半导体的基本知识74397

1、1.1 半导体的基本知识1.6* 集成电路中的元件1.2 半导体二极管1.5* 单结晶体管和晶闸管内容简介1.3 双极性晶体管1.4 场效应管1 半导体器件是现代电子电路的重要组成部分。本章简要地介绍半导体的基础知识，讨论半导体的核心环节PN结，阐述了半导体二极管、双极性晶体管（BJT）和场效应管（FET）的工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路和分析方法。对晶闸管和集成电路中的元件也进行了简要介绍。内容简介21. 半导体材料 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 导 体：109cm 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。 2. 半导体的晶体结构 典型的元素半

2、导体有硅Si和锗Ge ，此外，还有化合物半导体砷化镓GaAs等。1.1 半导体的基本知识33.本征半导体 本征半导体：化学成分纯净、结构完整的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。 半导体的导电性能是由其原子结构决定的，就元素半导体硅和锗而言，其原子序数分别为14和32，但它们有一个共同的特点：即原子最外层的电子（价电子）数均为4，其原子结构和晶体结构如图1.1.1所示。HomeNextBack 本征激发(热激发）:受温度、光照等环境因素的影响，半导体共价键中的价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象，称之为本征激发（热激发）（见图1.1.2）。4 电子空穴对：由本征激发（热激

3、发）而产生的自由电子和空穴总是成对出现的，称为电子空穴对。所以，在本征半导体中： ni=pi （ni自由电子的浓度；pi空穴的浓度）。 空穴：共价键中的空位。 K1常数，硅为3.8710-6K-3/2/cm3，锗为1.7610-6 K-3/2/cm3 ；T热力学温度；EGO禁带宽度，硅为1.21eV，锗为0.785eV ；k波耳兹曼常数，8.63 10-5 eV/K。（e单位电荷，eV=J）5 载流子：能够参与导电的带电粒子。空白半导体中载流子的移动 ：如图1.1.3所示。从图中可以看出，空穴可以看成是一个带正电的粒子，和自由电子一样，可以在晶体中自由移动，在外加电场下，形成定向运动，从而产生

4、电流。所以，在半导体中具有两种载流子：自由电子和空穴。 （1）两种载流子的产生与复合，在一定温度下达到动态平衡，则ni=pi的值一定； （2）ni与pi 的值与温度有关，对于硅材料，大约温度每升高8oC，ni 或pi 增加一倍；对于锗材料，大约温度每升高12 oC，ni 或pi 增加一倍。64.杂质半导体 杂质半导体：在本征半导体中参入微量的杂质形成的半导体。根据参杂元素的性质，杂质半导体分为P型（空穴型）半导体和N型（电子型）半导体。由于参杂的影响，会使半导体的导电性能发生显著的改变。 ：在本征半导体中参入微量三价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.4所示。常用的三价元素的杂质有

5、硼、铟等。P型半导体7 受主杂质：因为三价元素的杂质在半导体中能够接受电子，故称之为受主杂质或P型杂质。 多子与少子：P型半导体在产生空穴的同时，并不产生新的自由电子，所以控制参杂的浓度，便可控制空穴的数量。在P型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，称之为多数载流子，简称多子；而自由电子为少数载流子，简称少子。 ：既然P型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，所以，P型半导体带正电。此说法正确吗？思考题8 ：在本征半导体中参入微量五价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.5所示。常用的三价元素的杂质有磷、砷和锑等。N型半导体 施主杂质：因为五价元素的杂质在半导体中能够

6、产生多余的电子，故称之为施主杂质或N型杂质。 在N型半导体中，自由电子为多数载流子，而空穴为少数载流子。9 综上所述，在杂质半导体中，因为参杂，载流子的数量比本征半导体有相当程度的增加，尽管参杂的含量很小，但对半导体的导电能力影响却很大，使之成为提高半导体导电性能最有效的方法。 掺杂 对本征半导体的导电性的影响，其典型数据如下: T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: ni = pi =1.41010/cm3 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: ni=51016/cm3 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。HomeNextBac

