常用半导体器1ppt课件

1、第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件 1.1 半导体根底知识半导体根底知识 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 双极型晶体管双极型晶体管 1.4 场效应管场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管单结晶体管和晶闸管 1.6 集成电路中的元件集成电路中的元件1.1 半导体根底知识半导体根底知识导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属普通都是导体。普通都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘半导体：另

2、有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓体之间，称为半导体，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。半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有半导体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。 往纯真的半导体中掺入某些杂质，会使往纯真的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电才干明显改动。它的导电才干明显改动。1.1.1 本征半导体本征半导体一、本征半导体的构造特点一、本征半导体的构造特点GeSi经过一

3、定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。经过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。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：完全纯真的、构造完好的半导体晶体。本征半导体：完全纯真的、构造完好的半导体晶体。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，每个原子与其相邻的原子之间构成共价键，共用一对价与其相邻的原子

4、之间构成共价键，共用一对价电子。电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体构造：体构造：硅和锗的共价键构造硅和锗的共价键构造共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示表示除去价除去价电子后电子后的原子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，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自在电子，因此本征半导体中的自在电子很少，所以在电子，因此本征半导体中的自在电子很少，所以本征半导体的导电才干很弱。本征半导体的导电才干很弱。构成共价键后，每个原子的最外层电子是构成共价键后，每个原子的最外层电子是八

5、个，构成稳定构造。八个，构成稳定构造。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规那么陈列，构成晶体。那么陈列，构成晶体。+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 0度度T=0KT=0K和没有外界激发时和没有外界激发时, ,价电价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子即载流子，它的导电才以运动的带电粒子即载流子，它的导电才干为干为 0 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，成为自在得

6、足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自在电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.1.载流子、自在电子和空穴载流子、自在电子和空穴+4+4+4+4自在电子自在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，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挪动，因此正电荷的挪动，因此可以以为空穴是载流可以以为空穴是载流子。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

7、中存在数量相等的两种载流子，即自在电子和空穴。自在电子和空穴。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才干越强，温度是影响半导体性导体的导电才干越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部要素，这是半导体的一能的一个重要的外部要素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电才干取决于载流子的浓度。本征半导体的导电才干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. 自在电子挪动产生的电流。自在电子挪动产生的电流。 2. 空穴挪动产生的电流。空穴挪动产生的电流。1.1.2 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入

8、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。其缘由是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其缘由是掺杂半导体的某种载流子浓度大大添加。杂半导体的某种载流子浓度大大添加。P 型半导体：空穴浓度大大添加的杂质半导体，也型半导体：空穴浓度大大添加的杂质半导体，也称为空穴半导体。称为空穴半导体。N 型半导体：自在电子浓度大大添加的杂质半导体，型半导体：自在电子浓度大大添加的杂质半导体，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

9、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构成共价键，其中四个与相邻的半导体原子构成共价键，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，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自在电子，这样磷原子很容易被激发而成为自在电子，这样磷原子就成了不能挪动的带正电的离子。每个磷原就成了不能挪动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。子给出一个电子，称为施主原子。+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

10、与施主原子一样。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子一样。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，掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自在电子浓度远大于空穴浓度。自在电子称为多数自在电子浓度远大于空穴浓度。自在电子称为多数载流子多子，空穴称为少数载流子少子。载流子多子，空穴称为少数载流子少子。二、二、P 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

11、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构成共价键时，半导体原子构成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴能够吸引束缚电子来填补，能够吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能挪动使得硼原子成为不能挪动的带负电的离子。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、杂质半导体的表示表示法三、杂质半导体的表示表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质型半导体多子和少子的挪动都能构成电流。杂质型半导

12、体多子和少子的挪动都能构成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似以为多子与杂质浓度相等。近似以为多子与杂质浓度相等。1.1.3 PN结结在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P P 型半导型半导体和体和N N 型半导体，经过载流子的分散，在它们的型半导体，经过载流子的分散，在它们的交界面处就构成了交界面处就构成了PN PN 结。结。分散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度分散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，称为分散运动。低的地方运动，称为分散运动。漂移运动：在电场力作用下载流子的运动。漂移运动：在电场力

