半导体器件课件2

半導體器件1.1PN結半導體器件是用半導體材料製成的電子器件。常用的半導體器件有二極體、三極管、場效應電晶體等。半導體器件是構成各種電子電路最基本的元件。1.1.1半導體的導電特徵半導體：導電性能介於導體和絕緣體之間的物質，如矽(Si)、鍺(Ge)。矽和鍺是4價元素，原子的最外層軌道上有4個價電子。室溫下，由於熱運動少數價電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子，同時在共價鍵中留下一個空位這個空位稱為空穴。失去價電子的原子成為正離子，就好象空穴帶正電荷一樣。在電子技術中，將空穴看成帶正電荷的載流子。每個原子周圍有四個相鄰的原子，原子之間通過共價鍵緊密結合在一起。兩個相鄰原子共用一對電子。1．激發產生自由電子和空穴（與自由電子的運動不同）有了空穴，鄰近共價鍵中的價電子很容易過來填補這個空穴，這樣空穴便轉移到鄰近共價鍵中。新的空穴又會被鄰近的價電子填補。帶負電荷的價電子依次填補空穴的運動，從效果上看，相當於帶正電荷的空穴作相反方向的運動。本征半導體中有兩種載流子：帶負電荷的自由電子和帶正電荷的空穴熱激發產生的自由電子和空穴是成對出現的，電子和空穴又可能重新結合而成對消失，稱為複合。在一定溫度下自由電子和空穴維持一定的濃度。2．空穴的運動3.在純淨半導體中摻入某些微量雜質，其導電能力將大大增強在純淨半導體矽或鍺中摻入磷、砷等5價元素，由於這類元素的原子最外層有5個價電子，故在構成的共價鍵結構中，由於存在多餘的價電子而產生大量自由電子，這種半導體主要靠自由電子導電，稱為電子半導體或N型半導體，其中自由電子為多數載流子，熱激發形成的空穴為少數載流子。（1）N型半導體自由電子多數載流子（簡稱多子）空穴少數載流子（簡稱少子）（2）P型半導體在純淨半導體矽或鍺中摻入硼、鋁等3價元素，由於這類元素的原子最外層只有3個價電子，故在構成的共價鍵結構中，由於缺少價電子而形成大量空穴，這類摻雜後的半導體其導電作用主要靠空穴運動，稱為空穴半導體或P型半導體，其中空穴為多數載流子，熱激發形成的自由電子是少數載流子。自由電子多數載流子（簡稱多子）空穴少數載流子（簡稱少子）無論是P型半導體還是N型半導體都是中性的，對外不顯電性。摻入的雜質元素的濃度越高，多數載流子的數量越多。少數載流子是熱激發而產生的，其數量的多少決定於溫度。半導體中載流子有擴散運動和漂移運動兩種運動方式。載流子在電場作用下的定向運動稱為漂移運動。在半導體中，如果載流子濃度分佈不均勻，因為濃度差，載流子將會從濃度高的區域向濃度低的區域運動，這種運動稱為擴散運動。將一塊半導體的一側摻雜成P型半導體，另一側摻雜成N型半導體，在兩種半導體的交界面處將形成一個特殊的薄層→

PN結。1．PN結的形成1.1.2PN結及其單向導電性多子擴散形成空間電荷區產生內電場少子漂移促使阻止擴散與漂移達到動態平衡形成一定寬度的PN結①外加正向電壓（也叫正向偏置）外加電場與內電場方向相反，內電場削弱，擴散運動大大超過漂移運動，N區電子不斷擴散到P區，P區空穴不斷擴散到N區，形成較大的正向電流，這時稱PN結處於導通狀態。2．PN結的單向導電性②外加反向電壓（也叫反向偏置）外加電場與內電場方向相同，增強了內電場，多子擴散難以進行，少子在電場作用下形成反向電流，因為是少子漂移運動產生的，反向電流很小，這時稱PN結處於截止狀態。一個PN結加上相應的電極引線並用管殼封裝起來，就構成了半導體二極體，簡稱二極體。半導體二極體按其結構不同可分為點接觸型和麵接觸型兩類。點接觸型二極體PN結面積很小，結電容很小，多用於高頻檢波及脈衝數字電路中的開關元件。面接觸型二極體PN結面積大，結電容也小，多用在低頻整流電路中。1.2半導體二極體1.2.1半導體二極體的結構（1）正向特性外加正向電壓較小時，外電場不足以克服內電場對多子擴散的阻力，PN結仍處於截止狀態。正向電壓大於死區電壓後，正向電流

隨著正向電壓增大迅速上升。通常死區電壓矽管約為0.5V，鍺管約為0.2V。外加反向電壓時，PN結處於截止狀態，反向電流

很小。

反向電壓大於擊穿電壓時，反向電流急劇增加。（2）反向特性1.2.2半導體二極體的伏安特性（1）最大整流電流IOM：指管子長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。（2）反向擊穿電壓UB：指管子反向擊穿時的電壓值。（3）最大反向工作電壓UDRM：二極體運行時允許承受的最大反向電壓（約為UB

的一半）。（4）最大反向電流IRM：指管子未擊穿時的反向電流，其值越小，則管子的單向導電性越好。（5）最高工作頻率fm：主要取決於PN結結電容的大小。理想二極體：正向電阻為零，正嚮導通時為短路特性，正向壓降忽略不計；反向電阻為無窮大，反向截止時為開路特性，反向漏電流忽略不計。1.2.3半導體二極體的主要參數穩壓管的主要參數：（1）穩定電壓UZ。反向擊穿後穩定工作的電壓。（2）穩定電流IZ。工作電壓等於穩定電壓時的電流。（3）動態電阻rZ。穩定工作範圍內，管子兩端電壓的變化量與相應電流的變化量之比。即：rZ=ΔUZ/ΔIZ（4）額定功率PZ和最大穩定電流IZM。額定功率PZ是在穩壓管允許結溫下的最大功率損耗。最大穩定電流IZM是指穩壓管允許通過的最大電流。它們之間的關係是：

