第1章半导体器件

第1章半导体器件第1章半导体器件

第1节 半导体基础第2节 半导体二极管第3节 特殊二极管第4节 晶体三极管第5节 场效应管第1章重点PN结的形成及其单向导电性二极管的伏安特性三极管的工作原理与伏安特性第1节半导体基础一、半导体导体：能够导电的物质。如：金属等绝缘体：不导电的物质。如：橡皮、陶瓷、塑料、石英等半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的物质。如硅、锗、砷化镓和一些硫化物、氧化物等热敏性：加热时，其导电能力显著提高。热敏电阻掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，其导电能力显著提高。二极管，三极管等光敏性：光照时，其导电能力显著提高。光敏电阻现代电子学中，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。GeSi1.本征半导体1432通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。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，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共价键，共用一对价电子。硅和锗的共价键结构共价键电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子Si硅和锗的晶体结构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由电子，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。形成共价键电子对后，每个原子的最外层电子是8个，这样构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体的导电机理空穴吸引临近的电子对中的电子来填补，这样的现象，结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为：空穴也是载流子。载流子：自由电子，空穴。成对出现，成对消失。空穴自由电子束缚电子激发与复合2.杂质半导体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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。使自由电子数目大大增加的杂质半导体称为N型半导体/电子型半导体。使空穴数目大大增加的杂质半导体称为P型半导体/空穴型半导体。+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子P型半导体+4+4+3+4空穴硼原子杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体加入硼原子++++++++++++++++++++++++N型半导体加入磷原子1、本征半导体中自由电子和空穴的数量是否相等？为什么？？2、N型半导体中的载流子是什么？自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。3、P型半导体中的载流子是什么？自由电子称为少数载流子（少子），空穴称为多数载流子（多子）。4、多数载流子由什么决定？少数载流子由什么决定？多子扩散运动少子漂移运动++++P型半导体N型半导体++++++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－内电场E空间电荷区,耗尽层,阻挡层二、PN结的形成接触→浓度差→多子扩散→界面复合→空间电荷区→形成内电场E方向(N→P)内电场作用a.阻碍多子扩散,但是扩散愈多，E愈强b.利于少子漂移,但漂移愈多，E愈弱最终→动态平衡,稳定→耗尽层/阻挡层/空间电荷区就是PN结

PN结PN结正向偏置/正偏－－－－++++内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流，PN结导通。三、PN结的单向导电性PN结反向偏置/反偏－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被加强，多子扩散受到抑制。少子漂移得到加强，形成较小的漂移电流，PN结截止。PN结的单向导电性正向偏置 PN结导通反向偏置 PN结截止少子漂移电流(微)(P区高电位、N区低电位)(P区低电位、N区高电位)多子扩散电流（大）引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型第2节半导体二极管/二极管一、结构和类型PN结加上引线和管壳，就成为半导体二极管。符号阳极正极阴极负极P区N区二、伏安特性UI导通压降:硅管0.7V锗管0.3V反向击穿电压UBR线性工作区门坎区/死区反向饱和区反向击穿区死区电压硅管0.5V锗管0.2V三、二极管的主要参数1、最大整流电流IOM长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2、最高反向工作电压URM允许施加的最高反向电压，为反向击穿电压UBR的一半左右。3、反向电流IR指二极管加反向工作电压时的反向电流。反向电流越小越好。它受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流比硅管要大几十到几百倍。4、最高工作频率fMrd结电容四、理想二极管含义：正偏时，二极管完全导通（死区电压为零

，正向电压降为零，正向电阻为零）相当于二极管短路（对应于开关闭合）

反偏时，二极管完全截止（反向电流为零，反向电阻为无穷大）相当于二极管开路（对应于开关断开）相当于理想的开关。例1：二极管的应用判断二极管的通断1.断开D,2.求V+,V-,3.比较:V+>V-二级管导通(短路处理)V+<V-二级管截止(断开处理)

