半導體原件精品課件

1、半導體原件第1頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二1第一章 半導體器件 1.1 半導體的基本知識 1.2 PN 結(jié)及半導體二極管 1.3 特殊二極管 1.4 半導體三極管 1.5 場效應(yīng)晶體管第2頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二21.1 半導體的基本知識1.1.1 導體、半導體和絕緣體導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。第3頁，共93頁，2022年，5月20日，

2、1點41分，星期二3半導體的導電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如： 當受外界熱和光的作用時，它的導電能 力明顯變化。 往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使 它的導電能力明顯改變。第4頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二4 本征半導體一、本征半導體的結(jié)構(gòu)特點GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體?，F(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。第5頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二5本征半導體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體

3、的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：第6頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二6硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)+4+4+4+4第7頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二7共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4第8頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分

4、，星期二8二、本征半導體的導電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為 0，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴第9頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二9+4+4+4+4束縛電子第10頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二102.本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結(jié)果相當于空穴的遷移，而空穴的遷

5、移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。第11頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二11溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流。第12頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二12 雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子

6、濃度大大增加。P 型半導體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（空穴半導體）。N 型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（電子半導體）。第13頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二13一、N 型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。第14頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二14+4+4

7、+5+4多余電子N 型半導體中的載流子是什么？1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。第15頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二15二、P 型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱

8、為受主原子。+4+4+3+4P 型半導體中空穴是多子，電子是少子。第16頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二16三、雜質(zhì)半導體的示意表示法P 型半導體+N 型半導體雜質(zhì)型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。第17頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二171.2 PN結(jié)及半導體二極管2.1.1 PN 結(jié)的形成在同一片半導體基片上，分別制造P 型半導體和N 型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。第18頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二18P型半導

9、體N型半導體+擴散運動內(nèi)電場E漂移運動第19頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二19漂移運動P型半導體N型半導體+擴散運動內(nèi)電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。第20頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二20+空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0第21頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二211、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N區(qū) 中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。3、P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形

10、成的電流很小。注意:第22頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二222.1.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN 結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P 區(qū)加正、N 區(qū)加負電壓。 PN 結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區(qū)加負、N 區(qū)加正電壓。第23頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二23+RE一、PN 結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。第24頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二24二、PN 結(jié)反向偏置+內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量

11、有限，只能形成較小的反向電流。RE第25頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二25 半導體二極管一、基本結(jié)構(gòu)PN 結(jié)加上管殼和引線，就成為半導體二極管。觸絲線基片點接觸型面接觸型PN二極管的電路符號：第26頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二26 二、伏安特性UI死區(qū)電壓 硅管0.6V,鍺管0.2V。導通壓降: 硅管0.60.7V,鍺管0.20.3V。反向擊穿電壓UBR第27頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二27三、主要參數(shù)1. 最大整流電流 IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2. 反向擊穿電壓UBR二極管反向

12、擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半。第28頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二283. 反向電流 IR指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦裕饕獞?yīng)用于整流、限幅、保護等等。下面介紹兩個交流參數(shù)。第29頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二

13、294. 微變電阻 rDiDuDIDUDQiDuDrD 是二極管特性曲線上工作點Q 附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。第30頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二305. 二極管的極間電容二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴散電容CD。勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。擴散電容：為了形成正向電流（擴散電流），注入P 區(qū)的少子（電子）在P 區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P 區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電

14、流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴散電容CD。P+-N第31頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二31CB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，由于載流子數(shù)目很少，擴散電容可忽略。PN結(jié)高頻小信號時的等效電路：rd第32頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二32二極管：死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降0.7V(硅二極管) 理想二極管：死區(qū)電壓=0 ，正向壓降=0 RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例1：二極管半波整流第33頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二33二極管的應(yīng)用舉例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo第34

15、頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二341.3 特殊二極管 穩(wěn)壓二極管UIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差+-UZ動態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。第35頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二35（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓 UZ（2）電壓溫度系數(shù)U（%/） 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動態(tài)電阻第36頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二36穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):負載電阻 。要求當輸入電壓由正常值發(fā)生20%

16、波動時，負載電壓基本不變。解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax 。求：電阻R和輸入電壓 ui 的正常值。方程1第37頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二37令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin 。方程2uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程1、2，可解得：第38頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二381.3.2 光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加第39頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二391.3.3 發(fā)光二極管有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波

17、段的光，它的電特性與一般二極管類似。第40頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二401.4 半導體三極管 基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型第41頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二41BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高第42頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二42BECNNP基極發(fā)射極集電極第43頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二431.4.2 電流放大原理BECNNPEBRBECIEIBE第44頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二4

18、4BECNNPEBRBECIEICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE從基區(qū)擴散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進入集電結(jié)而被收集，形成ICE。第45頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二45IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE第46頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二46ICE與IBE之比稱為電流放大倍數(shù)要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。第47頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二47BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP

19、型三極管第48頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二48 特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB 實驗線路第49頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二49一、輸入特性UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8 死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。第50頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二50二、輸出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A當UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。第51頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二51

20、IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A第52頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二52IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A第53頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二53輸出特性三個區(qū)域的特點:放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 即： IC=IB , 且 IC = IB(2) 飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。 即：UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V (3) 截止區(qū)： UBE 死區(qū)電壓， IB=0 ， IC=ICEO 0 第54頁，共93頁，2022年，5月20

21、日，1點41分，星期二54例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 當USB = -2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？當USB =-2V時：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0 ， IC=0IC最大飽和電流：Q位于截止區(qū) 第55頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二55例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 當USB = -2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？IC Icmax(=2 mA)， Q位于飽和區(qū)。(實際上，此時IC和IB 已不是的關(guān)系）第57頁，共93頁，202

22、2年，5月20日，1點41分，星期二57三、主要參數(shù)前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接法，相應(yīng)地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數(shù)：工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號?；鶚O電流的變化量為IB，相應(yīng)的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數(shù)為：1. 電流放大倍數(shù)和 第58頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二58例：UCE=6V時：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。在以后的計算中，一般作近似處理： =第59頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二592.集-

23、基極反向截止電流ICBOAICBOICBO是集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。第60頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二60BECNNPICBOICEO= IBE+ICBO IBE IBE3. 集-射極反向截止電流ICEOICEO受溫度影響很大，當溫度上升時，ICEO增加很快，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。第61頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二614.集電極最大電流ICM集電極電流IC上升會導致三極管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。5.集-射極反向擊穿電壓當集-射極之間的電壓UCE超過

24、一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)CEO。第62頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二626. 集電極最大允許功耗PCM 集電極電流IC 流過三極管， 所發(fā)出的焦耳 熱為：PC =ICUCE 必定導致結(jié)溫 上升，所以PC 有限制。PCPCMICUCEICMU(BR)CEO安全工作區(qū)第63頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二631.5 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)管與雙極型晶體管不同，它是多子導電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵型場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管有兩種:第64頁，共93頁，2022年，5月20日，1點41分，星期二64NPP兩邊是P區(qū)G(柵極)S源極D漏極一、結(jié)構(gòu)1.5.1 結(jié)型場效應(yīng)