半导体器件基础

半导体器件基础第一页，共41页。一、半导体基本知识半导体定义

在物理学中，根据材料的导电能力，可以将它们划分为导体、绝缘体和半导体。导体——很容易传导电流的物质；如金属铜、铝等。绝缘体——不容易传导电流的物质；如陶瓷、橡胶等。半导体——导电性能介于导体和绝缘体之间的物质；如锗、硅、硒及许多金属氧化物和硫化物等。第二页，共41页。半导体的特性1、在受到光和热的刺激时，导电性能将发生显著的变化。2、在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导电性能会显著的增强。最常用的半导体是锗（Ge)和硅(Si)，并且被制作成晶体。它们都是4价元素。第三页，共41页。束缚电子在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。

制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“9个9”，现在随着集成规模的提高，纯度达到“13个9”。本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。半导体为什么会导电？第四页，共41页。

这一现象称为本征激发，也称热激发。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子获得能量，有的电子可以挣脱共价键的束缚，成为自由电子。同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子和空穴总是成对出现的，外加能量越大，本征半导体中产生的电子空穴对越多。第五页，共41页。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：锗：在本征激发的过程中，还存在一种相反的现象：复合——即其它的电子可能会转移到这个空位上。

在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡时，电子空穴对的浓度一定。硅晶体导电性能的温度稳定性比锗晶体好。结论：本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。第六页，共41页。

空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。所以，半导体在导电时，形成电流的自由电荷（载流子）有两种：自由电子和空穴。自由电子带负电荷电子流＋总电流载流子空穴带正电荷空穴流第七页，共41页。多余电子磷原子硅原子N型半导体【Negative电子】在锗或硅晶体内掺入少量五价元素杂质，如磷；这样在晶体中就有了多余的自由电子。多数载流子——自由电子少数载流子——空穴N型半导体主要是电子导电。N型半导体和P型半导体第八页，共41页。P型半导体【Positive空穴】在锗或硅晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼；这样在晶体中有了多余的空穴。空穴硼原子硅原子多数载流子——空穴少数载流子——自由电子P型半导体主要是空穴导电。第九页，共41页。PN结及其特性

PN结是构成各种半导体器件的基础，PN结的作用使半导体获得广泛应用。把一块P型半导体和一块N型半导体连接在一起，在它们的结合处就会形成一个特殊的接触面称为PN结。第十页，共41页。内电场E因多子浓度差形成内电场多子的扩散空间电荷区

阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流PN结的形成第十一页，共41页。随着扩散运动的进行， 空间电荷区的宽度将逐渐增大；

随着漂移运动的进行， 空间电荷区的宽度将逐渐减小。到达平衡时，扩散电流＝漂移电流PN结中总电流＝0空间电荷区的宽度也达到稳定——形成PN结第十二页，共41页。

PN结的单向导电特性：

加正向电压（正偏）——P区接电源正极，N区接电源负极，则电源产生的外电场与PN结的内电场方向相反，内电场被削弱，PN结变窄，表现为很小的电阻，形成较大正向电流（多数载流子形成的扩散电流），PN结处于正向导通状态。第十三页，共41页。

加反向电压(反偏)——N区接电源正极，P区接电源负极，则电源产生的外电场与PN结的内电场方向相同，增强了内电场，PN结变宽，表现为很大的电阻，有较小的反向电流（少数载流子形成的漂移电流），PN结处于反向截止状态。PN在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。

注：当反向电压增大到一定程度，反向电流会突然增大，PN结被电击穿，失去单向导电性。如果没有适当的限流措施，PN结会被热烧毁。第十四页，共41页。综上所述PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，PN结导通（相当开关闭合）；

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，PN结截止（相当开关断开）。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性（开关特性）。第十五页，共41页。小结1．半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间。半导体具有热敏、光敏、杂敏等特性。常用的半导体材料是硅和锗，并被制作成晶体。2、半导体导电时有两种载流子（自由电子和空穴）参与形成电流。在纯净的半导体中掺入不同的微量杂质，可以得到N型半导体（电子型）和P型半导体（空穴型）。3、P型半导体和N型半导体相连接在结合处形成PN结，PN结的基本特性是具有单向导电性。第十六页，共41页。二、半导体二极管及其特性半导体二极管，也叫晶体二极管。它由一个PN结构成，具有单向导电性，是整流电路的核心器件。第十七页，共41页。几种常见二极管的外形第十八页，共41页。二极管的结构及电路符号

二极管=PN结+管壳+引线第十九页，共41页。1、正向导通特性：

正向电压达到一定程度（硅二极管为0.6V,锗二极管为0.2V），二极管导通，正向电流增加很快，导通时正向电压有一个很小的变化，就会引起正向电流很大的变化，两引脚之间的电阻很小，相当于开关接通。二极管在电路中受外加电压控制共有两种工作状态：正向导通和反向截止。二极管的特性——单向导电性第二十页，共41页。2、反向截止特性：