PZ=UZIZM穩壓管是一種用特殊工藝製造的半導體二極體，穩壓管的穩定電壓就是反向擊穿電壓。穩壓管的穩壓作用在於：電流增量很大，只引起很小的電壓變化。1.3特殊二極體1.3.1穩壓管1.3.2發光二極體當發光二極體的PN結加上正向電壓時，電子與空穴複合過程以光的形式放出能量。不同材料製成的發光二極體會發出不同顏色的光。發光二極體具有亮度高、清晰度高、電壓低（1.5～3V）、反應快、體積小、可靠性高、壽命長等特點，是一種很有用的半導體器件，常用於信號指示、數字和字元顯示。1.3.3光電二極體光電二極體的又稱為光敏二極體，其工作原理恰好與發光二極體相反。當光線照射到光電二極體的PN結時，能激發更多的電子，使之產生更多的電子空穴對，從而提高了少數載流子的濃度。在PN結兩端加反向電壓時反向電流會增加，所產生反向電流的大小與光的照度成正比，所以光電二極體正常工作時所加的電壓為反向電壓。為使光線能照射到PN結上，在光電二極體的管殼上設有一個小的通光窗口。1.4雙極型三極管1.4.1

三極管的結構及類型半導體三極管是由兩個背靠背的PN結構成的。在工作過程中，兩種載流子（電子和空穴）都參與導電，故又稱為雙極型電晶體，簡稱電晶體或三極管。

兩個PN結，把半導體分成三個區域。這三個區域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三極管有兩種類型：NPN型和PNP型。NPN型PNP型箭頭方向表示發射結加正向電壓時的電流方向1.4.2電流分配和電流放大作用（1）產生放大作用的條件內部：a）發射區雜質濃度>>基區>>集電區

b）基區很薄外部：發射結正偏，集電結反偏（2）三極管內部載流子的傳輸過程a）發射區向基區注入電子，形成發射極電流iEb）電子在基區中的擴散與複合，形成基極電流iBc）集電區收集擴散過來的電子，形成集電極電流iC（3）電流分配關係：

iE=iC+iB

實驗表明IC比IB大數十至數百倍，因而有。IB雖然很小，但對IC有控制作用，IC隨IB的改變而改變，即基極電流較小的變化可以引起集電極電流較大的變化，表明基極電流對集電極具有小量控制大量的作用，這就是三極管的電流放大作用。1.4.3三極管的特性曲線1．輸入特性曲線與二極體類似2．輸出特性曲線（1）放大區：發射極正向偏置，集電結反向偏置（2）截止區：發射結反向偏置，集電結反向偏置

（3）飽和區：發射結正向偏置，集電結正向偏置此時

1.4.4三極管的主要參數1、電流放大係數β：iC=βiB2、極間反向電流iCBO、iCEO：iCEO=（1+β）iCBO3、極限參數

（1）集電極最大允許電流ICM：下降到額定值的2/3時所允許的最大集電極電流。（2）反向擊穿電壓U（BR）CEO：基極開路時，集電極、發射極間的最大允許電壓。（3）集電極最大允許功耗PCM。

1.5場效應電晶體1.5.1

絕緣柵型場效應管的結構耗盡型：UGS=0時漏、源極之間已經存在原始導電溝道。增強型：UGS>0才能在漏、源極之間形成導電溝道。無論是N溝道MOS管還是P溝道MOS管，都只有一種載流子導電，均為單極型電壓控制器件。MOS管的柵極電流幾乎為零，輸入電阻RGS很高1、N溝道耗盡型場效應管的特性曲線耗盡型場效應管存在原始導電溝道，UGS=0時漏、源極之間就可以導電。這時在外加電壓UDS作用下的漏極電流稱為漏極飽和電流IDSS。UGS>0時溝道內感應出的負電荷增多，溝道加寬，溝道電阻減小，ID增大。UGS<0時會在溝道內產生出正電荷與原始負電荷複合，溝道變窄，溝道電阻增大，ID減小。UGS達到一定負值時，溝道內載流子全部複合耗盡，溝道被夾斷，ID=0，這時的UGS稱為夾斷電壓UGS(off)。1.5.2

絕緣柵型場效應管的工作原理與特性曲線增強型場效應管不存在原始導電溝道，UGS=0時場效應管不能導通，ID=0

。UGS>0時會產生垂直於襯底表面的電場。P型襯底與絕緣層的介面將感應出負電荷層，UGS增加，負電荷數量增多，積累的負電荷足夠多時，兩個N+區溝通，形成導電溝道，漏、源極之間有ID出現。在一定的漏、源電壓UDS下，使管子由不導通轉為導通的臨界柵、源電壓稱為開啟電壓UGS(th)。UGS<UGS(th)時，ID=0；UGS>UGS(th)時，隨UGS的增加ID增大。2、N溝道增強型場效應管的特性曲線按場效應管的工作情況可將漏極特性曲線分為兩個區域。在虛線左邊的區域內，漏、源電壓UDS相對較小，漏極電流ID隨UDS的增加而增加，輸出電阻ro較小，且可以通過改變柵、源電壓UGS的大小來改變輸出電阻ro的阻值，這一區域稱為可變電阻區。在虛線右邊的區域內，當柵、源電壓