第1章常用半导体器件14-15-2

1、第一章常用半导体器件本章重点：本章难点：晶体三极管的导电机理FPN结的组成原理与特性F半导体二极管的特性与应用F双极性晶体管的工作原理与特性曲线F场效应管的类型与工作原理1.1 半导体基础知识1.2 半导体二极管1.3双极型晶体管1.4 场效应管本本章章内内容容常用半导体材料均为四价元素。1.1 半导体基础知识半导体基础知识导导体体半半导导体体绝绝缘缘体体低价元素高价元素如Cu为+2价、Al 为+3价如惰性气体导电能力强不导电导电能力弱323/10cm个个原原子子密密度度：322/105cm个个铜铜的的载载流流子子密密度度： 310/105.1cm个个硅硅的的载载流流子子密密度度： 313/1

2、05.2cm个个锗锗的的载载流流子子密密度度： 似似等等于于零零绝绝缘缘体体载载流流子子密密度度：近近一种物质的导电性能取决于它的一种物质的导电性能取决于它的载流子载流子密度密度（浓度）。（浓度）。1.1.1 本征半导体本征半导体 本征半导体化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。1.1.1 本征半导体本征半导体一、结构特点一、结构特点GeSi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。1.1.1 本征半导体本征半导体一、结构特点一、结构特点完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯

3、净的、结构完整的半导体晶体。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构： 共价键1.1.1 本征半导体本征半导体一、结构特点一、结构特点完全纯净的、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。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二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理1、本征激发、本征激发半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象条件：加热、光照及射线照射条件：加热、光照及射线照射+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子载流子载流子二、本征半导体的导电机理二、本

4、征半导体的导电机理2、复合、复合自由电子运动填补空穴两者同时消失的现象自由电子运动填补空穴两者同时消失的现象+4+4+4+4电子的运动相当电子的运动相当于空穴的反向迁于空穴的反向迁移移P1=P2二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理3、总结、总结本征激发复合动态平衡注意注意：半导体有半导体有自由电子自由电子和和空穴空穴两种两种载流子导电载流子导电三、本征半导体中载流子的浓度三、本征半导体中载流子的浓度载流子浓度受环境温度影响载流子浓度受环境温度影响，计算公式为：，计算公式为：)(3)2/(2/31cmeTKpnkTEiiGO自由电子自由电子的浓度的浓度空穴的浓空穴的浓度度N型半导体中

5、，自由电子为多子，空穴为少子。1.1.2 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中人为掺入某种在本征半导体中人为掺入某种“杂质杂质”元素形成的半导元素形成的半导体体一、一、 N型半导体型半导体杂质元素V族元素P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。1.1.2 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中人为掺入某种在本征半导体中人为掺入某种“杂质杂质”元素形成的半导元素形成的半导体体二、二、 P型半导体型半导体杂质元素族元素1.1.3 PN PN结结一、一、 半导体内载流子的运动半导体内载流子的运动1、 漂移运动（Drift Movement） 条件：有电场力作用表现：电子和空穴定向运动结论：产生漂移电流。

6、2、扩散扩散运动运动条件：浓度差表现：电子和空穴定向运动结论：产生扩散电流。在P型半导体和N型半导体的交界处形成的空间电荷区空间电荷区也称作空间电荷区也称作“耗尽区耗尽区” “势垒势垒区区” 二、二、 PN结的形成结的形成浓度差引起载流子扩散扩散形成自建电场在P型半导体和N型半导体的交界处形成的空间电荷区二、二、 PN结的形成结的形成自建电场阻止扩散，加强漂移。自建电场阻止扩散，加强漂移。扩散扩散=漂移漂移动态平衡动态平衡PN结形成结形成扩散扩散漂移漂移1、PN结正向偏置三、三、 PN结的单向导电性结的单向导电性P区接高电位，N区接低电位 正偏正偏内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强

7、能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。结论：正向导通结论：正向导通以电子的运动进行说明2、PN结反向偏置三、三、 PN结的单向导电性结的单向导电性P区接低电位，N区接高电位 反偏反偏结论：反向截止结论：反向截止内电场被被加强，多内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子子漂移加强，但少子数量有限，只能形成数量有限，只能形成较小的反向电流。较小的反向电流。四、四、PNPN结的电流方程结的电流方程) 1(kTquseIiTUqkT) 1(TUuseIiKT300mVUT26玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数k =1.3810-23J/K电子电荷量电子电荷量q

8、 =1.610-19C外加电压外加电压取时反向饱和电流反向饱和电流PN结的伏安特性曲线对应表:五、五、PNPN结的伏安特性结的伏安特性正向特性反向特性 注意注意：击穿需要避免但并不意击穿需要避免但并不意 味着味着PN结烧坏。结烧坏。特殊情况特殊情况PN结的反向击穿结的反向击穿反向电压超过某一数值时，反向电压超过某一数值时，反向电流急剧增加反向电流急剧增加齐纳击穿齐纳击穿雪崩击穿雪崩击穿高掺杂情况低掺杂情况五、五、PNPN结的伏安特性结的伏安特性势垒电容势垒电容Cb势垒电容：势垒电容：耗尽层宽窄变化所等效的电容。具有非线性，与耗尽层宽窄变化所等效的电容。具有非线性，与结面积、耗尽层宽度、半导体的

