第1章半导体器件-.ppt

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1、第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件半导体导电特性半导体导电特性PN结及其特性结及其特性半导体二极管特性及其应用半导体二极管特性及其应用稳压二极管稳压二极管三极管三极管场效应管场效应管1.1 半导体导电特性半导体导电特性1.1.1 概念概念 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。1.导体导体：容易导电的物体。如：铁、铜等2.绝缘体绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等3.半导体半导体 半导体半导体是是导电性能介于导体和绝缘体之间的物导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定条件下可导电。体。在一定条件下可导电。半导体半导体特点：特点：1)在外界能源的作用下，导电性能

2、显著变在外界能源的作用下，导电性能显著变 化。光敏元件、热敏元件属于此类。化。光敏元件、热敏元件属于此类。2)在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显 著增加。著增加。1.1.2 本征半导体本征半导体1.1.本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。化学成分纯净的半导体。制造半制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为常称为“九个九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。电子技术中用的最多的是硅硅和锗锗。硅硅和锗锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。锗硅价电子价电子简化原子结构模型简

3、化原子结构模型24K=99.984%18K=75.1%2.本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构 价电子与周围的原子的价电子形成共价键共价键。硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图3.3.电子与空穴电子与空穴+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子共价键当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发，也称热激发。电子与空穴电子与空穴 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。电子与空穴的复合电子与空穴的复合本征激发和复合的过程（动画1-1）电子空穴对电子空穴对复合复合空穴的移动空穴的移动导电机

4、理：导电机理：出现空穴出现空穴.邻近的价电子补充邻近的价电子补充出现空出现空穴穴其它电子补充。其它电子补充。空穴在晶体中的移动（1-2）载流子：载流子：电子、空穴电子、空穴1.1.3 1.1.3 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半杂质半导体导体。(1)(1)N型半导体型半导体(2)(2)P型半导体型半导体1.1.N型半导体型半导体 N型半导体：型半

5、导体：在本征半导体中掺入五价杂质元素，例在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，如磷，也称也称电子型半导体电子型半导体。自由电子N型半导体中的载流子有两种：型半导体中的载流子有两种：自由电子自由电子多数载流子（由两部分组成）多数载流子（由两部分组成）空穴空穴少数载流子少数载流子2.P型半导体型半导体P型半导体：型半导体：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等，也称为镓、铟等，也称为空穴型半导体空穴型半导体。P型半导体中：型半导体中：空穴是多数载流子空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；主要由掺杂形成；电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由

6、热激发形成。3.3.杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 2掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3 本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。本节中的有关概念本节中的有关概念 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 自由电子、空穴自由电子、空穴 N型半导体、型半导体、P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子1.2 PN结和半导体二极管结和半导体

7、二极管PN结的形成结的形成 PN结的单向导电性和电容效应结的单向导电性和电容效应半导体二极管半导体二极管1.PN结的形成结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差因浓度差多子扩散多子扩散形成空间电荷区形成空间电荷区促使少子漂移促使少子漂移阻止多子扩散阻止多子扩散PN结的形成结的形成内电场空间电荷区耗尽层电子空穴P区N区因浓度差因浓度差多子扩散多子扩散形成空间电荷区形成空间电荷区促使少子漂移促使少子漂移阻止多子扩散阻止多子扩散PN结的形成结的形成P型和型和N型半导体型半导体结合面结合面，空

8、间电荷区空间电荷区、PN结结、耗尽耗尽层层。PN结的形成过程（动画1-3）PN结的形成过程中的两种运动：多数载流子扩散 少数载流子飘移2.PN结的单向导电性结的单向导电性 如果外加电压使如果外加电压使PN结中：结中：P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，PNPN结处于结处于正向偏置正向偏置，简称，简称正偏正偏；PN结加正向电压内电场方向(1)PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况外加的正向电压与外加的正向电压与PN结内电场结内电场反向反向内电场内电场削弱削弱多子扩散运动增强，扩散电流加大多子扩散运动增强，扩散电流加大PN结呈现低阻性结呈现低

9、阻性PN结加正向电压时的导电情况（1-4）内电场方向PN结的伏安特性结的伏安特性 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流2.PN结的单向导电性结的单向导电性 如果外加电压使如果外加电压使PN结中：结中：P区的电位低于区的电位低于N区的电位，称为加区的电位，称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。PN结加反向电压内电场方向(2)PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 PN结加反向电压时的导电情况（1-5）内电场方向PN结的伏安特性结的伏安特性反向饱和电流反向饱和电流?高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流外加的正向电压与外加的正向电压与PN结内电场结内电场同向

10、同向内电场内电场加强加强多子扩散运动减弱，扩散电流减小多子扩散运动减弱，扩散电流减小PN结呈现高阻性结呈现高阻性（3）PN结的伏安特性结的伏安特性 PN结加结加正向电压正向电压时，呈现时，呈现低电阻低电阻，具有较大的正，具有较大的正向扩散电流；向扩散电流；PN结加结加反向电压反向电压时，呈现时，呈现高电阻高电阻，具有，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有结具有单向导电性。单向导电性。3.PN结方程结方程PN结两端的电压结两端的电压V与流过的电流与流过的电流I之间的关系为：之间的关系为：其中：其中：IS为为PN结的反向饱和电流；结的反向饱和电

