课件-第6章 半导体器件

1、1.第6章半导体器件基础6.1半导体基础知识，6.1.1本征半导体，图6-1硅和锗的简化原子结构模型，它们都是四价元素，在最外层轨道上有四阶电子。图6-2显示了本征半导体的晶体结构。图6-3显示了本征半导体中的自由电子和空穴。2、原子的电中性被破坏，显示出正电荷，这等于电子的负电荷。人们通常称这个带正电荷的空位为空穴。在外加电场的作用下，空穴定向运动并形成空穴电流。半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。本征半导体具有很少的自由电子和高电阻率，因此它们的导电性很差，不能用作半导体器件。6.1.2杂质半导体，氮(负)半导体：掺杂有五价杂质元素，如磷，可形成氮(负)半导体，也称为

2、电子半导体。在氮型半导体中，自由电子(结合后多一个电子)是多数载流子。它主要由杂质原子提供；此外，硅晶体由于热激发会产生少量的电子-空穴对，因此空穴是少数载流子。五价杂质原子变成正离子，因为它们失去一个电子并带有单位正电荷，所以五价杂质原子也被称为施主杂质。磷(正)半导体：在本征半导体中加入三价杂质元素，如硼、镓和铟，形成磷(正)半导体，也称为空穴半导体(三个电子与半导体结合形成一个空穴)。空穴是主要载流子，而电子是少数载流子。因为三价杂质原子可以接受自由电子形成空穴，所以它们被称为受体杂质。6.1.3 PN结及其特性，在两个半导体(PN结)的结合面上将形成一个PN结薄层，称为pn结。由于界面

3、两侧的浓度不同，电子将从氮区扩散到磷区；空穴从p区扩散到n区。在磷和氮区域的接合处，形成了从氮到磷方向的内部电场。在这个电场的作用下，载流子将向与扩散相反的方向漂移，从而阻止扩散。当达到平衡时，扩散运动等于漂移运动，通过界面的载流子数为0，即PN结电流为0。此时，在PN结区形成一个缺少载流子的高阻区，称为耗尽层。PN结具有以下特征：(1)单向导电，将电源的正极连接到P区，负极连接到N区，称为正向连接或正向偏置。与自建场的方向相反，内部电场减弱，耗尽层变窄，因此扩散效应大于漂移效应。形成正向电流，其方向是从电源的正极通过P和N区到电源的负极。此时，PN结打开。4、反向电流很小，PN结处于关断状态

4、，反向电阻值很大。当正向偏置电压施加到PN结时，形成大的正向电流，并且PN结呈现小的正向电阻；当施加反向偏置电压时，反向电流非常小，并且PN结呈现大的反向电阻，这是PN结的单向传导特性。(a)直流电压，(b)反向电压，(2)反向击穿，以及(3)电容。将电源的正极连接到N区，负极连接到P区，这称为反向连接或反向偏置。在与自建场相同的方向上，它增强了内部电场，加宽了耗尽层，并且漂移大于扩散，这被称为反向电流。5、6.2半导体二极管，6.2.1二极管结构，二极管(PN结)一般分为三种类型：点接触型，面接触型和平面型，6.2.2二极管特性，二极管的伏安特性可以用特性曲线或平方方程表示。对于不同频率的信

5、号，PN表现出不同的阻抗特性。当施加的直流电压不同时，PN结两侧堆积的多形性物质的浓度梯度分布是一致的在室温下(相当于温度=300，电压=26毫伏)。硅管的Uon约为0.60.8伏，锗管的Uon约为0.10.3伏。当二极管施加反向电压时，反向电流非常小。反向击穿有两种形式：雪崩击穿和齐纳击穿。当反向电压足够高时，耗尽层中的电场很强，发生雪崩击穿。图6-6二极管的伏安特性曲线，7。当电流过大时，PN结的耗散功率超过允许值，导致PN结过热烧毁。二极管的主要参数，(1)最大整流电流IDM，(2)最大反向工作电压URM，(3)最大反向电流IRM，(4)最大工作频率fM，例6.1，例6.2，6.2.4二

6、极管的应用，1。二极管整流，例如齐纳二极管利用PN结的击穿特性。当在PN结的两侧掺杂高浓度杂质时，耗尽层宽度非常小，这导致齐纳击穿。8，例6.6，(1)齐纳二极管，6.2.5特殊二极管，(a)伏安特性，(b)符号，图6-13稳压器的应用，图6-12伏安特性和稳压器符号，9，GaAs其导通电压大于普通二极管，红色在1.6V到1.8V之间，绿色在2V左右。发光二极管的颜色取决于所用的材料，它们通常由元素周期表第一和第二族元素的化合物制成，如砷化镓和磷化镓。(2)发光二极管，图6-15，发光二极管的外观和符号，(a)外观，(b)符号，(3)光电二极管，图6-16，光电二极管符号，光电二极管由光敏半导

