半导体器件基础

半导体器件基础 半导体基本知识半导体二极管半导体三极管 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 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 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 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 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 常温300K时 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 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 空穴带正电荷空穴流 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 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 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 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 到达平衡时 空间电荷区的宽度也达到稳定 形成PN结 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 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 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 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 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 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 几种常见二极管的外形 二极管的结构及电路符号 二极管 PN结 管壳 引线 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 三极管的分类 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 N N P Base 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 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 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 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 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 e电子在基区扩散与复合形成基极电流 b 由于基区很薄 且空穴浓度很低 b很小 电子被集电极收集形成集电极电流 c 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 IE 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 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 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 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 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 三极管的两个PN结都处于反向偏置 集电极中没有电流通过 三极管处于截止状态 集电极与发射极之间电阻很大 相当开关断开 截止工作状态 c b e 调节偏流电阻RP的阻值 使基极电流充分大时 集电极电流也随之变得非常大 三极管的两个PN结则都处于正向偏置 集电极与发射极之间的电压很小 小到一定程度会削弱集电极收集电子的能力 这时 b再增大 c也不能相应地增大了 三极管处于饱和状态 集电极和发射极之间电阻很小 相当开关接通 饱和工作状态 小结 三极管是由两个PN结构成的 有NPN和PNP两种类型 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 具有放大作用和开关特性 三极管的放大作用 其实质是用一个微小电流 b控制较大电流 c和 e 放大所需的能量来自外加直流电源 使三极管处于放大状态的条件是 内部条件 发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度 且基区很薄 外部条件