[工学]第1章 半导体器件.ppt

n n 主编主编 李中发李中发 n n 制作制作 李中发李中发 n n 20052005年年1 1月月 电子技术电子技术 第第1 1章章 半导体器件半导体器件 学习要点学习要点 n n 了解半导体的特性和导电方式，理解了解半导体的特性和导电方式，理解 PNPN结的单向导电特性结的单向导电特性 n n 了解半导体二极管、三极管的结构了解半导体二极管、三极管的结构 n n 理解二极管的工作原理、伏安特性和理解二极管的工作原理、伏安特性和 主要参数主要参数 n n 理解双极型三极管的放大作用、输入理解双极型三极管的放大作用、输入 和输出特性曲线及主要参数和输出特性曲线及主要参数 n n 了解了解MOSMOS场效应管的伏安特性、主要参场效应管的伏安特性、主要参 数及其与双极型三极管的性能比较数及其与双极型三极管的性能比较 n n 1.1 1.1 PNPN结结 n n 1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管 n n 1.3 1.3 特殊二极管特殊二极管 n n 1.4 1.4 双极型三极管双极型三极管 n n 1.5 1.5 场效应晶体管场效应晶体管 第第1 1章章 半导体器件半导体器件 1.1 1.1 PNPN结结 半导体器件是用半导体材料制成的电子器 件。常用的半导体器件有二极管、三极管 、场效应晶体管等。半导体器件是构成各 种电子电路最基本的元件。 1.1.1 半导体的导电特征 半导体半导体：导电性能介于导体和绝缘体之 间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是 4价元素，原子的最外层轨道上有4个价 电子。 半导体的电阻率为10-3109 cm。典型的半导体 有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 本征半导体及杂质半导体 本征半导体化学成分纯净 的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料 的纯度要达到99.9999999%，常称为 “九个9”。它在物理结构上呈单晶体 形态。 在本征半导体中掺入某些微量元素作 为杂质，可使半导体的导电性发生显著变 化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。 掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体 。 每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通 过共价键共价键紧密结合在一起。共价键中的价电子 为两个相邻原子所共有，并为它们所束缚，在 空间形成排列有序的晶体。 1 1激发产生自由电子和空穴激发产生自由电子和空穴 这种结构的立体和平面示意图见下图： (a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图 (c) 室温下，由于热运动少数价电子挣脱共 价键的束缚成为自由电子，同时在共价 键中留下一个空位这个空位称为空穴空穴。 失去价电子的原子成为正离子，就好象 空穴带正电荷一样。 在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。 1 1激发产生自由电子和空穴激发产生自由电子和空穴 当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自 由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子 能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚， 而参与导电，成为自由电子。 这一现象称为本征激发，也称热激发。 （与自由电子的运动不同） 有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个 空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会 被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴 的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方 向的运动。 本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正 电荷的空穴。 热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴 又可能重新结合而成对消失，称为复合复合。在一定温度下自 由电子和空穴维持一定的浓度。 2 2空穴的运动空穴的运动 演示一演示二 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡: 3.3.在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其 导电能力将大大增强导电能力将大大增强 在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这 类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键 结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子， 这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N 型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的 空穴为少数载流子。 （1 1） N N型半导体型半导体 自由电子 多数载流子（简称多子） 空 穴 少数载流子（简称少子） （2 2） P P型半导体型半导体 在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，由于 这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的 共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴， 这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动， 称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流 子，热激发形成的自由电子是少数载流子。 自由电子 多数载流子（简称多子）空 穴 少数载流子（简称少子） 无论是P型半导体还是N型半导体都是中 性的，对外不显电性。 掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流 子的数量越多。 少数载流子是热激发而产生的，其数量 的多少决定于温度。 u半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两 种运动方式。载流子在电场作用下的定向运 动称为漂移运动漂移运动。在半导体中，如果载流子 浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会 从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种 运动称为扩散运动扩散运动。 u将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体， 另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的 交界面处将形成一个特殊的薄层 PNPN结结。 