《半导体基础》PPT课件.ppt

模拟电路与数字电路 物理教研室 参考文献: 童诗白,华成英主编, 高等教育出版社。 阎石主编,高等教育出 版社。 教材: 林捷等编,人民邮电 出版社。 第一章 半导体器件 1、半导体基础知识 2、二极管 3、三极管 4、场效应管 导体、半导体和绝缘体 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。 一、本征半导体的结构特点 Ge Si 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 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。 本征半导体 本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 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。 硅和锗的晶体结构： 硅和锗的共价键结构 共价键共 用电子对 +4+4 +4+4 +4表示除 去价电子 后的原子 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。 形成共价键后，每个原子的最外层电子是 八个，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 二、本征半导体的导电机理 在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可 以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力 为 0，相当于绝缘体。 在常温下，由于热激发，使一些价电子获 得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电 子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。 1.载流子、自由电子和空穴 +4+4 +4+4 空穴 束缚电子 自由电子 二、本征半导体的导电机理 1.载流子、自由电子和空穴 2.本征半导体的导电机理 +4+4 +4+4 在其它力的作用下， 空穴吸引附近的电子 来填补，这样的结果 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 可以认为空穴是载流 子。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子和空穴。 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半 导体的导电能力越强，温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素，这是半导体的一 大特点。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。 电子和空穴产生过程动画演示 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。 P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。 N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体 ，也称为（电子半导体）。 一、N 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 （或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子， 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键， 必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚 ，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原 子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷 原子给出一个电子，称为施主原子。 一、N 型半导体 +4+4 +5+4 多余 电子 磷原子 N 型半导体中的载流子是什么？ 1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所 以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子 称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流 子（少子）。 二、P 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼 （或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质 取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的 半导体原子形成共价键时 ，产生一个空穴。这个空 穴可能吸引束缚电子来填 补，使得硼原子成为不能 移动的带负电的离子。由 于硼原子接受电子，所以 称为受主原子。 +4+4 +3+4 空穴 硼原子 P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。 三、杂质半导体的示意表示法 P 型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半导体 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但 由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近 似认为多子与杂质浓度相等。 PN 结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩 散，在它们的交界面处就形成了PN 结。 2.1.2 PN结及半导体二极管 P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E 漂移运动 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。 内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。 空间电荷区， 也称耗尽层。 漂移运动 P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当 于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固 定不变。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 空间 电荷 区 N型区P型区 电位V V0 1.空间电荷区中没有载流子。 注意: 2.空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴、N 区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散 运动）。 3. P 区中的电子和N区中的空穴（都是少子）， 数量有限，因此由它们形成的电流很小。 PN结的单向导电性 PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区 加正、N 区加负电压。 PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区 加负、N 区加正电压。 + + + + RE 一、PN 结正向偏置 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。 二、PN 结反向偏置 + + + + 内电场 外电场 变厚 NP + _ 内电场被被加强，多子 的扩散受抑制。少子漂 移加强，但少子数量有 限，只能形成较小的反 向电流。 