半导体器件课件1

半導體器件1.1.1本征半導體現代電子學中，用的最多的半導體是矽和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。Si矽原子Ge鍺原子§1.1半導體的基本知識通過一定的工藝過程，可以將半導體製成晶體。完全純淨的、結構完整的半導體晶體，稱為本征半導體。在矽和鍺晶體中，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。矽和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子後的原子共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵後，每個原子的最外層電子是八個，構成穩定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規則排列，形成晶體。+4+4+4+41.1.2雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。載流子：電子，空穴N型半導體（主要載流子為電子[-]，電子半導體）P型半導體（主要載流子為空穴[+]，空穴半導體）N型半導體在矽或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。矽或鍺+少量磷

N型半導體N型半導體多餘電子磷原子矽原子+N型矽表示SiPSiSiP型半導體在矽或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導體原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由於硼原子接受電子，所以稱為受主原子。矽或鍺+少量硼

P型半導體空穴P型半導體硼原子P型矽表示SiSiSiB矽原子空穴被認為帶一個單位的正電荷，並且可以移動雜質半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體10.2.1PN結的形成在同一片半導體基片上，分別製造P型半導體和N型半導體，經過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結。§1.2PN結及半導體二極體P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E漂移運動空間電荷區PN結處載流子的運動擴散的結果是使空間電荷區逐漸加寬，空間電荷區越寬。漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場EPN結處載流子的運動內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場EPN結處載流子的運動所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當於兩個區之間沒有電荷運動，空間電荷區的厚度固定不變。1.2.2PN結的單向導電性

PN結加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區加正、N區加負電壓。

PN結加上反向電壓、反向偏置的意思都是：P區加負、N區加正電壓。PN結正向偏置－－－－++++內電場減弱，使擴散加強，擴散

飄移，正向電流大空間電荷區變薄PN+_正向電流PN結反向偏置－－－－++++空間電荷區變厚NP+_++++－－－－內電場加強，使擴散停止，有少量飄移，反向電流很小反向飽和電流很小，

A級1.2.3半導體二極體(1)、基本結構PN結加上管殼和引線，就成為半導體二極體。PNPN符號陽極陰極(2)、伏安特性UI導通壓降:矽管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)死區電壓矽管0.5V,鍺管0.2V。UIE+-反向漏電流（很小，

A級）（3）靜態電阻Rd，動態電阻rDUQIQUS+-R靜態工作點Q（UQ，IQ）（3）靜態電阻Rd，動態電阻rDiuIQUQQIQUQ靜態電阻：Rd=UQ/IQ

（非線性）動態電阻：

rD=

UQ/

IQ在工作點Q附近，動態電阻近似為線性，故動態電阻又稱為微變等效電阻例1：二極體：死區電壓=0.5V，正向壓降

0.7V(矽二極體)

理想二極體：死區電壓=0，正向壓降=0RLuiuOuiuott二極體半波整流例2：二極體的應用RRLuiuRuotttuiuRuo利用二極體的特性可以作半波整流和產生正負脈衝§1.3穩壓二極體IZmax+-穩壓二極體符號UIUZIZ穩壓二極體特性曲線IZmin當穩壓二極體工作在反向擊穿狀態下,當工作電流IZ在Izmax和

Izmin之間時,其兩端電壓近似為常數正向同二極體穩定電流穩定電壓例：穩壓二極體的應用RLuiuORDZiiziLUZ穩壓二極體技術數據為：穩壓值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負載電阻RL=2k

，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200。若負載電阻變化範圍為1.5k~4k

，是否還能穩壓？RLuiuORDZiiziLUZUZW=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）

iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）負載變化,但iZ仍在12mA和2mA之間,所以穩壓管仍能起穩壓作用穩壓二極體考察是否穩壓的標準：Imax~Imin穩壓值§1.4半導體三極管1.4.1基本結構BECNNP基極發射極集電極NPN型PNP集電極基極發射極BCEPNP型BECNPN型三極管BECPNP型三極管三極管符號NPNCBEPNPCBEBECNNP基極發射極集電極基區：較薄，摻雜濃度低集電區：面積較大發射區：摻雜濃度較高發射結集電結BECNNP基極發射極集電極+++++++++++++__________________________+++++++++++++1.4.2電流放大原理BECNNPEBRBEc發射結正偏，發射區電子不斷向基區擴散，形成發射極電流IE。IE1進入P區的電子少部分與基區的空穴複合，形成電流IB，多數擴散到集電結。IBBECNNPEBRBEcIE從基區擴散來的電子漂移進入集電結而被收集，形成IC。IC2ICIB要使三極管能放大電流，必須使發射結正偏，集電結反偏。靜態電流放大倍數靜態電流放大倍數，動態電流放大倍數

=IC/

IBIC=

IB動態電流放大倍數IB：IB+

IBIC：IC+

IC

=

IC/

IB一般認為：==，近似為一常數，

值範圍：20~100

IC=

IB1.4.3特性曲線ICmA

AVVUCEUBERBIBUSCUSB

實驗線路(共發射極接法)CBERCIB

與UBE的關係曲線（同二極體）（1）輸入特性IB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V

死區電壓，矽管0.5V工作壓降：矽管UBE0.7V（2）輸出特性(IC與UCE的關係曲線)IC(mA)1234UCE(V)3691240

A60

AQQ’

=IC/

IB=2mA/40A=50

=

IC/

IB

=(3-2)mA/(60-40)A=50

=IC/

IB=3mA/60A=50輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020

A40

A60

A80

A100

A當UCE大於一定的數值時，IC只與IB有關，IC=IB,且

IC=

IB

。此區域稱為線性放大區。此區域中UCEUBE,集電結正偏，

IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區。此區域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區電壓,，稱為截止區。輸出特性三個區域的特點:(1)放大區

BE結正偏，BC結反偏，IC=IB,且

IC=

IB(2)飽和區

BE結正偏，BC結正偏，即UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區

UBE<死區電壓，IB=0，IC=ICEO0

例：=50，USC=12V，

RB=70k，RC=6k

當USB=-2V，2V，5V時，電晶體的靜態工作點Q位於哪個區？USB=-2V，IB=0，IC=0，Q位於截止區

USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019mAIC=IB=500.019=0.95mA<

ICS=2mA

，Q位於放大區

IC最大飽和電流ICS=(USC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mA

ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEICUCEIBUSCRBUSBCBERC例：=50，USC=12V，

RB=70k，RC=6k

當USB=-2V，2V，5V時，電晶體的靜態工作點Q位於哪個區？USB=5V，IB=(USB-UBE)/RB=(5-0.7)/70=0.061mA

IC=IB=500.061=3.05mA>

ICS=2mA

，Q位於飽和區(實際上，此時IC和IB已不是

的關係）三極管的技術數據：（自學）（1）電流放大倍數

（2）集-射間穿透電流ICEO（3）集-射間反向擊穿電壓UCEO(BR)（4）集電極最大電流ICM（5）集電極最大允許功耗PCM§1.5場效應電晶體場效應管與電晶體不同，它是多子導