向电流很小，相当于开关两引脚之间的电阻很大，反向电流很小，相当于开关断开。断开。当反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小当反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本保持不变，所以通常把反向电流又称为基本保持不变，所以通常把反向电流又称为反向饱和反向饱和电流电流，但反向电流会随温度的升高而增长很快。，但反向电流会随温度的升高而增长很快。硅二极管的反向电流只有锗二极管的几十分之一硅二极管的反向电流只有锗二极管的几十分之一或几百分

16、之一，所以硅管的温度稳定性比锗管好。或几百分之一，所以硅管的温度稳定性比锗管好。3、二极管反向击穿：、二极管反向击穿：当所加的当所加的反向电压反向电压增大到一定数值时，增大到一定数值时，反反向电流向电流迅速增大，这种现象称为迅速增大，这种现象称为反向击穿反向击穿，二，二极管失去单向导电性，发生击穿时的反向电压极管失去单向导电性，发生击穿时的反向电压叫叫反向击穿电压反向击穿电压。此时如果没有适当的限流措。此时如果没有适当的限流措施，因电流过大会使二极管过热而被烧毁。施，因电流过大会使二极管过热而被烧毁。因此二极管工作时，要求承受的反向电压因此二极管工作时，要求承受的反向电压应小于其反向击穿电压的

17、一半。应小于其反向击穿电压的一半。按材料分：按材料分：可分为可分为硅二极管硅二极管和和锗二极管锗二极管。硅二极管的正向压。硅二极管的正向压降约为降约为0.60.6V V，正、反向电阻比锗二极管大，反向电正、反向电阻比锗二极管大，反向电流比锗二极管小。锗二极管的正向压降约为流比锗二极管小。锗二极管的正向压降约为0.20.2V V。按用途分：按用途分：整流二极管、稳压二极管、光电二极管、变容整流二极管、稳压二极管、光电二极管、变容二极管、发光二极管、开关二极管等。二极管、发光二极管、开关二极管等。二极管的种类二极管的种类稳压管的一种实物图稳压管的一种实物图 黑头一侧为负极黑头一侧为负极电路符号电路

18、符号 稳压管工作在稳压管工作在反向击穿区反向击穿区几种普通发光二极管实物图几种普通发光二极管实物图长脚为正极大头为负极电路符号电路符号二极管的使用二极管的使用1 1、接入电路前，必须判别二极管的极性、质、接入电路前，必须判别二极管的极性、质量的好坏，然后正确的接入电路中。量的好坏，然后正确的接入电路中。2 2、识别二极管的型号，注意二极管的正向电、识别二极管的型号，注意二极管的正向电流和反向电压峰值不能超过所允许的标准值。流和反向电压峰值不能超过所允许的标准值。3 3、安装二极管时，应尽量远离发热器件。大、安装二极管时，应尽量远离发热器件。大功率的二极管应加装散热器。功率的二极管应加装散热器。

19、4 4、不同用途之间的二极管不宜代用，硅二极、不同用途之间的二极管不宜代用，硅二极管和锗二极管之间也不能代用。管和锗二极管之间也不能代用。小结小结 二极管是由一个二极管是由一个PNPN结构成的，结构成的，具有具有单向导电性（开关特性），单向导电性（开关特性），不同类型的二极管具有不同的不同类型的二极管具有不同的功能功能和和用途。用途。三、半导体三极管及其特性三、半导体三极管及其特性 半导体三极管，也叫半导体三极管，也叫晶体三极管晶体三极管由由两个两个PNPN结结组成组成，具有，具有放大放大作用作用，是是放大电路的核心器件，由于工作时，放大电路的核心器件，由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与

20、运行，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，三极管还被称为双极型晶体管因此，三极管还被称为双极型晶体管（简称（简称BJTBJT）。）。几种常见三极管的实物外形几种常见三极管的实物外形大功率三极管大功率三极管功率三极管功率三极管普通塑封三极管普通塑封三极管三极管的分类三极管的分类 按频率分按频率分高频管高频管低频管低频管 按功率分按功率分大功率管大功率管中功率管中功率管小功率管小功率管 按半导按半导 体材料分体材料分硅管硅管锗管锗管 按结构按结构 不同分不同分NPN型型PNP型型NPNNPN型型发射区发射区集电区集电区基区基区发射结发射结集电结集电结e【Emitter】c【Collector】

21、b发射极发射极集电极集电极基极基极NNP【Base】电路电路符号符号:三极管的结构三极管的结构箭头方向：由箭头方向：由P P区区N N区区通过三极管正向电流的方向通过三极管正向电流的方向发射区发射区集电区集电区基区基区发射结发射结集电结集电结ecb发射极发射极集电极集电极基极基极PPN电路电路符号符号:箭头方向：由箭头方向：由P P区区N N区区通过三极管正向电流的方向通过三极管正向电流的方向PNPPNP型型【Emitter】【Collector】【Base】结构特点：结构特点：发射区的掺杂浓度最高；发射区的掺杂浓度最高；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；

22、基区的掺杂浓度最低且很薄，一般在几个微米基区的掺杂浓度最低且很薄，一般在几个微米至几十个微米。至几十个微米。管芯结构剖面图管芯结构剖面图三极管的特性三极管的特性 通过控制基极电流，能使三极管分别处于通过控制基极电流，能使三极管分别处于放放大大、截止截止和和饱和饱和三种工作状态。三种工作状态。1 1、三极管的放大作用、三极管的放大作用 三极管的放大作用是在一定的外部条件控三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过内部载流子的传输体现出来。制下，通过内部载流子的传输体现出来。外部条件：外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。发射区的多数载流子自发射区的多数载流子自由电子不断通