五、二极管电路分析例2：二极管的应用：求ID1.判断二极管是否导通？方法：先断开二极管，再求电压U。2.求ID2.72.78.72.7例3：二极管的应用已知两个二极管的管压降均为0.7V，求UF。抢先(优先)导通第3节特殊二极管稳压误差u0

iUZUZIZ+-曲线越陡，电压越稳定特点：1、通常工作在反向击穿区；2、反向击穿特性较陡。伏安特性1.稳压二极管/稳压管主要参数1、稳定电压UZ2、稳定电流IZ；最大稳定电流IZM3、电压温度系数Ctv4、最大允许功耗PZM=UZIZM；5、动态电阻rZ(越小输出电压越稳定)I稳压管稳压电路RLR整流滤波电路~220VUZIILIZUiUOIU思考题1、本征半导体是如何导电的？2、N型半导体中的多数载流子是什么？P型半导体呢？3、多数载流子与什么有关？少数载流子呢？4、PN结加什么电压使空间电荷区变窄？有利于什么运动？5、稳压二极管与普通二极管的区别在哪里？6、二极管的死区电压是什么的反映？7、半导体器件的性能为什么受温度的影响比较大？8、什么叫PN结的单向导电性？9、怎样用万用表判断二极管的极性？10、二极管能否起稳压作用？如能，举例说明。第4节晶体三极管/晶体管/三极管一.基本结构、分类、符号BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：体积大，掺杂浓度低发射区：掺杂浓度高集电结发射结晶体管放大的外部条件：发射结正偏；集电结反偏。晶体管放大的内部条件：进入基区的电子少部分与基区的空穴复合，形成基极电流IB，多数扩散到集电结附近。二.晶体管的电流放大作用BECNNPEcIEEBRBICIBRC发射结正偏，发射区电子向基区扩散，形成发射极电流IE。从基区扩散来的电子作为基区的少子，漂移进入集电区，形成集电极电流IC。~

~

BECIBIEICPNP型三极管BECIBIEICNPN型三极管电流实际方向

实验电路三、晶体管的特性曲线线性工作区工作压降：硅管UBE0.7V锗管UBE0.3V死区死区电压：硅管0.5V锗管0.2V1、输入特性曲线（同二极管）IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V常数

当UCE大于一定的数值时，IC基本只与IB有关，IC=IB。2、输出特性曲线条件：发射结正偏,集电结反偏。功能：电流放大

IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A放大区常数

IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AUCEUBE,集电结正偏，IC

<IB

，称为饱和区。条件：发射结正偏集电结正偏饱和区UCES

硅管：0.3V锗管：0.1V功能：RCE≈0近似电子开关接通

IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AIB=0,IC=ICEOUBE<死区电压，称为截止区。条件：发射结反偏集电结反偏IB=0截止区功能：RCE≈∞

近似电子开关断开

例1.已知EC=10V,EB=5V,UBE=0.7V,RC=3kΩ，RB=200kΩ，β=100.求：1）IB，IC.

判断三极管是否处于放大状态.2）当RB=100kΩ时，三极管是否处于放大状态？解：1）说明发射结正偏，集电结反偏，故三极管处于放大状态。2).集电极临界饱和电流：基极临界饱和电流：当RB=100kΩ时，基极电流：故三极管处于饱和状态。例2.测得在放大状态的两个三极管的电位分别为：2.5V、3.2V、9V和－0.7V、－1V、－6V，试判断这两个三极管的类型和管脚。解：三极管在放大状态。说明发射结正偏，集电结反偏。对NPN：UBE>0、UCB>

0。说明VC>VB

>

VENPN型三极管一般为硅管UBE=0.7V，PNP型三极管一般为锗管UBE=－0.3VBECBEC对PNP：UBE<

0、UCB<

0。则为VC<VB

<

VENPN型硅管PNP型锗管四、主要参数1.电流放大系数β=(IC/IB≈IC/IB)(一般20-100)2.集-基反向饱和电流ICBO (CB之间PN结反向电流)3.穿透电流ICEO=(1+β)ICBO

ICUCEICUCE=PCMICMUCEO安全工作区4.集电极最大电流 ICM5.集射反向击穿电压 UCEO6.集电极最大耗散功率 PCM五.温度对三极管参数影响第5节场效应管场效应管与三极管不同，它只由多子导电，称为单极型晶体管。它是电压控制器件。其输入阻抗高，温度稳定性好。场效应管结型绝缘栅型N沟道MOS管P沟道MOS管增强型耗尽型N沟道MOS管P沟道MOS管N沟道MOS管P沟道MOS管一、绝缘栅型场效应管的基本结构PN+GSDBN+N沟道NP+GSDBP+P沟道N沟道P型半导体:衬底,掺杂浓度低,引出B叫衬底引线N型半导体:掺杂浓度高,引出D叫漏极,S叫源极二氧化硅绝缘层,上为金属铝膜,引出G叫栅极PNNGSDGSDN沟道增强型N沟道耗尽型GSDPNNGSD予埋了导电沟道NPPGSDGSDP沟道增强型P沟道耗尽型GSDNPPGSD予埋了导电沟道UGS=0时D-S间相当于两个PN结二、MOS