第12章 半导体器件01

1、第12章 半导体器件 12.1 半导体的基础知识 12.2 半导体二极管 12.4 双极型晶体管 12.1 半导体的基础知识 按导电能力分类：导体，半导体和绝缘体 制造半导体的主要材料：硅（si）和锗 （Ge）(化学中的四价元素) 半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。 半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有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。例如：不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热

2、和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。 一、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构特点 Ge Si 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，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。的最外层电子（价电子）都是四个。 本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成 晶体点阵，每

3、个原子都处在正四面体的中心，晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心， 而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子 与其相临的原子之间形成与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价 电子。电子。 硅和锗的晶硅和锗的晶 体结构：体结构： 硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构 共价键共共价键共 用电子对用电子对 +4+4 +4+4 +4+4表示除表示除 去价电子去价电子 后的原子后的原子 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难

4、脱离共价键成为自自 由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。本征半导体的导电能力很弱。 形成共价键后，每个原子的最外层电子是形成共价键后，每个原子的最外层电子是 八个，构成稳定结构。八个，构成稳定结构。 共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。 +4+4 +4+4 二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理 在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时, ,价价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有电子完全被共价键束缚着，本征半导体中

5、没有 可以运动的带电粒子（即可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电），它的导电 能力为能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。 在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，由于热激发，使一些价电子获 得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由自由 电子电子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。 1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴 +4+4 +4+4 自由电子自由电子 空穴空穴 束缚电子束缚电子 2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 +4+4 +4+4 在其它力的作用下，在其它力的作用下，

6、 空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子 来填补，这样的结果来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此 可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流 子。子。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子自由电子和和空穴空穴。 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半 导体的导电能力越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一 大特点。大特

7、点。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。 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的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。 P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质

8、半导体，也 称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。 N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。 一、一、N 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 （或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子， 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键， 必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，必定多出一个电子，这个电子几乎不

9、受束缚， 很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子 就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原 子给出一个电子，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。 +4+4 +5+4 多余多余 电子电子 磷原子磷原子 N 型半导体中型半导体中 的载流子是什的载流子是什 么？么？ 1 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、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，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度

10、，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流 子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。 二、二、P 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼 （或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质 取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的 半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时， 产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴 可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子

11、来填补， 使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动 的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼 原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为 受主原子受主原子。 +4+4 +3+4 空穴空穴 硼原子硼原子 P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。 三、杂质半导体的示意表示法三、杂质半导体的示意表示法 P 型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半导体型半导体 杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。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

12、多子但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。 近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。 二、二、PN结及其单向导电性结及其单向导电性 1、PN结的形成结的形成 （1）多子扩散多子扩散逐渐加宽空间电荷层（耗尽层，阻挡层），形成 逐渐增强并阻碍多子扩散、阻碍空间电荷层加宽的内电场。 （2）少子少子在内电场作用下产生漂移漂移，消弱内电场，使阻挡层变窄； （3）多子扩散和少子漂移最终达到动态平衡，动态平衡，空间电荷层相对稳定。 扩散电流与漂移电流大小相等，方向相反，扩散电流与漂移电流大小相等，方向相反，PN结中电流为零。结中电流为零。 2、PN结单向导电性结单向导电性 （1）PN结加

13、正向电压结加正向电压 （正向偏置）（正向偏置） 限流电阻限流电阻 a、外加电场使得内电场被消弱，从而加剧了多子扩散；、外加电场使得内电场被消弱，从而加剧了多子扩散； 多子向耗尽层的扩散使空间电荷层变窄；多子向耗尽层的扩散使空间电荷层变窄； b、空间电荷层变窄更有利于多子扩散而抑制少子漂移；、空间电荷层变窄更有利于多子扩散而抑制少子漂移； c、多子扩散电流称为正向电流（、多子扩散电流称为正向电流（P N），此时称），此时称PN结导通；结导通； PN结正偏：结正偏：PN结导通，电阻很小，正向电流较大；结导通，电阻很小，正向电流较大； a、外加电场增强内电场，从而阻碍多子扩散而增强了少子的、外加电场