23、过发射结扩由电子不断通过发射结扩散到基区，形成发射极电散到基区，形成发射极电流流e e 电子在基区扩散与复合电子在基区扩散与复合形成基极电流形成基极电流b b，由于基由于基区很薄，且空穴浓度很低，区很薄，且空穴浓度很低，b b很小。很小。电子被集电极收集形成电子被集电极收集形成集电极电流集电极电流c c三极管内部载流子的传输过程三极管内部载流子的传输过程发射区：发射载流子发射区：发射载流子 集电区：收集载流子集电区：收集载流子 基区：传送和控制载流子基区：传送和控制载流子 ICIBIEIE=IC+IB IB IC 集电极与基极电流的关系为：集电极与基极电流的关系为：共射电流放大倍数共射电流放大

24、倍数三极管的电流放大作用三极管的电流放大作用三极管三个极上的电流分配关系三极管三个极上的电流分配关系:的值远大于的值远大于1 1，通常在，通常在2020020200范围内，只与管子的结范围内，只与管子的结构有关，与外加电压无关。构有关，与外加电压无关。放大是最基本的模拟信号处理功能放大是最基本的模拟信号处理功能l 放大放大是指把微小是指把微小的、微弱的电信号不失真的、微弱的电信号不失真的进行放大，的进行放大，实现能量的实现能量的控制和转换。控制和转换。不失真不失真就是就是一个微一个微弱的电信号通过放大器弱的电信号通过放大器后，输出电压或电流的后，输出电压或电流的幅度得到了放大，但它幅度得到了放

25、大，但它随时间变化的规律不能随时间变化的规律不能变变。l放大电路是模拟电路中最主要的电路放大电路是模拟电路中最主要的电路,三极管是组三极管是组成放大电路的核心元件。成放大电路的核心元件。具有放大特性的电子设备：收音机、电视机、具有放大特性的电子设备：收音机、电视机、手机、扩音器等等。手机、扩音器等等。利用三极管组成的利用三极管组成的放大电路放大电路，最常用的接法是：基，最常用的接法是：基极作为信号的输入端，集电极作为输出端，发射极极作为信号的输入端，集电极作为输出端，发射极作为输入回路、输出回路的共同端（作为输入回路、输出回路的共同端（共发射极接法共发射极接法）调节偏流电阻调节偏流电阻RPRP

26、的阻的阻值，使三极管处于值，使三极管处于放大放大状态状态。此时，如果在基。此时，如果在基极加上一个较小的电信极加上一个较小的电信号，集电极就能通过一号，集电极就能通过一个放大了的电信号。个放大了的电信号。放放大所需的能量来自外加大所需的能量来自外加直流电源。直流电源。放大工作状态放大工作状态2 2、三极管的开关特性、三极管的开关特性 调节偏流电阻调节偏流电阻RPRP的阻的阻值，值，使基极的电流为零使基极的电流为零或很小时，或很小时，三极管的两三极管的两个个PNPN结都处于反向偏置，结都处于反向偏置，集电极中没有电流通过，集电极中没有电流通过，三极管处于三极管处于截止状态截止状态，集电极与发射极

27、之间电集电极与发射极之间电阻很大，相当开关断开。阻很大，相当开关断开。截止工作状态截止工作状态cbe 调节偏流电阻调节偏流电阻RPRP的阻值，的阻值，使基极电流充分大时，集电使基极电流充分大时，集电极电流也随之变得非常大，极电流也随之变得非常大，三极管的两个三极管的两个PNPN结则都处于结则都处于正向偏置。集电极与发射极正向偏置。集电极与发射极之间的电压很小，小到一定之间的电压很小，小到一定程度会削弱集电极收集电子程度会削弱集电极收集电子的能力，这时的能力，这时b b再增大，再增大，c c也不能相应地增大了，也不能相应地增大了，三极管处于三极管处于饱和状态饱和状态，集电集电极和发射极之间电阻很

28、小，极和发射极之间电阻很小，相当开关接通。相当开关接通。饱和工作状态饱和工作状态小小 结结1.1.三极管是由两个三极管是由两个PNPN结构成的，有结构成的，有NPNNPN和和PNPPNP两种类型。两种类型。通过控制基极电流，能使三极管分别处于通过控制基极电流，能使三极管分别处于放大放大、截止截止和和饱饱和和三种工作状态，具有放大作用和开关特性。三种工作状态，具有放大作用和开关特性。1.1.三极管的放大作用，其三极管的放大作用，其实质是用一个微小电流实质是用一个微小电流b b控制较大电控制较大电流流c c和和e e，放大所需的能量来自外加直流电源。使三极管处放大所需的能量来自外加直流电源。使三极

29、管处于放大状态的条件是：于放大状态的条件是：内部条件：内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。外部条件：外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。发射结正向偏置，集电结反向偏置。放大是模拟电路处理信号的主要方式，三极管是放大电路的核放大是模拟电路处理信号的主要方式，三极管是放大电路的核心元件。心元件。1.1.三极管的开关特性。当控制三极管的开关特性。当控制b b为零或很小时，三极管的两个为零或很小时，三极管的两个PNPN结都处于反向偏置，结都处于反向偏置，c c和和e e为零或很小，集电极与发射极为零或很小，集电极与发射极之间电阻很大，三极管处于之间电阻很大，三极管处于截止状态截止状态，相当，相当开关断开开关断开。当。当b b很大时，很大时，c c和和e e也很大，三极管的两个也很大，三极管的两个PNPN结则都处于正向偏结则都处于正向偏置，置，b b无法控制无法控制c c和和e e，集电极和发射极之间电阻很小，集电极和发射极之间电阻很小，三极管处于三极管处于饱和状态饱和状态，相当，相当开关接通开关接通。在数字电路中，主要利。在数字电路中，主要利用三极管的开关特性。用三极管的开关特性。