1 1PNPN结的形成结的形成 1.1.2 PN结及其单向导电性 多子 扩散 形成空间电荷区 产生内电场 少子 漂移 促使促使 阻止阻止 扩散与漂移达到动态平衡 形成一定宽度的PN结 演示三 u外加正向电压（也叫正向偏置） u外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运 动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P 区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这 时称PN结处于导通导通状态。 2 2PNPN结的单向导电性结的单向导电性 演示四 u外加反向电压（也叫反向偏置） u外加电场与内电场方向相同，增强了内电 场，多子扩散难以进行，少子在电场作用 下形成反向电流，因为是少子漂移运动产 生的，反向电流很小，这时称PN结处于截截 止止状态。 演示五 一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起 来，就构成了半导体二极管，简称二极管。 半导体二极管按其结构不同可分为点接触型 和面接触型两类。 点接触型二极管PN结面积很小，结电容很 小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关 元件。 面接触型二极管PN结面积大，结电容也大， 多用在低频整流电路中。 1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.2.1 半导体二极管的结构 1.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线 式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电 压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹 曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于 室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。 半导体二极管的伏安特性曲线如下页图所示 。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第 三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导， 二极管的伏安特性曲线可用下式表示: 图示 （1 1）正向特性）正向特性 外加正向电压较 小时，外电场不足以 克服内电场对多子扩 散的阻力，PN结仍处 于截止状态 。 正向电压大于死区电压后，正向电流 随着正向电压增大迅速上升。通常死区电 压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。 外加反向电压时， PN结处于截止状态，反 向电流 很小。 反向电压大于击穿电压时， 反向电流急剧增加。 （2 2）反向特性）反向特性 （1）最大整流电流IOM：指管子长期运行时，允 许通过的最大正向平均电流。 （2）反向击穿电压UBR：指管子反向击穿时的电 压值。 （3）最大反向工作电压UDRM：二极管运行时允 许承受的最大反向电压（约为UBR 的一半）。 （4）最大反向电流IRM：指管子未击穿时的反向 电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。 （5）最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容 的大小。 1.2.3 半导体二极管的主要参数 理想二极管理想二极管： 正向电阻为零，正向导通时为短路 特性，正向压降忽略不计； 反向电阻为无穷大，反向截止时为 开路特性，反向漏电流忽略不计。 稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管， 稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的 稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电 压变化。 1.3 1.3 特殊二极管特殊二极管 1.3.1 稳压管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二 极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的 伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲 线的反向区、符号和典型应用电路如下图所示。 (a)符号 (b) 伏安特性 (c)应用电路 (b) (c) (a) 从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳 压二极管的参数。 (1) 稳定电压VZ (2) 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的 反向工作电压。 其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不 过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求 取的。 rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rZ =VZ /IZ (3) 最大耗散功率 PZM 稳压管的最大功率损耗取决 于PN结的面积和散热等条件。 反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定 IZmax。 (4) 最大稳定工 作电流 IZmax 和最 小稳定工作电流 IZmin 稳压管的最大稳定工作电 流取决于最大耗散功率，即 PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应于 VZmin。若IZIzmin，则不能起稳 压作用。 温度的变化将使VZ改变，在稳压管中： 当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数。 当VZ 4 V时，VZ具有负温度系数。 稳压管的反向击穿是齐纳击穿。 当4 VVZ 7 V时，稳压管可以获得 接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以 作为标准稳压管使用。 (5)稳定电压温度系数VZ 稳压二极管在工作时应反接，并串入一只 电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压 管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通 过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调 节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。 1. UI 不变，RL 减小 RLILURUOIZ IR=IL+IZ 基本不变 2. RL 不变， UI 升高 UIUOIZUR UO=UI - UR 基本不变UO UO 1.3.2 发光二极管 当发光二极管的PN结加上正向电压时，电子与 空穴复合过程以光的形式放出能量。即有正向 电流流过时，发出一定波长范围的光，不同材 料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。