7、k10小 结 本讲主要介绍了下列半导体的基本概念： 本征半导体 本征激发、空穴、载流子 杂质半导体 P型半导体和N型半导体 受主杂质、施主杂质、多子、少子11二.PN结的单向导电性 正偏与反偏：当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 一.PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成P型半导体和N型半导体。此时将在P型半导体和N型半导体的结合面上形成的物理过程示意图如图1.1.6所示。5. PN结 12PN结加正向电压 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。其示意图如 图1.1.7

8、所示。Home2. PN结加反向电压 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。其示意图如 图1.1.8所示。3. PN结的单向导电性 PN结加正向电压（正偏）时导通；加反向电压（反偏）时截止的特性，称为PN结的单向导电性。13三.PN结的特性曲线 1. PN结的V-I 特性表达式式中，IS 反向饱和电流； n 发射系数，与PN结的的尺寸、材料等有关，其值为12；VT 温度的电压当量，且在常温下（T=300K）:VT = kT/q = 0.026V =26mV142. PN结的正向特性HomeNextBack 死区电压Vth硅材料为0.5V左右；锗材料为0.1V左右。

9、 导通电压Von硅材料为0.60.7V左右；锗材料为0.20.3V左右。Is=10-8AVT=26mVn =2死区电压导通电压图1.1.9 PN结的正向特性153. PN结的反向特性HomeNextBack 反向电流： 在一定温度下，少子的浓度一定，当反向电压达到一定值后，反向电流IR 即为反向饱和电流IS，基本保持不变。 反向电流受温度的影响大。-IS图1.1.10 PN结的反向特性锗管硅管164. PN结的反向击穿特性HomeNextBack 反向击穿：当反向电压达到一定数值时，反向电流急剧增加的现象称为反向击穿（电击穿）。若不加限流措施，PN结将过热而损坏，此称为热击穿。电击穿是可逆的，

10、而热击穿是不可逆的，应该避免。图1.1.11 PN结的反向击穿特性VBR17HomeNextBack 反向击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。 雪崩击穿：当反向电压增加时，空间电荷区的电场随之增强，使通过空间电荷区的电子和空穴获得的能量增大，当它们与晶体中的原子发生碰撞时，足够大的能量将导致碰撞电离。而新产生的电子-空穴对在电场的作用下，同样会与晶体中的原子发生碰撞电离，再产生新的电子-空穴对，形成载流子的倍增效应。当反向电压增加到一定数值时，这种情况就象发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增加，于是导致了PN结的雪崩击穿。 齐纳击穿：齐纳击穿的机理与雪崩击穿不同。在较高的反向电压

11、作用下，空间电荷区的电场变成强电场，有足够的能力破坏共价键，使束缚在共价键中的电子挣脱束缚而形成电子-空穴对，造成载流子数目的急剧增加，从而导致了PN结的齐纳击穿。18四. PN结的电容效应HomeNextBack 1. 势垒电容Cb图1.1.12 势垒电容示意图 PN结外加电压变化，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压增加或减少，呈现出电容充放电的性质，其等效的电容称之为势垒电容Cb。当PN结加反向电压时， Cb明显随外加电压变化，利用该特性可以制成各种变容二极管。192.扩散电容Cd图1.1.13 扩散电容示意图HomeNextBack PN结外加正向电压变化，扩散区的非

12、平衡少子的数量将随之变化，扩散区内电荷的积累与释放过程，呈现出电容充放电的性质，其等效的电容称之为扩散电容Cd。 结电容Cj= Cb+ Cd 反偏时，势垒电容Cb为主；正偏时，扩散电容Cd为主。低频时忽略，只有频率较高时才考虑结电容的作用。20本 讲 小 结本讲主要介绍了以下基本内容： PN结形成：扩散、复合、空间电荷区（耗尽层、势垒区、阻挡层、内建电场）、动态平衡 PN结的单向导电性：正偏导通、反偏截止 PN结的特性曲线： 正向特性：死区电压、导通电压 反向特性：反向饱和电流、温度影响大 击穿特性：电击穿（雪崩击穿、齐纳击穿）、热击穿 PN结的电容效应：势垒电容、扩散电容21HomeNext