13、作用下载流子的运动。一、一、PN结的构成结的构成P型半导体型半导体N型半导体型半导体+分散运动分散运动内电场内电场E E漂移运动漂移运动分散的结果是使空间分散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+分散运动分散运动内电场内电场E E所以分散和漂移这一对相反的运动最终到达平衡，所以分散和漂移这一对相反的运动最终到达平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空

14、间电荷区的相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位V VV01 1、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2 2、空间电荷区中内电场妨碍、空间电荷区中内电场妨碍P P中的空穴、中的空穴、N N区区 中的电子都是多子向对方运动分散中的电子都是多子向对方运动分散运动。运动。3 3、P P 区中的电子和区中的电子和 N N区中的空穴都是少子，区中的空穴都是少子，数量有限，因此由它们构成的电流很小。数量有限，因此由它们构成的电流很小。留意留意: : PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是：结加上正向电压、正向

15、偏置的意思都是： P 区区加正、加正、N 区加负电压。区加负电压。 PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是：结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区区加负、加负、N 区加正电压。区加正电压。二、二、PN结的单导游电性结的单导游电性+RE1. PN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被减弱，多内电场被减弱，多子的分散加强可以子的分散加强可以构成较大的分散电构成较大的分散电流。此时流。此时PN结导通。结导通。2. PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，内电场被被加强，多子的分散受抑制。多子的分散受抑制。少子漂移加强，

16、但少子漂移加强，但少子数量有限，只少子数量有限，只能构成较小的反向能构成较小的反向电流。此时电流。此时PN结截结截止。止。RE三、三、PN结的电流方程结的电流方程电流方程：电流方程：)1(TUuseIiIS为反向饱和电流。为反向饱和电流。T=300K时，时，UT=26mV 四、四、PNPN结的伏安特性结的伏安特性UI反向击穿反向击穿电压电压UBR电流方程：电流方程：)1(TUuseIiu0部分称为正向特性部分称为正向特性uIC，UCE0.3V称为称为饱和区。饱和区。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中此区域中 : IB=0,IC=ICEO

17、,UBE 死区电压，死区电压，称为截止称为截止区。区。1.3.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数前面的电路中，晶体管的发射极是输入输出的前面的电路中，晶体管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。集接法。共射直流电流放大倍数：共射直流电流放大倍数：BCII_任务于动态的晶体管，真正的信号是叠加在任务于动态的晶体管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为直流上的交流信号。基极电流的变化量为 IBIB，相应的集电极电流变化为相应的集电极电流变化为 ICIC，那么交流电流，那么交流电流放大倍数为：放大倍数为：BII

18、C1. 电流放大倍数电流放大倍数和和 _例：例：UCE=6V时：时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3mA。5 .3704. 05 . 1_BCII4004. 006. 05 . 13 . 2BCII在以后的计算中，普通作近似处置：在以后的计算中，普通作近似处置： =2.集集-基极反向截止电流基极反向截止电流ICBO AICBOICBO是是集电结集电结反偏由反偏由少子的少子的漂移构漂移构成的反成的反向电流，向电流，受温度受温度的变化的变化影响。影响。BECNNPICBOICEO= IBE+ICBO IBE IBEICBO进入进入N区，构区，构成成

19、IBE。根据放大关系，根据放大关系，由于由于IBEIBE的存的存在，必有电流在，必有电流IBEIBE。集电结反集电结反偏有偏有ICBO3. 集集-射极反向截止电流射极反向截止电流ICEOICEO受温度影受温度影响很大，当温响很大，当温度上升时，度上升时，ICEO添加很快，添加很快，所以所以IC也相应也相应添加。晶体管添加。晶体管的温度特性较的温度特性较差。差。4.集电极最大电流集电极最大电流ICM集电极电流集电极电流ICIC上升会导致晶体管的上升会导致晶体管的值的下值的下降，当降，当值下降到正常值的三分之二时的集值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为电极电流即为ICMICM。5.集集-射极

