第二章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)演示文稿

第二章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)演示文稿1當(dāng)前1頁，總共79頁。2優(yōu)選第二章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)當(dāng)前2頁，總共79頁。導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等?！?.1半導(dǎo)體的基本知識當(dāng)前3頁，總共79頁。半導(dǎo)體的導(dǎo)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(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化（熱敏性和光敏性）。

往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。當(dāng)前4頁，總共79頁。一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體?，F(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。2.1.1本征半導(dǎo)體當(dāng)前5頁，總共79頁。本征半導(dǎo)體：完全純凈的（純度達(dá)99.9999999%）、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)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)：當(dāng)前6頁，總共79頁。硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子當(dāng)前7頁，總共79頁。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(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)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當(dāng)前8頁，總共79頁。二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)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(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)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、自由電子和空穴當(dāng)前9頁，總共79頁。+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子當(dāng)前10頁，總共79頁。2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)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(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。當(dāng)前11頁，總共79頁。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)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。當(dāng)前12頁，總共79頁。這是因為游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合。隨著激發(fā)過程的進(jìn)行，不斷有電子獲得能量變成自由電子，從而形成更多的空穴電子對，但是隨著電子空穴對的增多，自由電子復(fù)合的機會（撞上空穴的機會）也增加了，最終單位時間內(nèi)激發(fā)的自由電子數(shù)和復(fù)合的自由電子數(shù)會達(dá)到平衡。只有當(dāng)溫度改變的時候才能打破這一平衡，進(jìn)入到下一個平衡狀態(tài)。從這里我們可以得出一個結(jié)論。即本征半導(dǎo)體中的電子濃度和空穴濃度只和溫度有關(guān)系，是溫度的函數(shù)。本征載流子濃度的計算我們給出一個公式：

當(dāng)前13頁，總共79頁。

雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。N型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。當(dāng)前14頁，總共79頁。一、N型半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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。當(dāng)前15頁，總共79頁。+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導(dǎo)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(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)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）。當(dāng)前16頁，總共79頁。二、P型半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。當(dāng)前17頁，總共79頁。三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)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(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。當(dāng)前18頁，總共79頁。從理論上講對于摻雜半導(dǎo)體，空穴濃度與電子濃度的乘積在一定溫度下仍然是一個常數(shù)，與摻雜程度無關(guān)。所以可以通過本征半導(dǎo)體中載流子的濃度來計算摻雜半導(dǎo)體中少子的濃度。對于N型半導(dǎo)體來說，

對于P型半導(dǎo)體來說，摻雜以后多數(shù)載流子濃度會大大增加，比本征載流子濃度大很多倍；而少數(shù)載流子濃度會大大降低，比本征載流子濃度小好多倍。

當(dāng)前19頁，總共79頁。2.1.3PN

結(jié)及其單向?qū)щ娦栽谕黄雽?dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)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)。一、PN結(jié)的形成當(dāng)前20頁，總共79頁。P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。當(dāng)前21頁，總共79頁。漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)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(dá)到平衡，相當(dāng)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。當(dāng)前22頁，總共79頁。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0當(dāng)前23頁，總共79頁。1.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（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:當(dāng)前24頁，總共79頁。二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)加上正向電壓（正向偏置）：P區(qū)加正電壓，N區(qū)加負(fù)電壓。

PN結(jié)加上反向電壓（反向偏置）：

P區(qū)加負(fù)電壓，N區(qū)加正電壓。當(dāng)前25頁，總共79頁。－－－－++++REPN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。當(dāng)前26頁，總共79頁。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)量有限，只能形成較小的反向電流。RE當(dāng)前27頁，總共79頁?！?.2晶體二極管2.2.1晶體二極管的結(jié)構(gòu)、符號、類型PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線外殼金屬觸絲基片點接觸型PN結(jié)面接觸型PN二極管的電路符號：當(dāng)前28頁，總共79頁。2.2.2二極管的伏安特性與等效電路UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR當(dāng)前29頁，總共79頁。2.2.3晶體二極管的主要參數(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娦员黄茐模踔吝^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。當(dāng)前30頁，總共79頁。3.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?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個交流參數(shù)。當(dāng)前31頁，總共79頁。2.2.4晶體二極管的溫度特性溫度對二極管的性能有較大影響，溫度升高時反向電流呈指數(shù)增長。另外，溫度升高使二極管正向壓降減小當(dāng)前32頁，總共79頁。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=0RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例1：二極管半波整流2.2.5晶體二極管的應(yīng)用當(dāng)前33頁，總共79頁。二極管的應(yīng)用舉例2：限幅當(dāng)前34頁，總共79頁。當(dāng)前35頁，總共79頁。