13、1.半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。一. 点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型 图1.2.1 二极管的结构示意图22HomeNext二. 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型图1.2.1 二极管的结构示意图Back23HomeNext三. 平面型二极管 往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(c)平面型图1.2.1 二极管的结构示意图阴极引线阳极引线PNP型支持衬底Back24HomeNext四. 二极

14、管的图形符号Back 图1.2.2 二极管的符号k阴极阳极a2.半导体二极管的V-I特性 二极管的特性与PN结的特性基本相同，也分正向特性、反向特性和击穿特性。其差别在于二极管存在体电阻和引线电阻，在电流相同的情况下，其压降大于PN结的压降。在此不再赘述。25HomeNextBack图1.2.3 半导体二极管图片263.半导体二极管的参数 最大整流电流IF反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VR反向电流IR(4) 正向压降VF(5) 最高工作频率fM(6)结电容Cj图1.2.4 二极管的高频等效道路HomeNextBack ：如何用万用表的“”档来辨别一只二极管的阳极、阴极以及二极管的好坏？思

15、考题274. 二极管的等效模型电路（1）理想模型图1.2.5 二极管的理想等效模型正偏时：uD=0,RD=0;反偏时：iD=0, RD=。 相当于一理想电子开关。HomeNextBack28HomeNext（2）恒压降模型Back 正偏时：uD=Uon,RD=0; 反偏时：iD=0, RD=。 相当于一理想电子开关和恒压源的串联。图1.2.6 二极管的恒压降等效模型29HomeNext（3）折线型模型Back 正偏时：uD=iDrD+UTH; 反偏时：iD=0, RD=。 相当于一理想电子开关、恒压源和电阻的串联。图1.2.7 二极管的折线型等效模型30HomeNext（4）小信号模型 二极管

16、工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。Back即根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）图1.2.8 二极管的小信号等效模型31HomeNext5.二极管基本电路及模型分析法（1）二极管的静态工作情况分析BackID+VD-R 10K+VDD20VID+VD-R 10K+VDD20VID+VD-R 10K+VDD20V+Von(a) 原电路(b) 理想模型电路(c) 恒压降模型电路图1.2.9 例1.2.1的电路图解：（1）理想模型，VD=0，则（2）恒压降模型，VD=0.7V，则例1.2.1 求图1.2.9（a）所示电路的硅二极管电流ID和电压VD。32Ho

17、meNext（2）二极管限幅电路Back解：请观看仿真波形!ID+vo-R 10K+vi20V图1.2.10 例1.2.2 电路图VREF 例1.2.2 如图1.2.10 所示电路。试画出VREF分别为0、10V时的波形。其中vi=10sintV。（3） 二极管开关电路 例1.2.3 如图1.2.11 所示电路。试求VI1、VI2为0和+5V时V0的值 。R 10KV0Vcc +5V图1.2.11 例1.2.3 电路图VI1VI2D1D2000+5V0 0 0 +5V +5V 0 +5V +5VV0VI1 VI2 33HomeNext（1）稳压二极管的伏安特性Back 稳定电压VZ 稳定电流I

18、Z（ IZmin 、IZmin ） 额定功耗PZM 动态电阻rZ 温度系数图1.2.12 稳压管的 伏安特性6.稳压二极管（2）稳压二极管的主要参数 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。其伏安特性如图1.2.12所示。34HomeNext（3）稳压二极管构成的稳压电路Back 例1.2.4 设计如图1.2.13 所示稳压管稳压电路，已知VO=6V， 输入电压VI 波动10%， RL=1k。图1.2.13 稳压管稳压电路解：（1）选择DZ ：查手册，选择DZ 为2CW13，VZ =(56.5V) ， IZmax=38mA, IZmin=5mA35HomeNextBack（2）选择限流电阻R：36HomeNext（1）发光二极管Back 外加反向电压，无光照时的反向电流称之为暗电流；有光照时的反向电流称之为光电流，光照越强，光电流越大。7.其它类型的二极管（2）光电二极管 工作电压一般在1.52