9、介电常数及外加电压有关。结面积、耗尽层宽度、半导体的介电常数及外加电压有关。扩散电容：扩散电容：载流子浓度差所等效载流子浓度差所等效的电容。为了形成正向电流，注的电容。为了形成正向电流，注入入P 区的少子在区的少子在P 区有浓度差，区有浓度差，越靠近越靠近PN结浓度越大，即在结浓度越大，即在P 区区有电子的积累。同理，在有电子的积累。同理，在N区有空区有空穴的积累。穴的积累。P+-N六、六、PNPN结的电容效应结的电容效应扩散电容扩散电容Cd请问：请问：以下知识点你掌握了吗？1.本征半导体的载流子有几种？分别为？2.掺杂半导体的种类？3.载流子在外力作用下有几种运动？4.PN结是如何形成的？5

10、.PN结有什么重要特性？返回本章首页PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，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1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.1 基本结构基本结构PN二极管的电二极管的电路符号：路符号：UI死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR1.2.2 伏安特性伏安特性1、正向特性、正向特性n死区电压：硅管死区电压：硅管 0.5V 锗管锗管 0.1Vn线性区：硅管线性区：硅管 0.

11、6V1V 锗管锗管 0.2V0.5V n对温度变化敏感：对温度变化敏感：n温度升高温度升高正向特性曲线左移正向特性曲线左移n温度每升高温度每升高1正向压降正向压降 减小约减小约2mV。UI导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。2、 反向特性反向特性n反向电流：很小。反向电流：很小。 硅管硅管 0.1微安微安 锗管锗管 几十个微安几十个微安n受温度影响大：受温度影响大： 温度每升高温度每升高10 反向电流增加约反向电流增加约1倍。倍。3、 反向击穿特性反向击穿特性n反向击穿反向击穿UBR:几十伏以上。几十伏以上。UI反向击穿反向击穿电压电压UBR1. 最大整流电

12、流最大整流电流 IF2. 反向击穿电压反向击穿电压UBR1.2.3 主要参数主要参数3. 反向电流反向电流 IR4.最高工作频率最高工作频率5.微变电阻微变电阻5. 微变电阻微变电阻 rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二极管特性曲线上工是二极管特性曲线上工作点作点Q 附近电压的变化与附近电压的变化与电流的变化之比：电流的变化之比：DDDiur显然，显然，rD是对是对Q附近的微小附近的微小变化区域内的电阻。变化区域内的电阻。RLuiuouiuott二极管的应用举例二极管的应用举例1：二极管半波整流二极管半波整流1.2.4 应用举例应用举例 ui 2 34two uo（io） 2 34tw

13、o iD 2 34two iD1 iD3 iD2 iD4 uo+_u+_RLD4D2 D1D3ioAB二极管的应用举例二极管的应用举例2：二极管全波整流二极管全波整流二极管的应用举例二极管的应用举例3：限幅电路：如下图，设vi(t)=3sint +-1.2.5 稳压二极管稳压二极管专门工作于反向击穿状态的二极管专门工作于反向击穿状态的二极管稳压管稳压管UIIZIZmax UZ IZ稳压稳压误差误差曲线越陡，曲线越陡，电压越稳电压越稳定。定。UZUIIZIZmax UZ IZ稳压稳压误差误差曲线越陡，曲线越陡，电压越稳电压越稳定。定。+-UZ动态电阻：动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳压越小，稳

14、压性能越好。性能越好。1.2.5 稳压二极管稳压二极管（4）稳定电流稳定电流IZ、最大、最大、最小稳定电流最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗）最大允许功耗1、稳压二极管的参数、稳压二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压 UZ（2）电压温度系数电压温度系数 U（%/）(3) 动态电阻：动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳压越小，稳压性能越好。性能越好。2、稳压二极管的应用举例、稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL5mA 20mA, V,10minmaxzzzWIIU已知已知: :k10LR负载电阻负载电阻 。要求要求当输入电压由正常值发当输入电压由正常值发 20%波动

15、时，负载电压基本不变。波动时，负载电压基本不变。求：求：电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值。的正常值。解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。mA25maxLZWzRUIi10252 . 1RUiRuzWi方程方程1uoiZDZRiLiuiRL令输入电压降到下限令输入电压降到下限时，流过稳压管的电时，流过稳压管的电流为流为Izmin 。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2，可解得：，可解得：k50V7518.R,.ui1 1、 光电二极管

