常用半导体器件

常用半导体器件第一页，共41页。一.半导体基础知识本征半导体杂质半导体PN结重点：两种载流子温度的影响PN结及其单向导电性第二页，共41页。1.本征半导体1.1什么是半导体？什么是本征半导体？导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导体：铁、铜等金属元素或低价元素，其最外层电子较少，在外电场作用下容易定向移动，形成电流。绝缘体：惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体：硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，原子最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。无杂质稳定的结构关键看需要的外加电场强度第三页，共41页。1.2本征半导体的结构（1）将硅或锗提纯形成单晶体，其原子结构为共价键结构。价电子被紧紧束缚在共价键中，非常稳定，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。共价键价电子第四页，共41页。1.2本征半导体的结构（2）自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴成对出现，且温度一定时其浓度也一定。温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子-空穴对的浓度增大。由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子，称为本征激发自由电子的产生使共价键中出现一个空位置，称为空穴动态平衡第五页，共41页。1.3本征半导体中的两种载流子

运载电荷的粒子称为载流子。

自由电子带负电，空穴带正电。

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，且

运动方向相反。

温度升高，载流子浓度增加，导

电性增强。

载流子数目总体少，导电性差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？两种载流子绝对零度不导电第六页，共41页。2.杂质半导体2.1N型半导体

自由电子多于空穴，称自由电子

为多数载流子，空穴为少数载流

子。N对应于自由电子的负电。

杂质半导体主要靠多数载流子导

电，掺入杂质越多，多子浓度越

高，导电性越强，实现导电性可

控。

空穴比未加杂质时的数量多了还

是少了？多数载流子少数载流子施主原子磷P第七页，共41页。2.2P型半导体

空位不带电，空穴带正电。 P型半导体主要靠空穴导电，掺

入杂质越多，空穴浓度越高，导

电性越强。P对应空穴的正电。

温度变化时，载流子数目变化

吗？少子与多子浓度的变化相同

吗？少子与多子浓度的相对变化

相同吗？

少数载流子数量虽然少，但由于

其相对变化大，因此是影响半导

体器件温度稳定性的主要因素。 N型和P型半导体均不带电！硼B多数载流子少数载流子受主原子空穴空位第八页，共41页。3.PN结3.1PN结的形成（1）物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动，得到扩散电流。扩散运动使接触面附近产生复合的概率大增。使接触面P区空穴浓度降低；使接触面N区自由电子浓度降低。扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。空穴自由电子正离子负离子P区N区第九页，共41页。3.1PN结的形成（2）交界处不能移动的正、负离子浓度高于载流子浓度，形成内电场，方向由N区到P区。内电场作用产生的载流子运动称为漂移运动，得到漂移电流。空间电荷区（耗尽层）P区N区电场方向漂移运动参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。第十页，共41页。3.2PN结的单向导电性PN结加正向电压：将P/N区的空穴/自由电子推入耗尽层，耗尽层变窄，削弱内电场，加剧扩散运动，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结加反向电压：将P/N区的空穴/自由电子吸走，耗尽层变宽，增强内电场，阻止扩散运动，有利漂移运动，形成漂移电流。电流小，近似为截止。PN结加正向电压导通PN结加反向电压截止第十一页，共41页。小结：PN结的形成扩散交界处的浓度差P区的一些空穴向N区扩散N区的一些电子向P区扩散P区耗尽层留下带负电的受主离子N区耗尽层留下带正电的施主离子内电场漂移电流扩散电流PN结动态平衡第十二页，共41页。

第十三页，共41页。

第十四页，共41页。小结扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。漂移运动强度等于扩散运动时，PN结形成且处于动态平衡状态，PN结没有电流通过。PN结具有单向导电性：正向导通，反向截止。当PN结正向偏置时，正向扩散电流远大于漂移电流，在回路中产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态。当PN结反向偏置时，回路中仅有很小的反向电流，处于截止状态。第十五页，共41页。第1节问题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？PN结正向导通时，外电场对多子的作用为促进扩散运动还是促进漂移运动？为什么半导体器件的温度稳定性差？多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？第十六页，共41页。二.半导体二极管二极管的组成二极管的伏安特性二极管的等效电路二极管的主要参数稳压二极管重点：二极管的等效电路微变与叠加原理稳压二极管的应用第十七页，共41页。1.二极管的组成将PN结进行封装，引出两个电极，就构成了二极管点接触型：结面积小，结电容小，允许电流小，最高工作频率高。面接触型：结面积大，结电容大，允许电流大，最高工作频率低。平面型：结面积可大可小。第十八页，共41页。2.二极管的伏安特性

开启电压反向饱和电流击穿电压

材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA第十九页，共41页。

正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线结论：温度升高，正向特性左移，反向特性下移，即相同电压下的电流增大。第二十页，共41页。3.二极管的等效电路3.1折线化模型

第二十一页，共41页。

直流电流

第二十二页，共41页。

第二十三页，共41页。4.二极管的主要参数

第二十四页，共41页。5.稳压二极管

进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流第二十五页，共41页。小结二极管的等效模型理想开关模型：正偏导通，电压为零；反偏截止，电流为零。恒压降模型：正偏一定程度导通，电压为0.7V（硅）或0.3V（锗）；反偏截止，电流为零；最常用模型。电阻模型：带内阻恒压源。微变等效模型：交、直流混合。温度对二极管特性的影响温度升高，电流变大，单向导电性变差稳压二极管工作区域：反向击穿区。参数：稳定电压、电流。第二十六页，共41页。

第二十七页，共41页。

第二十八页，共41页。三.晶体三极管晶体管的结构和符号晶体管的电流放大作用晶体管的输入特性和输出特性温度对晶体管特性的影响晶体管的主要参数重点：全部！第二十九页，共41页。1.晶体管的结构和符号多子浓度高掺杂低，而且很薄面积大晶体管用T表示，有三个极、三个区、两个PN结。小功率管中功率管大功率管为什么有孔？第三十页，共41页。2.晶体管的电流放大作用（NPN）

少子漂移：反向饱和电流发射区多子浓度高，PN结正偏时大量电子从发射区扩散到基区基区薄且多子浓度低，极少数扩散到基区的电子与空穴复合集电区面积大，外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散第三十一页，共41页。

第三十二页，共41页。3.晶体管的输入特性和输出特性

第三十三页，共41页。

饱和区放大区截止区

第三十四页，共41页。3.3晶体管的三个工作区域如果是PNP型晶体管，那么处于各个状态的条件完全相反。状态截止放大饱和第三十五页，共41页。4.温度对晶体管特性的影响

第三十六页，共41页。5.晶体管的主要参数

最大集电极耗散功率