20、反向击穿电压射极反向击穿电压当集当集-射极之间的电压射极之间的电压UCEUCE超越一定的数值超越一定的数值时，晶体管就会被击穿。手册上给出的数值是时，晶体管就会被击穿。手册上给出的数值是2525C C、基极开路时的击穿电压、基极开路时的击穿电压U(BR)CEOU(BR)CEO。6. 集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM 集电极电流集电极电流IC 流过晶体管，流过晶体管， 所发出的焦耳所发出的焦耳 热为：热为：PC =ICUCE 必定导致结温必定导致结温 上升，所以上升，所以PC 有限制。有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO平安任务区平安任务区温度对温度对U

21、BE的影的影响响iBuBE25 C50CTUBEIBICBBECBRUEI 1.3.5 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温度对温度对值及值及ICEO的影响的影响T 、 ICEOICiCuCEQQ总的效果是：总的效果是：温度上升温度上升时，输出时，输出特性曲线特性曲线上移，呵上移，呵斥斥IC上移。上移。五、光电晶体管五、光电晶体管ce光电晶体管根据光照的强度来控制集电极电流的大小，功能可等效为一只光电二极管与一只晶体管相连。1.4 场效应管场效应管场效应管与双极型晶体管不同，它是多子场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。导电，输入阻抗高，温度

22、稳定性好。结型场效应管结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种场效应管有两种:N基底基底 ：N型半导体型半导体PP两边是两边是P区区G(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极一、构造一、构造1.4.1 结型场效应管结型场效应管:导电沟道导电沟道NPPG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGSPNNG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS二、任务原理以二、任务原理以P沟道为例沟道为例UDS=0V时时PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反偏，结反偏，UGS越大那么耗越大那么耗尽区越宽，导电尽区越

23、宽，导电沟道越窄。沟道越窄。PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V时时NNUGS越大耗尽区越宽，越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。沟道越窄，电阻越大。但当但当UGS较小时，耗较小时，耗尽区宽度有限，存在尽区宽度有限，存在导电沟道。导电沟道。DS间相当间相当于线性电阻。于线性电阻。PGSDUDSUGSNNUDS=0时时UGS到达一定值时到达一定值时夹断电压夹断电压UGS(off),耗尽区耗尽区碰到一同，碰到一同，DS间被间被夹断，这时，即使夹断，这时，即使UDS 0V，漏极电，漏极电流流ID=0A。IDPGSDUDSUGSUGS0、UGD UGS(off)时耗尽区的时耗尽区的外形外形NN越接

24、近漏端，越接近漏端，PN结反压越大结反压越大IDPGSDUDSUGSUGS UGS(off)且且UDS较大较大时时UGD UGS(off)时耗尽区时耗尽区的外形的外形NN沟道中仍是电阻沟道中仍是电阻特性，但是是非特性，但是是非线性电阻。线性电阻。IDGSDUDSUGSUGS UGS(off) UGD= UGS(off)时时NN漏端的沟道被夹断，漏端的沟道被夹断，称为预夹断。称为预夹断。UDS增大那么被夹增大那么被夹断区向下延伸。断区向下延伸。IDGSDUDSUGSUGS0时时UGS足够大时足够大时UGSUGS(th)感应出足够多电感应出足够多电子，这里出现以子，这里出现以电子导电为主的电子导电为主的N型导电沟道。型导电沟道。感应出电子感应出电子UGS(th)称为开启电压称为开启电压UGS较小时，导较小时，导电沟道相当于电电沟道相当于电阻将阻将D-S衔接起衔接起来，来，UGS越大此越大此电阻越小。电阻越小。PNNGSDUDSUGSPNNGSDUDSUGS当当UDS不太不太大时，导电大时，导电沟道在两个沟道在两个N区间是均区间是均匀的。匀的。当当UD