给二极管加反向电压，则处于截止状态，二极管两引脚之间的电阻很大，反向电流很小，相当于开关断开。当反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本保持不变，所以通常把反向电流又称为反向饱和电流，但反向电流会随温度的升高而增长很快。

硅二极管的反向电流只有锗二极管的几十分之一或几百分之一，所以硅管的温度稳定性比锗管好。第二十一页，共41页。3、二极管反向击穿：

当所加的反向电压增大到一定数值时，反向电流迅速增大，这种现象称为反向击穿，二极管失去单向导电性，发生击穿时的反向电压叫反向击穿电压。此时如果没有适当的限流措施，因电流过大会使二极管过热而被烧毁。

因此二极管工作时，要求承受的反向电压应小于其反向击穿电压的一半。第二十二页，共41页。按材料分：可分为硅二极管和锗二极管。硅二极管的正向压降约为0.6V，正、反向电阻比锗二极管大，反向电流比锗二极管小。锗二极管的正向压降约为0.2V。按用途分：整流二极管、稳压二极管、光电二极管、变容二极管、发光二极管、开关二极管等。二极管的种类第二十三页，共41页。稳压管的一种实物图黑头一侧为负极电路符号稳压管工作在反向击穿区第二十四页，共41页。几种普通发光二极管实物图长脚为正极大头为负极电路符号第二十五页，共41页。二极管的使用1、接入电路前，必须判别二极管的极性、质量的好坏，然后正确的接入电路中。2、识别二极管的型号，注意二极管的正向电流和反向电压峰值不能超过所允许的标准值。3、安装二极管时，应尽量远离发热器件。大功率的二极管应加装散热器。4、不同用途之间的二极管不宜代用，硅二极管和锗二极管之间也不能代用。第二十六页，共41页。小结

二极管是由一个PN结构成的，具有单向导电性（开关特性），不同类型的二极管具有不同的功能和用途。第二十七页，共41页。三、半导体三极管及其特性

半导体三极管，也叫晶体三极管由两个PN结组成，具有放大作用，是放大电路的核心器件，由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，三极管还被称为双极型晶体管（简称BJT）。第二十八页，共41页。几种常见三极管的实物外形大功率三极管功率三极管普通塑封三极管第二十九页，共41页。三极管的分类①按频率分高频管低频管②按功率分大功率管中功率管小功率管③按半导体材料分硅管锗管④按结构不同分NPN型PNP型第三十页，共41页。NPN型发射区集电区基区发射结集电结e【Emitter】c【Collector】b发射极集电极基极NNP【Base】电路符号:三极管的结构箭头方向：由P区→N区通过三极管正向电流的方向第三十一页，共41页。发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极PPN电路符号:箭头方向：由P区→N区通过三极管正向电流的方向PNP型

【Emitter】

【Collector】【Base】第三十二页，共41页。结构特点：•发射区的掺杂浓度最高；•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•基区的掺杂浓度最低且很薄，一般在几个微米至几十个微米。管芯结构剖面图第三十三页，共41页。三极管的特性通过控制基极电流，能使三极管分别处于放大、截止和饱和三种工作状态。1、三极管的放大作用三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过内部载流子的传输体现出来。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。第三十四页，共41页。发射区的多数载流子自由电子不断通过发射结扩散到基区，形成发射极电流Ｉe电子在基区扩散与复合形成基极电流Ｉb，由于基区很薄，且空穴浓度很低，Ｉb很小。电子被集电极收集形成集电极电流Ｉc三极管内部载流子的传输过程发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子

第三十五页，共41页。ICIBIEIE=IC+IBIB<<

IC集电极与基极电流的关系为：共射电流放大倍数三极管的电流放大作用三极管三个极上的电流分配关系:β的值远大于1，通常在20~200范围内，只与管子的结构有关，与外加电压无关。第三十六页，共41页。放大是最基本的模拟信号处理功能放大——是指把微小的、微弱的电信号不失真的进行放大，实现能量的控制和转换。不失真——就是一个微弱的电信号通过放大器后，输出电压或电流的幅度得到了放大，但它随时间变化的规律不能变。放大电路是模拟电路中最主要的电路,三极管是组成放大电路的核心元件。具有放大特性的电子设备：收音机、电视机、手机、扩音器等等。第三十七页，共41页。利用三极管组成的放大电路，最常用的接法是：基极作为信号的输入端，集电极作为输出端，发射极作为输入回路、输出回路的共同端（共发射极接法）

调节偏流电阻RP的阻值，使三极管处于放大状态。此时，如果在基极加上一个较小的电信号，集电极就能通过一个放大了的电信号。放大所需的能量来自外加直流电源。放大工作状态第三十八页，共41页。2、三极管的开关特性调节偏流电阻RP的阻值，使基极的电流为零或很小时，三极