14、增强内电场，从而阻碍多子扩散而增强了少子的 漂移，使得空间电荷层变宽；漂移，使得空间电荷层变宽； b、少子漂移电流（、少子漂移电流（N P），称为反向饱和电流；），称为反向饱和电流； c、反向饱和电流很小，且外加电压超过一定数值时，基本不随、反向饱和电流很小，且外加电压超过一定数值时，基本不随 电压的增加而增加。电压的增加而增加。 （2）PN结加反向电压结加反向电压 （反向偏置）（反向偏置） PN结反偏：结反偏：PN结截止，电阻很大，反向电流很小；结截止，电阻很大，反向电流很小； 12.2 半导体二极管半导体二极管 一、基本结构一、基本结构 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管

15、壳和引线，就成为半导体二极管。 引线引线 外壳线外壳线 触丝线触丝线 基片基片 点接触型点接触型 PN结结 面接触型面接触型 (c)(c)平面型平面型 阴极阴极 引线引线 阳极阳极 引线引线 P N P 型支持衬底型支持衬底 二极管的代表符号二极管的代表符号 (d) 代表符号代表符号 k 阴极阴极阳极阳极 a 二极管图片 二极管图片 二极管图片 1、二极管导通条件及特点 条件：外加正向电压(正向特性正向特性) 正常工作时的管压正常工作时的管压 降降 硅：0.7V 锗：0.3V 相当于开关闭合后有个恒压降 2、二极管的截止条件及特点 截止条件： 死区电压：死区电压： 硅：0.5V 锗：0.1V

16、相当于二极管断开。 12.2.2 伏安特性 0 D/V 0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 40 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/ A iD/mA 死区死区 Vth VBR 硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性 0 D/V 0.2 0.4 0.6 20 40 60 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/ A iD/mA Vth VBR 锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性 + iD vD - R 正向特性正向特性 反向特性反向特性 反向击穿特性反向击穿特性 12.2.2 伏安特性 正

17、向特性：反映二极管外加正向电压时电 流和电压的关系 反向特性：反映二极管外加反向电压时电 流和电压的关系 近似处理：如果电源电压和二极管导通电 压相差不多时，正向电压不可忽略，则伏 安特性是二极管的电压小于其导通时的正 向电压，二极管截止，电流等于0；而二极 管导通后，则正向电压恒等于Ud.。 理想化处理 当电源电压远大于二极管导通电压时，则 可以看成是理想的二极管，加正向电压时 导通，正向电压降和正向电阻为0，相当于 短路，加反向电压时，二极管截止，二极 管相当于开路。 应用举例 钳位电路分析 限幅电路分析 单相桥式整流电路 例1-1 ui=10sinwt (v) E=5v R=1k欧姆 忽

18、略二极管的 正向压降和 反向电流 画出画出uo的波形的波形 （1） ui E 时，二极管正向导通， uo = E; 限幅电路 组成逻辑门电路 单相桥式整流电路 仿真电路图 波形图 全波整流电路 例 判断二极管的 工作状态。 判断方法判断方法： 正向偏置VAVB；导通； 反向偏置VAVB；截止； 解题方法：解题方法： 断开二极管2AP1， 求VA和和VB VA = 15 （10/（10+140）=1V； VB = -10（2/（18+2） + 15（5 /（25+5）=1.5V； VAVB，所以，二极管2AP1截止； 发光二极管发光二极管 有正向电流流过有正向电流流过 时，发出一定波长时，发出一

19、定波长 范围的光，目前的范围的光，目前的 发光管可以发出从发光管可以发出从 红外到可见波段的红外到可见波段的 光，它的电特性与光，它的电特性与 一般二极管类似。一般二极管类似。 12.4 双极型晶体管 基本结构 工作状态 特性曲线 主要参数 12.4.1 基本结构 半导体三极管的结构示意图如图半导体三极管的结构示意图如图03.1.01所示。它所示。它 有两种类型有两种类型:NPN型和型和PNP型。型。 两种类型的三极管两种类型的三极管 发射结发射结(Je) 集电结集电结(Jc) 基极基极，用B或b表示（Base） 发射极发射极，用E或e 表示（Emitter）； 集电极集电极，用C或c 表示（

20、Collector）。 发射区发射区 集电区集电区 基区基区 三极管符号三极管符号 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； 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且 掺杂浓度最低。掺杂浓度最低。 管芯结构剖面图管芯结构剖面图 三极管的三种组态三极管的三种组态: 共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示表示; 共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CB表示。表示。 共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CE表示；表示； 晶体管的三种组态晶体管的三种组态 12.4.2 工作状态 放大状态 饱和状态 截止状态 IC mA A VVUCEUBE RB IB EC EB 实验线路实验线路 mA IE 1) 放