16、光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加照度增加1.2.6 其他类型的二极管其他类型的二极管2 2、 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。请问：请问：以下知识点你掌握了吗？1. 二极管的死区电压是多少？导通电压呢？2.理想二极管可以如何等效？3.二极管应用在那些方面？4.稳压二极管利用了PN结的什么特性？5.稳压二极管使用时应注意哪些问题？6.发光

17、二极管有什么特性？光电二极管呢？返回本章首页集电结发射结NPN型型CP PN NN NE EB B发射区集电区基区基极发射极集电极BETCNPN1.3 双极型晶体管双极型晶体管1.3.1 结构及类型结构及类型PNP型型N NP PP PE EB B基区发射结集电结集电区发射区集电极C发射极基极BETCPNPn三极管在结构上的特点：n (1)掺杂浓度：掺杂浓度：发射区发射区集电区集电区基区；基区；n (2)基区必须很基区必须很薄。薄。n (3)集电结面积集电结面积大于发射结面积大于发射结面积公共端公共端发射结正向偏置发射结正向偏置集电结反向偏置集电结反向偏置共发射极放大电路共发射极放大电路IEI

18、BRBUBBICUCC输输入入电电路路输输出出电电路路RCBCE1.3.2 晶体管的电流放大作用晶体管的电流放大作用IBICIEVBBRBVCCRCNPN电 子空 穴电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子电 子空 穴电 子电 子电 子发射区向发射区向基区扩散基区扩散电子电子电源负极向发电源负极向发射区补充电子射区补充电子形成发射极电形成发射极电流流I IE E电子在基区的电子在基区的扩散与复合扩散与复合集电区收集电子集电区收集电子电子流向电源

19、电子流向电源正极形成正极形成I IC CEB正极拉走电子，正极拉走电子，补充被复合的空补充被复合的空穴，形成穴，形成IB1由于基区很薄且掺杂浓度小由于基区很薄且掺杂浓度小, ,电子在基区扩散的数电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。即：量远远大于复合的数量。即：ICIB 或或 ICIB2当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的微的微小变化时，必定使小变化时，必定使IC发生较大的变化。即三极管的发生较大的变化。即三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用。基极电流对集电极电流具有控制作用。复合与扩散到集电区的电子数目满足统计学规律复合与扩散到集电区的电子

20、数目满足统计学规律BCIIBBCEIIII)1 (BCii直流放大倍数交流放大倍数两者之间的关系IB = f (UBE )UC E = 常数常数UCE1VUBE/VIB/AO材料不同，死区电压不同1.3.3 晶体管的共射特性曲线晶体管的共射特性曲线IEIBRBUBBICUCC输输入入电电路路输输出出电电路路RCBCEOIC = g (UCE ) | IB = 常数常数IB 减小减小IB增加增加UCEICIB = 20AIB =60AIB =40AIEIBRBUBBICUCC输输入入电电路路输输出出电电路路RCBCEOUCEICIB = 20AIB =60AIB =40A截止区onBEUuBEC

21、Euu0Ci放大区onBEUuBECEuuBCii饱和区BECEuuonBEUu 3.3.主要参数主要参数集电极基极间反向饱和电流集电极基极间反向饱和电流 ICBO集电极发射极间穿透电流集电极发射极间穿透电流 ICEOICEO=(1+)ICBO交流电流放大系数交流电流放大系数=IC / IB直流电流放大系数直流电流放大系数=IC / IBAICBOCEBICEOCBEA集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM集集- -射反向击穿电压射反向击穿电压 U(BR)CEO集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCMPCM=ICUCEUCE/VU(BR)CEOIC/mAICMO温度每升高10

22、oC，ICBO增加约一倍4.4.温度对晶体管特性及参数的影响温度对晶体管特性及参数的影响21TICBO增大T输入特性曲线左移3T输出特性曲线上移且增大 请问：请问：以下知识点你掌握了吗？1. 晶体三极管有几个区？几个极？几种类型？2.三极管的内部特性？放大的外部特性？3.如何判断三极管工作在哪个区？4.晶体三极管的重要参数有几个？分别为？返回本章首页1.4 场效应管场效应管场效应管的特点电压控制元件体积小、重量轻、耗电少、寿命长输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单、便于集成213场效应管的分类结型绝缘栅型N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道 N沟道P沟道1.4.1 结型场效应管结型场效应管栅极源极漏极1. 1. 结结构构特特点点 P沟道结型场效应管2. 2. 工作原理工作原理 UGS 0使沟使沟道变窄道变窄UDS 0使漏使漏极电流增强极电流增强两者平衡使电流稳定 3. 3. 特性曲线特性曲线 (1)输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线用来描述UGS取一定值时，电流iD和电压UDS间的关系，即它反映了漏-源电压UDS对iD的影响。（2）转移特性曲线）转移特性曲线DVGSDvfi)(它反映了栅-源电压UGS对iD的控制作用。 (3). 低频跨导低频跨导gmMOS管一、一、 N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管的结构管的