7、体材料制成，其反向电流随着照度的增加而增加。广泛用于遥控、报警和光电传感器。10，图6.18常见的三极管形状，背靠背连接两个PN结可以形成三极管，也称为晶体管或双极晶体管(也称为BJT)，可分为PNP和NPN两种类型。6.3半导体三极管，(a)NPN硅管的结构，(c)NPN和PNP结构的示意图，图6-17三极管结构示意图和符号，11，6.3.2三极管的工作原理，1。电流放大原理实验，常用的半导体材料是硅和锗，所以有3A(锗PNP)和3B除非另有说明，本书以广泛使用的硅NPN晶体管为例。无论是NPN还是PNP三元组，它们都包含三个区域，分别称为发射极区、基极区和集电极区；从三个区域引出的三个电极

8、分别称为发射极(E)、基极(B)和集电极(C)。在三个区域的结处形成的两个PN结分别被称为发射极结和集电极结。图(c)符号中发射极上的箭头方向表示发射极结正向偏置时的电流方向。从实验和测量结果中，我们可以看出：12，2的原理。三极管的外部电源连接和电流分配，(1)外部电源连接方法，三极管的外部电源要求发射极结正向偏置和集电极结反向偏置。(2)载流子输运过程：发射区向基区发射自由电子。电子在基极区的扩散和复合，以及电子在集电极区的收集。13，(3)电流分布关系，IE=ic1b、DC和交流放大系数非常接近，所以它们可以混合。三极管的电流分布关系可以近似表示为：14，6.3.3三极管的特性曲线，三极

9、管外极间的电压和电流关系称为三极管的特性曲线，它反映了每极的电流和电压的关系。1.输入特性，当电压UCE不变时，输入回路中IB与电压UBE的关系曲线称为输入特性，类似于二极管伏安特性曲线。(a)共发射极电路(b)三极管输入特性，2。输出特性，15。输出特性是指当IB恒定时，输出环路中集电极电流IC和集电极电压UCE之间的关系，图6-22 (1)截止区：发射极结反向偏置，集电极结反向偏置。也就是IB0的一部分。IB=0是临界截止值，ICICEO=0，(2)放大区：发射极结正向偏置，集电极结反向偏置。此时，集成电路=IB，集成电路的大小仅由IB控制，三极管处于放大状态。(3)饱和区：发射极结正向偏

10、置，集电极结的正向或反向偏置电压非常小。ICIB，三极管没有放大。当三极管处于深度饱和状态时，UCE值非常小。此时的UCE被称为饱和电压降，用UCE表示，三极管的C极和E极之间的短路开始出现。16、特征曲线随温度变化：当温度上升时，输入特征曲线向左移动；输出特性曲线平行向上移动。6.3.4三极管的微变量等效电路。如果输入信号很小，三极管可以看作是一个线性元件，即微变量等效电路状态。(1)三极管的输入电路，(2)三极管的输出电路，(1)三极管的微变等效电路，图6-23三极管的交流输入电阻RBE，17，6.3.5三极管的主要参数，(1)电流放大系数，(2)极间反向电流，(3) (6)集电极最大允许

11、功率PCM，三极管的安全工作区，例6.7，6.3.6复合管，18，1。复合管结构，四种常见的复合管结构，2。复合管的特点：(1)复合管的类型与第一三极管相同。(2)复合管的电流放大系数大约是组成复合管的每个三极管的电流放大系数的乘积。场效应晶体管(场效应晶体管使用多数载流子导电，所以它被称为单极器件；晶体管是双极器件，因为它们既有多数载流子又有少数载流子来导电。)，场效应晶体管是一种电压控制器件，它利用电场效应来控制其电流，从而实现放大。当场效应晶体管工作时，只有一个载流子参与传导，所以它也被称为单极器件。场效应晶体管分为两类，结型场效应晶体管和绝缘栅型场效应晶体管。绝缘栅场效应晶体管是由金属

12、、氧化物和半导体材料制成的，因此也称为金属氧化物半导体晶体管。绝缘栅场效应晶体管分为增强型和耗尽型，每一种都包括N沟道和P沟道。1。n沟道增强型场效应晶体管，(1)n沟道增强型金属氧化物半导体晶体管的结构和符号，符号中的箭头表示从p区(衬底)指向n区(n沟道)，虚线表示增强型。(2)工作原理，如图6-29所示，形成导电沟道所需的最小栅源电压UGS称为导通电压UT。(a)UGS=0 (b)UGS0图6-29 n沟道增强型金属氧化物半导体晶体管加栅源电压UGS，(3)特性曲线，20，图6-30 n沟道增强型金属氧化物半导体晶体管转移特性曲线，图6-31 n沟道增强型金属氧化物半导体晶体管输出特性曲线，2。N沟道耗尽型绝缘栅场效应晶体管，(1)结构图6-32N沟道耗尽型金属氧化物半导体管的结构和符号。(2)工作原理：在二氧化硅绝缘层中掺杂了大量的正离子，在两个N区之间感应出更多的电子，形成原来的导电沟道。21，(3)特性曲线，6.4.2场效应晶体管的微变化等效电路，图6-33N沟道耗尽型金属氧化物半导体