11、流；VT称称为温度电压当量，在温度为为温度电压当量，在温度为300K(27C)时，时，VT约为约为26mV；上式写为上式写为：PN结方程结方程PN结正偏时，如果结正偏时，如果V VT 几倍以上，上式可改写：几倍以上，上式可改写：即即I随随V按指数规律变化。按指数规律变化。PN结反偏时，如果结反偏时，如果V VT几倍以上，几倍以上，上上式可改写为：式可改写为：其中负号表示为反向。其中负号表示为反向。4.PN结的击穿特性结的击穿特性热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆 当反向电压较大时当反向电压较大时5.PN结的电容效应结的电容效应按产生电容的原因可分

12、为：按产生电容的原因可分为：势垒电容势垒电容CB:势垒区的空间电荷随电压变势垒区的空间电荷随电压变化而产生的电容效应化而产生的电容效应 扩散电容扩散电容CD：势垒区外侧的非平衡少子积势垒区外侧的非平衡少子积累引起的电容效应累引起的电容效应影响：影响：高频特性高频特性1.3 半导体二极管半导体二极管n半导体二极管的结构类型n半导体二极管的伏安特性曲线n半导体二极管的参数n半导体二极管基本应用n稳压管半导体二极管图片半导体二极管图片1.3.1 1.3.1 半导体二极管的结构类型半导体二极管的结构类型按结构分：按结构分：点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型(1)点接触型二极管点接触型

13、二极管 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波等高频电路。用于检波等高频电路。点接触型二极管的结构示意图二极管的结构二极管的结构平面型(3)平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造工往往用于集成电路制造工艺中。艺中。PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。面接触型1.3.2 半导体二极管的伏安特性曲线半导体二极管的伏安特性曲线 硅硅二极管的死区电压二极管的死区电压Vth=0.5 V左右，左右，锗锗二极管的死区电压二极管

14、的死区电压Vth=0.1 V左右。左右。当当0VVth时，正向电流为零，时，正向电流为零，Vth称为死区电压称为死区电压或开启电压。或开启电压。当当V0即处于正向特性区域即处于正向特性区域当当VVth时，开始出现正向时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。电流，并按指数规律增长。(1)正向特性正向特性 当当V0时，即处于反向特性区域时，即处于反向特性区域 当当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱反向饱和电流和电流I IS S 。当当VVBR时，反向时，反向电流急剧增加，电流急剧增

15、加，VBR称为称为反向击穿电压反向击穿电压。(2)反向特性反向特性反向特性反向特性 在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。硅二极管硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；和电流也很小；锗二极管锗二极管的反向击穿特性比较软，过的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。渡比较圆滑，反向饱和电流较大。1.3.3 半导体二极管的参数半导体二极管的参数(1)最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值。

16、电流的平均值。(2)反向击穿电压反向击穿电压VBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VRM 二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压VBR。为安全计，在实际为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。的一半计算。半导体二极管的参数半导体二极管的参数 (3)反向电流反向电流I IR R:在室温下，在规定的反向电压下，在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电

17、流一般在纳安极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微级；锗二极管在微安安(A)级。级。(4)正向压降正向压降VF：在规定的正向电流下，二极管：在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约；锗二极管约0.20.3V。(5)动态电阻动态电阻rd：反映了二极管正向特性曲线斜：反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，与工作电流的大小有关，即即 rd=VF/IF二极管基本应用二极管基本应用1.利用伏安特性的非线性构成（限幅电路）例

18、1：如图所示：D1D2vivovi理想模型理想模型IDO0.7V理想二极管恒压降模型0.7V二极管基本应用二极管基本应用1.利用伏安特性的非线性构成（限幅电路）例1：如图所示：D1D2vivovovi二极管基本应用二极管基本应用|vi|0.7V时，D1、D2中有一个导通，所以vo=0.7V例2：如图所示：voviD2D1vovi1.3.4 稳压二极管稳压二极管符号应用电路伏安特性1.2.4.1 稳压二极管参数稳压二极管参数从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。(1)稳定电压稳定电压VZ 在规定的稳压在规定的稳压管反向工作电流

19、管反向工作电流IZ下，所下，所 对应的反对应的反向工作电压。向工作电压。(2)动态电阻动态电阻rZ rZ=VZ/IZ rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡 应用电路稳压二极管参数稳压二极管参数(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM 反向工作时反向工作时PN结的功率损耗为结的功率损耗为 PZ=VZ IZ，由，由 PZM和和VZ可以决定可以决定IZmax。(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电和最小稳定工作电流流IZmin 应用电路稳压管应用稳压管应用如果输入电压如果输入电压Vi（Vi VZ），），稳压管处于稳压状态稳压管处于稳

20、压状态。Vi增大，增大，Vo增大，增大，IZ增大，（只要增大，（只要IZ IZmax，稳压管仍能正，稳压管仍能正常工作），常工作），VR增大，增大，Vo减小减小R1.2.4.2 稳压管应用稳压管应用稳压管正常工作的两个条件：稳压管正常工作的两个条件：a.必须工作在反必须工作在反向击穿状态（利用其正向特性除外）；向击穿状态（利用其正向特性除外）；b.流过管子的流过管子的电流必须介于稳定电流和最大电流之间。电流必须介于稳定电流和最大电流之间。电阻电阻R的作用的作用1、限流作用。保护稳压管；、限流作用。保护稳压管；2、稳压作用。调节稳压管的、稳压作用。调节稳压管的工作电流，实现稳压。工作电流，实现稳压。典型应用典型应用