目 前的发光管可以发出从红外到可见波段的光， 它的电特性与一般二极管类似，正向电压比一 般二极管高，电流为几 几十mA。 n发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低 (1.53V)、体积小、寿命长、可靠性较高， 室温下连续工作时间长、光功率电流线性 度好等显著优点，而且由于此项技术已经发 展得比较成熟，所以其价格非常便宜，是一 种很有用的半导体器件，常用于信号指示、 数字和字符显示。因此在一些简易的光纤传 感器的设计中，如果LED能胜任，选用它作 为光源即可大大降低整个传感器的成本。 n然而，LED的发光机理决定了它存在着很 多的不足，如输出功率小、发射角大、谱 线宽、响应速度低等。因此，在一些需要 功率高、调制速率快、单色性好的光源的 传感器设计中，就不得不以提高成本为代 价，选用其它更高性能的光源。 n光电二极管是将光信号变成电信号 的半导体器件。其核心部分也是一 个PN结，和普通二极管相比，在结 构上不同的是，为了便于接受入射 光的照射，PN结面积尽量做的大一 些，电极面积尽量小些，而且PN结 的结深很浅，一般小于1微米。 1.3.3 光电二极管 I V 照度增加 光电二极管伏安特性曲线 光电二极管的又称为光敏二极管，其工作原理 恰好与发光二极管相反。当光线照射到光电二 极管的PN结时，能激发更多的电子，使之产生 更多的电子-空穴对，从而提高了少数载流子 的浓度。在PN结两端加反向电压时反向电流会 增加，所产生反向电流的大小与光的照度成正 比，所以光电二极管正常工作时所加的电压为 反向电压。为使光线能照射到PN结上，在光电 二极管的管壳上设有一个小的通光窗口。 n光电二极管是在反向电压作用之下 工作的。没有光照时，反向电流很 小（一般小于0.1微安），称为暗电 流。当有光照时，携带能量的光子 进入PN结后，把能量传给共价键上 的束缚电子，使部分电子挣脱共价 键，从而产生电子-空穴对，称为 光生载流子。 n光生载流子在反向电压作用下参加漂移 运动，使反向电流明显变大，光的强度 越大，反向电流也越大。这种特性称为“ 光电导”。光电二极管在一般照度的光线 照射下，所产生的电流叫光电流。如果 在外电路上接上负载，负载上就获得了 电信号，而且这个电信号随着光的变化 而相应变化。 1.4 1.4 双极型三极管双极型三极管 1.4.1 三极管的结构及类型三极管的结构及类型 半导体三极管是由两个背靠背的PN结 构成的。在工作过程中，两种载流子（电子 和空穴）都参与导电，故又称为双极型晶体双极型晶体 管管，简称晶体管或三极管。 （CCCS） 两个PN结，把半导体分成三个区域。 这三个区域的排列，可以是N-P-N，也可以 是P-N-P。因此，三极管有两种类型：NPNNPN 型型和PNPPNP型型。 双极型半导体三极管的结构示意图如下图 所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。 e-b间的PN结称为发射结(Je) c-b间的PN结称为集电结(Jc) 中间部分称为基区，连上电极称为基极， 用B或b表示（Base）； 一侧称为发射区，电极称为发射极， 用E或e表示（Emitter）； 另一侧称为集电区和集电极， 用C或c表示（Collector）。 两种极性的双极型三极管 双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极 的箭头代表发射结加正向电压时电流的实际方向。 从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实 际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且 集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在 几个微米至几十个微米。 1.4.2 电流分配和电流放大作用电流分配和电流放大作用 （1）产生放大作用的条件 内部：a）发射区杂质浓度基区集电区 b）基区很薄 外部：发射结正偏，集电结反偏 （2）三极管内部载流子的传 输过程： a）发射区向基区注入电子， 形成发射极电流 iE b）电子在基区中的扩散与复 合，形成基极电流 iB c）集电区收集扩散过来的电 子，形成集电极电流 iC （3）电流分配关系： iE = iC + iB 演示六 双极型三极管的 电流传输关系 发射结加正偏时，从发射区将有大量电子向基 区扩散，形成发射极电流，与PN结中的情况相同。 从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数 量小，这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺 杂浓度。 进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复 合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压 的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运 动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域， 被集电极所收集，形成集电极电流。在基区被复合 的电子形成基极电流。 另外因集电结反偏，使集电结区的 少子形成漂移电流ICBO。于是可得如下 电流关系式: IE =IC+IB 三极管放大的实质 发射结正向电压大小控制 基区少子浓度影响 集电极电流大小 即由Vbe控制Ic，由于Ib正比于Vbe， 所以有Ib正比于Ic。 由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区 很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。 若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电 流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为 三极管，这是量变引起质变的又一个实例。 实验表明IC比IB大数十至数 百倍，因而有IB虽然很小，但对 IC有控制作用，IC 随IB的改变而 改变，即基极电流较小的变化可 以引起集电极电流较大的变化， 表明基极电流对集电极具有小量 控制大量的作用，这就是三极管 的电流放大作用。 1.4.3 三极管的特性曲线三极管的特性曲线 1 1输入特性曲线与二极管类似 2 2输出特性曲线 （1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置 （2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置 （3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置 此时 演示七 1.4.4 三极管的主要参数三极管的主要参数 1、电流放大系数：iC= iB 2、极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO=（1+ ）iCBO 3、极限参数 （1）集电极最大允许电流 ICM：下降到额定值的 2/3时所允许的最大集电极电流。 （2）反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电 极、发射极间的最大允许电压。 （3）集电极最大允许功耗PCM 。 1.5 1.5 场效应晶体管场效应晶体管 1.5.1 绝缘栅型场效应管的结构绝缘栅型场效应管的结构 演示八 耗尽型耗尽型：UGS=0时漏、源极之间已经存在原始导电沟道。 增强型增强型：UGS0才能在漏、源极之间形成导电沟道。 无论