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1、第1章 常用半导体器件,第1章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识,1.3 半导体三极管,1.2 半导体二极管,1.4 半导体场效应管,第1章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识,导 体：电阻率小于10-4cm的物质，如铜、铝、 银等金属材料；,半导体：电阻率在10-3109cm范围内的物质， 常用的半导体材料是硅（Si)、锗(Ge)、砷化镓GaAs。,绝缘体：电阻率大于1010cm的物质，如塑料、 橡胶、陶瓷等材料；,第1章 常用半导体器件,用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化。,

2、半导体受热、光照或掺入杂质后，导电性能会发生变化。,掺杂特性：纯净硅在室温时的电阻率为 2.14105cm，如果在纯净硅中掺入百万分之一浓度的磷原子，此时硅的纯度仍可高达99.9999，但它的电阻率却下降到 0.2cm，几乎减少到原来的百万分之一。,热敏特性：纯净的半导体硅，当温度从30升高到40时，电阻率减小一半；而金属导体铜，当温度从30升高到100时，电阻率的增加还不到 1 倍。 光敏特性：,第1章 常用半导体器件,图 1-1 硅和锗的原子结构模型 (a) 硅； (b) 锗； (c) 原子简化模型,1.1.1 本征半导体,纯净的单晶半导体称为本征半导体。,1 本征半导体的晶体结构,第1章

3、 常用半导体器件,半导体的共价键结构,硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构,空穴共价键中的空位。空穴可以看成带正电的粒子。,电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。,第1章 常用半导体器件,本征激发：由于本征半导体受热（或光照）而产生电子-空穴对的现象。,自由电子：挣脱了共价键束缚的价电子。,2 本征半导体中的两种载流子,空穴的移动,空穴的移动：空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。电子填充空穴的过程就相当于正电荷空穴的移动，因此空穴是能载运电荷的粒子载流子，即空穴能参与导电。,第1章 常用半导体器件,本征半导体中空穴和自由电子移动都能输运电荷，即本征半导体中空穴和自由电子

4、移动都能参与导电。故本征半导体中有两种载流子。空穴和自由电子定向移动都会形成电流。,第1章 常用半导体器件,半导体的导电特性：,3 热平衡载流子的浓度,第1章 常用半导体器件,当温度一定时，在本征半导体中本征激发产生的电子-空穴对，与复合的电子-空穴对数目相等，这种状态称为热平衡状态。热平衡状态下本征半导体的载流子浓度是一定的， 且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。根据有关理论，可以证明载流子浓度为,自由电子在运动中填补空穴,使两者都消失的现象称为复合。,式中K1是常量（硅为3.881016 cm-3K-3/2，锗为1.761016cm-3K-3/2）；k 为玻尔兹曼常数；EG0 是T=0K时的

5、禁带宽度（破坏共价键所需能量，硅为1.21 eV， 锗为0.785 eV）。,1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。,P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。,第1章 常用半导体器件,1. N型半导体,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子（多子），它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子（少子）,

6、 由热激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,第1章 常用半导体器件,2. P型半导体,因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,第1章 常用半导体器件,在一块完整的本征半导体硅或锗片上，利用不同的掺杂工艺， 使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体， 在它们的交界处便形成PN结。PN结具有单向导电性 ,第1章 常用半导体器件,1.1.

7、3 PN 结,半导体器件的核心是PN结。半导体二极管是单个PN结;半导体三极管具有两个PN结； 场效应管的基本结构也是PN结。,第1章 常用半导体器件,1 PN结的形成,扩散运动：载流子从浓度高的区域向浓度低的区域的运动。即P型区的多子(空穴)向N型区扩散，N型区的多子(自由电子)向P型区扩散。,空间电荷区：在P和N的交界面两侧出现的不能移动的杂质正负离子区域。也就是PN结，又称为耗尽层。,多子扩散运动使空间电荷区加宽。,第1章 常用半导体器件,1 PN结的形成 内电场：在空间电荷区里，由带正电的N型区指向带负电的P型区的电场。,内电场阻止多子的扩散运动、,内电场推动少数载流子产生漂移运动（载

8、流子从浓度低的区域向浓度高的区域的运动。） 。从N型区漂移到P型区的空穴填补了原来交界面上P型区所失去的空穴， 从P型区漂移到N型区的自由电子填补了原来交界面上N型区所失去的自由电子，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄。空间电荷区称为阻挡层。,1 PN结的形成 当多子的扩散运动和少子的漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度一定，PN结电流为零。在动态平衡时，由内电场产生的电位差称为内建电位差Uho, 如图（b）所示。处于室温时，锗的Uho0.20.3 V，硅的Uho0.50.7 V。 ,第1章 常用半导体器件,第1章 常用半导体器件,总结: 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N

9、型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差,空间电荷区形成内电场, 内电场促使少子漂移, 内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区 ,第1章 常用半导体器件,若P型和N型半导体的掺杂浓度不同， 空间电荷区内正、负离子的宽度也将不同，P型区和N型区的掺杂浓度相等时，正离子区与负离子区的宽度也相等，称为对称PN结；当两边掺杂浓度不等时，浓度高的一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧， 称为不对称PN结。其中，P型区掺杂浓度大于N型区的称为P+N结；N型区掺杂浓度大于P型区的称为N+P结。,第1

