补充半导体器件知识

1、数字电子技术数字电子技术（3 3）主主 讲：吴玉新讲：吴玉新手手 机机:时 间：间：2014-10-162014-10-16第1-2章 作业讲评2Multisim软件的安装与使用1 1、安装、安装2 2、画电路图、画电路图3 3、逻辑形式转换、逻辑形式转换4 4、MultisimMultisim快速入门指南快速入门指南3补充知识：半导体器件一、半导体基础知识一、半导体基础知识二、半导体二极管二、半导体二极管三、双极性三极管（三、双极性三极管（BJTBJT）四、场效应管四、场效应管(MOS)(MOS)一、半导体基础知识1 1、本征半导体、本征半

2、导体2 2、杂质半导体、杂质半导体3 3、PNPN结的形成及单向导电性结的形成及单向导电性4 4、PNPN结的电容效应结的电容效应1、本征半导体1.1 1.1 何为半导体？何为半导体？导电性能介于导体和绝缘体之间的物质就是半导体。导电性能介于导体和绝缘体之间的物质就是半导体。导体导体铁、铝、铜等金属，铁、铝、铜等金属，低价元素。低价元素。绝缘体绝缘体惰性气体、橡胶、塑料等惰性气体、橡胶、塑料等, ,高价元素。高价元素。半导体半导体硅（硅（SiSi）、锗（）、锗（GeGe），均为），均为四价元素。四价元素。 导电性是由原子结构决定的。导电性是由原子结构决定的。1.2 1.2 何为本征半导体？何为

3、本征半导体？本征半导体是本征半导体是纯净纯净的具有的具有晶体结构晶体结构的半导体。的半导体。导电性能导电性能无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构1.3 本征半导体的结构自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。一定温度下，自由电子与空穴对的一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。电子与空穴对的浓度加大。自由电子自由电子空穴空穴共价键共价键 由于热运动，具有足由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电

4、子键的束缚而成为自由电子 自由电子的产生使共自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，价键中留有一个空位置，称为空穴称为空穴动态平衡动态平衡1.4 本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。外加电场时，带负电的自由电外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。数目很少，故导电性很差。温度升高，热运动加剧，载流温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。子浓度增大，导电性增强。热力学温度为热力学温度为0K0K时不导电。时不导电。为什么要将半导体变

5、成导电性很差的本征半导体？为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？自由电子自由电子空穴空穴两种载流子两种载流子2、杂质半导体2.1 2.1 N型半导体型半导体空穴比未加杂质时的数目多空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？了？少了？为什么？杂质半导体主要依靠多数载杂质半导体主要依靠多数载流子导电。掺入杂质越多，流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。实现导电性可控。+5自由电子自由电子施主原子施主原子多数载流子多数载流子磷（磷（P）2.2 P型半导体P P型半导体主要依靠空穴导型半导体主要依靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓电，掺入杂质越

6、多，空穴浓度越高，导电性越强。度越高，导电性越强。在杂质半导体中，温度变化在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化吗？少子与多子浓度的变化相同吗？相同吗？+3受主受主原子原子空穴空穴多数载流子多数载流子硼（硼（B）3、PN结的形成及单向导电性3.1 3.1 扩散运动扩散运动物质因浓度差而产生的运动称扩散运动，气、液、固均有。物质因浓度差而产生的运动称扩散运动，气、液、固均有。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区区P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区区扩散运动扩散运动 扩散运动使靠

7、近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低，靠近接区的空穴浓度降低，靠近接触面触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。区的自由电子浓度降低，产生内电场。3.2 PN结的形成 由于扩散运动使由于扩散运动使P P区与区与NN区的交界面缺少多数载流子，区的交界面缺少多数载流子，P P区出现负离子区，区出现负离子区，NN区出现正离子区，构成不能移动的空区出现正离子区，构成不能移动的空间电荷区，形成内电场，内电场使空穴从间电荷区，形成内电场，内电场使空穴从NN区向区向P P区，自由区，自由电子由电子由P P区向区向NN区运动，从而阻止扩散运动的进行。区运动，从而阻止扩散运动的进行。漂移运动漂移运动因

8、电场作用所产因电场作用所产生的运动称为漂生的运动称为漂移运动。移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了态平衡，就形成了PN结。结。3.3 PN结的单向导电性PN结加正向电压导通：结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，形成扩散电流，PN结处于导结处于导通状态。通状态。PN结加反向电压截止：结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，成漂移电流。由于

9、电流很小，故可近似认为其截止。故可近似认为其截止。必要吗？必要吗？4、PN结的电容效应4.1 4.1 势垒电容势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。4.2 4.2 扩散电容扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。PN结电容：结电容：Cj=Cb+Cd 结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！度，则失去单向导电性！思考问题1 1、为什么将自然

10、界导电性能中等的半导体材料制成本征、为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？2 2、为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子、为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？是影响温度稳定性的主要因素？二 、半导体二极管1 1、 二极管的组成二极管的组成2 2、二极管的伏安特性及电流方程、二极管的伏安特性及电流方程3 3、二极管的等效电路、二极管的等效电路4 4、二极管的主要参数、二极管的主要参数1、二极管的组成 将将PNPN结封装，引出两个电极，就构成了二极管

11、。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管1、二极管的组成（a）点接触型）点接触型 结面积小，结结面积小，结电容小，故结允电容小，故结允许的电流小，最许的电流小，最高工作频率高。高工作频率高。（b）面接触型）面接触型 结面积大，结结面积大，结电容大，故结允电容大，故结允许的电流大，最许的电流大，最高工作频率低。高工作频率低。（c）平面型）平面型 结面积可小结面积可小可大，小的工作可大，小的工作频率高，大的结频率高，大的结允许的电流大。允许的电流大。2、二极管的伏安特性及电流方程二极管的电流与其端电压的关系称为

12、伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅Si0.5V0.5-0.8V1 A以下锗Ge0.1V0.1-0.3V几十 A击穿击穿电压电压反向饱反向饱和电流和电流开启开启电压电压i=f(u)mV26U)(1(T常温下TUuseIi温度的电压当量温度的电压当量2、二极管的伏安特性及电流方程从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安特性可以反映出：2.1 2.1 单向导电性单向导电性TUusTeIiUu，则若正向电压正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线2.2 2.2 伏安特性受温度

13、影响伏安特性受温度影响温度T=在电流不变情况下管压降u =反向饱和电流Is ,UBR 温度T=正向特性左移，反向特性下移sTIiUu，则若反向电压) 1(TUuseIi3、二极管的等效电路将伏安特性折线化将伏安特性折线化理想理想二极管二极管导通时导通时i与与u成线性关系成线性关系理想开关理想开关导通时导通时UD=0，截止时截止时Is=0近似分析近似分析中最常用中最常用导通时导通时UD=Uon截止时截止时Is=0应该根据不同情况选择不同的等效电路应该根据不同情况选择不同的等效电路!4、二极管的主要参数1 1、最大整流电流、最大整流电流I IF F：最大平均值：最大平均值2 2、最大反向工作电压、最大反向工