大三上课件-工业电子学第1章讲稿

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第一章

半导体器件基础2第一章半导体器件§1.1

半导体的基本知识§1.2

半导体二极管§1.3

半导体三极管§1.4

场效应晶体管3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。§1.1半导体的基本知识4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（热敏性和光敏性）。

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。5一、本征半导体的结构特点GeSi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。1.1.1本征半导体及其导电性6本征半导体：完全纯净的（纯度达99.9999999%）、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：7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8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+49二、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10+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子112.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。12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。13这是因为游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。随着激发过程的进行，不断有电子获得能量变成自由电子，从而形成更多的空穴电子对，但是随着电子空穴对的增多，自由电子复合的机会（撞上空穴的机会）也增加了，最终单位时间内激发的自由电子数和符合的自由电子数会达到平衡。只有当温度改变的时候才能打破这一平衡，进入到下一个平衡状态。从这里我们可以得出一个结论。即本征半导体中的电子浓度和空穴浓度只和温度有关系，是温度的函数。本征载流子浓度的计算我们给出一个公式：

141.1.2

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）。15一、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。16+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）。17二、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。18三、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。19从理论上讲对于掺杂半导体，空穴浓度与子浓度的乘积在一定温度下仍然是一个常数，与掺杂程度无关。所以可以通过本征半导体中载流子的浓度来计算掺杂半导体中少子的浓度。对于N型半导体来说，

对于P型半导体来说。因此对于掺杂半体来说，

掺杂以后多数载流子浓度会大大增加，比本征载流子浓度大很多倍；而少数载流子浓度会大大降低，比本征载流子浓度小好多倍。

201.2.1PN

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。§1.2半导体二极管21P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。22漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以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。23－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0241.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P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），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:251.2.2PN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。26－－－－++++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。27二、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。RE281.2.3

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：29

二、伏安特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR30三、主要参数1.最大整流电流

IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。313.反向电流

IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。324.微变电阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。331.2.4二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P

区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。P+-N34CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd35二极管：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=0RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流36二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo371.2.5

稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ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。38（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压

UZ（2）电压温度系数U（%/℃）

稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻39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。应用电路401.2.6光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加411.2.7发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，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。421.3.1

基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型基极PNP集电极发射极BCEPNP型§1.3半导体三极管43BECNNP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44BECNNP基极发射极集电极发射结集电结451.3.2电流放大原理BECNNPEBRBECIE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。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。46BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE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。47IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBE48ICE与IBE之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。事实上当管子做好以后各区载流子浓度是一定的这样扩散和复合的规模之比是一定的着也是说是一定的。一般来说由于基区掺杂浓度很小所以一般很大所以可以看出基极电流的很小变化就能引起集电极和发射机电流的很大变化也就是说三极管具有放大作用。

49BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管501.3.3

特性曲线ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

实验线路51一、输入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V

死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。52二、输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。53IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。54IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。55输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

56三、主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：1.电流放大倍数和

57例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：=582.集-基极反向截止电流ICBOAICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。59BECNNPICBOICEO=(1+)ICBO

3.集-射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。604.集电极最大电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。5.集-射极反向击穿电压当集---射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。616.集电极最大允许功耗PCM

集电极电流IC

流过三极管，所发出的焦耳热为：PC=ICUCE

必定导致结温上升，所以PC

有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区62场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种:§1.4场效应晶体管63N基底：N型半导体PP两边是P区G(栅极)S源极D漏极一、结构1.4.1结型场效应管:导电沟道64NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管DGSDGS65PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管DGSDGS66二、工作原理（以P沟道为例）PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。67PGSDUDSUGSNNIDNNUGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。68PGSDUDSUGSNNUGS达到一定值时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS0V，漏极电流ID=0A。ID69三、特性曲线UGS0IDIDSSVP饱和漏极电流夹断电压转移特性曲线一定UDS下的ID-UGS曲线70IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线071N沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线UGS0IDIDSSVP72输出特性曲线IDUDS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN沟道结型场效应管的特性曲线731.4.2绝缘栅场效应管:一、结构和电路符号PNNGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层导电沟道金属铝GSDN沟道增强型74N沟道耗尽型PNNGSD预埋了导电