RE PN结的伏安特性： u 为PN结两端的电压降 i 为流过PN结的电流 IS 为反向饱和电流 UT =kT/q ，称为温度的电压 当量 其中k为玻耳兹曼常数 1.381023 q 为电子电荷量1.6109 T 为热力学温度，对于室温 （相当T=300 K） 则有UT=26 mV。 当 u0 uUT时 当 u|U T |时 PN结的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图 正偏 IF（多子扩散） IR（少子漂移） 反偏 反向饱和电流 反向击穿电压 反向击穿 热击穿烧坏PN结 电击穿可逆 3、 PN 结的击穿 雪崩击穿：反向电压过大，阻挡层内电场 很强而造成。 齐纳击穿：PN结两边掺杂浓度高，使阻挡 层宽度变小所致。 二、温度对二极管伏安特性的影响 在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反 向特性将下移。 二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数 。 50 I / mA U / V 0.20.4 25 5 10 15 0.01 0.02 0 温度增加 1、在N型半导体中如果掺入足够量的三价 元素，可将其改型为P型半导体。 2、因为N型半导体的多子是自由电子，所 以它带负电。 3、PN结在无光照、无外加电压时，结电 流为零。 （） 判断题 （） （） 半导体二极管 一、基本结构 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 引线 外壳线 触丝线 基片 点接触型 PN结 面接触型 PN 二极管的电路符号： 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，结电容也小，多用 在低频整流电路中。 二、伏安特性 U I 死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V。 导通压降: 硅 管0.60.7V,锗 管0.20.3V。 反向击穿 电压UBR 1.最大整流电流I 2.最高反向工作电压UR 3.反向电流I 4.极间电容（结电容） 5.最高工作频率fM 器件的参数是对其特性的定量描述，也 是我们正确使用和合理选择器件的依据。半 导体二极管主要参数有： 二极管的主要参数 指二极管长期运行时允许通过的最大 正向平均电流，它是由结的结面积和 外界散热条件决定的。实际应用时，二极 管的平均电流不能超过此值，并要满足散 热条件，否则会烧坏二极管。 二极管使用时所允许加的最大反 向电压,超过此值二极管就有发生 反向击穿的危险。通常取反向击穿 电压UBR的一半作为UR 。 指在室温下，二极管未击穿时的反向电流值。 该电流越小，管子的单向导电性能就越好。另 由于反向电流是由少数载流子形成，所以温度 升高，反向电流会急剧增加，因而在使用时要 注意温度的影响。 主要由结的结电容大小决定 。结电容越大,则其允许的最高 工作频率越低。 1.2.4 二极管等效电路 一、由伏安特性折线化得到的等效电路 1. 理想模型 2. 恒压降模型 3. 折线模型 二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0 RL uiuo ui uo t t 二极管的应用举例：二极管半波整流 桥式整流电路 与门电路 稳压二极管 U I IZ IZmaxUZ IZ 稳压 误差 曲线越陡 ，电压越 稳定。 + - UZ 动态电阻： rz越小，稳 压性能越好 。 稳压管的参数主要有以下几项： 1. 稳定电压UZ 指稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。 2. 稳定电流IZ(IZminIZmax) 指稳压管正常工作时的参考电流。若工作电流小 于IZmin，则不能稳压；若工作电流大于IZmax ，则 会因功耗过大而烧坏。 3. 动态电阻rZ 指稳压管两端电压和电流的变化量之比。 rZ =U /I rZ愈小,反映稳压管的击穿特性愈陡,稳压性越好 . 4. 电压的温度系数稳定电压aU 指稳压的电流保持不变时，环境温度每变化 所引起的稳定电压变化的百分比。 一般： UZ 7V， aU为正值； UZ UZ 7V， aU值较小，稳压性能稳定。 5. 额定功率Z 指稳压管工作电压UZ与最大工作电流IZmax的乘积. Z= UZ IZmax 额定功率决定于稳压管允许的温升。 发光二极管 LED (Light Emitting Diode) 1. 符号和特性 工作条件：正向偏置 一般工作电流几十 mA ， 导通电压 (1 2) V 符号 u /V i /mA O 2 特性 发光二极管 二极管极性的简易判别法 黑表笔-阳极 红表笔-阴极 二极管正向偏置 电阻很小 黑表笔-阴极 红表笔-阳极 二极管反向偏置 电阻很大 基本结构 B E C N N P 基极 发射极 集电极 NPN型 P N P 集电极 基极 发射极 B C E PNP型 2.1.3 半导体三极管 B E C N N P 基极 发射极 集电极 基区：较薄， 掺杂浓度低 集电区： 面积较大 发射区：掺 杂浓度较高 B E C N N P 基极 发射极 集电极 发射结 集电结 晶体管放大原理 B E C N N P EB RB IE 基区空穴 向发射区 的扩散可 忽略。 IBE 进入P区的电子 少部分与基区的 空穴复合，形成 电流IBE ，多数 扩散到集电结。 EC Rc 发射结正 偏，发射 区电子不 断向基区 扩散，形 成发射极 电流IE。 B E C N N P EB RB IE 集电结反偏，有 少子形成的反向 电流ICBO。 ICBO IC=ICE+ICBOICE IBE ICE EC Rc 从基区扩散 来的电子作 为集电结的 少子，漂移 进入集电结 而被收集， 形成ICE。 IB=IBE-ICBOIBE IB EB RB IE ICBOICE IBE B E C N N P IC=ICE+ICBO ICE EC Rc 基极电流IB 小，集电极电流IC 大， 根据基尔霍夫第一定律： 直流电流放大系数 若取电流的变化量，则有 交流放大系数 要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电 结反偏。 B E C IB IE IC NPN型三极管 B E C IB IE IC PNP型三极管 (UCIC，UCE0.3V 称为饱和区。 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)36912 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此区域中 : IB=0,IC=ICEO, UBEIC，UCE0.3V (3) 截止区： UBE0时 UGS足够大时（ UGSVT）感应 出足够多电子， 这里出现以电子 导电为主的N型 导电沟道。 感应出电子 VT称为阈值电压 UGS较小时，导 电沟道相当于电 阻将D-S连接起 来，UGS越大此 电阻越小。 P NN GSD UDSUGS P NN GSD UDSUGS 当UDS不太大 时，导电沟 道在两个N区 间是均匀的 。 当UDS较大 时，靠近D 区的导电沟 道变窄。 P NN GSD UDSUGS 夹断后，即 使UDS 继续 增加，ID仍 呈恒流特性 。 ID UDS增加，UGD=VT 时 ，靠近D端的沟道被夹 断，称为予夹断。 漏极特性曲线（分三个区域） 截止区 恒流区 可变电阻区 漏极特性曲线（分三个区域） 截止区：VGS 109 漏极特性曲线（分三个区域） 恒流区： iD 基本上由VGS决定，与VDS 关系不大 漏极特性曲线（分三个区域） 可变电阻区：当VDS 较低（近似为0）， VGS 一 定时， 这个电阻受VGS 控制 、可变。 1.7.2 场效应管的主要参数及注意事项 1.主要参数 1) 开启电压U GS(th)和夹断电压U GS(off) UDS等于某一定值，使漏极电流ID等于某一微小电 流时，栅源之间所加的电压UGS，对于增强型管，称 为开启电压U GS(th)；对于耗尽型管和结型管，称为夹 断电压U GS(off)。 2) 饱和漏极电流I DSS 饱和漏极电流是指工作于饱和区时，耗尽型场效 应管在UGS=0时的漏极电流。 3）低频跨导gm（又称低频互导） 低频跨导是指UDS为某一定值时，漏极电流的微变 量和引起这个变化的栅源电压微变量之比，即 式中，ID为漏极电流的微变量； UGS为栅源电压微变量。 gm反映了UGS对ID的控制 能力，是表征场