穩(wěn)壓管UIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+-UZ動態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。當(dāng)前36頁，總共79頁。（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)電阻當(dāng)前37頁，總共79頁。穩(wěn)壓二極管在工作時應(yīng)反接，并串入一只電阻。電阻的作用一是起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。應(yīng)用電路當(dāng)前38頁，總共79頁。光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加當(dāng)前39頁，總共79頁。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)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。當(dāng)前40頁，總共79頁。

晶體三極管的結(jié)構(gòu)、符號、類型BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型基極PNP集電極發(fā)射極BCEPNP型§2.3半導(dǎo)體三極管當(dāng)前41頁，總共79頁。BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高當(dāng)前42頁，總共79頁。BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)當(dāng)前43頁，總共79頁。BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管當(dāng)前44頁，總共79頁。2.3.2電流放大原理BECNNPEBRBECIE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。IBE進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE

，多數(shù)擴散到集電結(jié)。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。當(dāng)前45頁，總共79頁。BECNNPEBRBECIE集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE從基區(qū)擴散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。當(dāng)前46頁，總共79頁。IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBE當(dāng)前47頁，總共79頁。ICE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。事實上當(dāng)管子做好以后各區(qū)載流子濃度是一定的，這樣擴散和復(fù)合的規(guī)模之比是一定的。一般來說由于基區(qū)摻雜濃度很小，所以基極電流的很小變化就能引起集電極和發(fā)射極電流的很大變化，也就是說三極管具有電流放大作用。

當(dāng)前48頁，總共79頁。

特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

實驗線路當(dāng)前49頁，總共79頁。一、輸入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V

死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。當(dāng)前50頁，總共79頁。二、輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC=IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。當(dāng)前51頁，總共79頁。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。當(dāng)前52頁，總共79頁。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。當(dāng)前53頁，總共79頁。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

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區(qū)：

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO

0

當(dāng)前54頁，總共79頁。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。基極電流的變化量為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

晶體三極管的主要參數(shù)當(dāng)前55頁，總共79頁。例：UCE=6V時：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：=當(dāng)前56頁，總共79頁。2.集-基極反向飽和電流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。當(dāng)前57頁，總共79頁。BECNNPICBOICEO=(1+)ICBO

3.集-射極反向穿透電流ICEOICEO受溫度影響很大，當(dāng)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。當(dāng)前58頁，總共79頁。4.集電極最大電流ICM集電極電流IC上升會導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)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(dāng)集---射極之間的電壓UCE超過一定的數(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。當(dāng)前59頁，總共79頁。6.集電極最大允許功耗PCM

集電極電流IC

流過三極管，所消耗的功率：PC=ICUCE

必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，所以PC

有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)當(dāng)前60頁，總共79頁。場效應(yīng)管與雙極型晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好,是一種電壓控制型器件。結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵型場效應(yīng)管MOSFET場效應(yīng)管有兩種:§2.4場效應(yīng)晶體管當(dāng)前61頁，總共79頁。N基底：N型半導(dǎo)體PP兩邊是P區(qū)G(柵極)S源極D漏極一、結(jié)構(gòu)1.4.1結(jié)型場效應(yīng)管導(dǎo)電溝道當(dāng)前62頁，總共79頁。NPPG(柵極)S源極D漏極N溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGSDGS當(dāng)前63頁，總共79頁。PNNG(柵極)S源極D漏極P溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGSDGS當(dāng)前64頁，總共79頁。二、工作原理（以P溝道為例）PGSDUDSUGSNNNNIDPN結(jié)反偏，UGS越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。當(dāng)前65頁，總共79頁。PGSDUDSUGSNNIDNNUGS越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。當(dāng)前66頁，總共79頁。PGSDUDSUGSNNUGS達(dá)到一定