10、章 常用半导体器件,2 PN结的单向导电性,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。,(1) PN结加正向电压时,PN结加正向电压时的导电情况,低电阻 大的正向扩散电流,第1章 常用半导体器件,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。,(2) PN结加反向电压时,PN结加反向电压时的导电情况,高电阻 很小的反向漂移电流,（PN结截止）,第1章 常用半导体器件,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。 PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小

11、的反向漂移电流。PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,第1章 常用半导体器件,3 PN结V- I 方程,其中,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,根据理论分析，PN结两端的电压U和流过PN结的电流I之间的关系为,第1章 常用半导体器件,反向击穿特性,正向特性,反向特性,Uon,4 PN结的伏安特性,反向电压不断增大，超过某一电压值时， 反向电流将急剧增加，这种现象称为PN结的反向击穿。反向电流急剧增加时所对应的反向电压U(BR)称为反向击穿电压。反向击穿原因有雪崩击和齐纳击穿。,第1章 常用半导体器件,1） 雪崩击穿 在掺杂浓度较低的PN结中

12、，随着反向电压逐渐增大，空间电荷区（即阻挡层）变宽，内电场加强，使参加漂移运动的载流子加速，动能加大。当反向电压增大到一定数值时，载流子获得的动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生电子-空穴对。新产生的载流子被电场加速后，又碰撞其它中性原子， 又产生新的电子-空穴对。 如此连锁反应，造成载流子急剧增多， 使反向电流“滚雪球”般地骤增，通常将这种反向击穿称为雪崩击穿。雪崩击穿的击穿电压较高，其值随掺杂浓度的降低而增大。,第1章 常用半导体器件,2） 齐纳击穿 当PN结两边的掺杂浓度很高时，阻挡层将变得很薄。这时只要加上不大的反向电压（如4 V以下），阻挡层就可能获得2106 V/cm以上

13、的电场强度，该场强足以直接破坏共价键，把价电子从共价键中拉出来，从而获得大量的电子-空穴对，引起PN结中的反向电流急剧增大，这种反向击穿现象称为齐纳击穿。齐纳击穿的反向击穿电压较低，且随着掺杂浓度的增高而减小。 通常情况下，反向击穿电压在7 V以上属于雪崩击穿，4V以下属于齐纳击穿，在47 V之间的击穿则两种情况都有。无论哪种击穿， 只要PN结不因电流过大而产生过热损坏，当反向电压降到击穿电压以下（均指绝对值）时，其性能又可恢复到击穿前的情况。,第1章 常用半导体器件,5 PN结的电容特性,1） 势垒电容Cb,势垒电容的大小与PN结的结面积S成正比，与空间电荷区的宽度l成反比，为半导体材料的介

14、电系数。由于空间电荷区的宽度l随外加电压U的变化而变化，因此势垒电容是一种非线性电容。,第1章 常用半导体器件,2) 扩散电容Cd,扩散电容示意图,PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。当PN结处于正向偏置时，P区的多子(空穴)扩散到N区，成为N区中的少子，N区中的多子(自由电子)扩散到P区，成为P区中的少子，这种不是靠热激发而存在的少子称为非平衡少子。当外加正向电压一定时，靠近空间电荷区边界的中性区非平衡少子浓度高，远离边界的中性区非平衡少子浓度低。,外加电压增大，曲线由变为；外加电压减小曲线由变为。,第1章 常用半导体器件,综上所述，PN结的结电容Cj为势垒电容Cb和扩散电容Cd之和，即

15、,当PN结正向偏置时，PN结结电容以扩散电容为主，CjCd， 其值为几十皮法到几千皮法；当PN结反向偏置时，PN结结电容以势垒电容为主，CjCb，其值为几皮法到几十皮法。,第1章 常用半导体器件,1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的结构,1.2.2 二极管的伏安特性,1.2.3 二极管的参数,1.2.4 二极管的等效模型,第1章 常用半导体器件,半导体二极管图片,第1章 常用半导体器件,1.2.1 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。,(1) 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

16、路。,第1章 常用半导体器件,(3) 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。,(2) 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,(4) 二极管的代表符号,第1章 常用半导体器件,1.2.2 二极管的伏安特性(T的影响),二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正向特性,反向特性,反向击穿特性,门限电压或开启电压:Uon（或Vth) 锗管约为0.1 V, 硅管约为 0.5 V。对温度敏感,二极管的伏安特性受温度的影响,第1章 常用半导体器件,1.2.3 二极管的主要参数,最高反向工作电压UR ：当二极管的反向电压超过最高反

17、向工作电压UR时，管子可能会因反向击穿而损坏。通常UR为二极管反向击穿电压U(BR)的一半。,最大整流电流IF ： 它是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。在使用时注意不要超过此值，否则二极管会因过热而损坏。,反向电流IR ： 是指管子未击穿时的反向电流。 此值越小，二极管的单向导电性越好。,最高工作频率fM：它是指二极管正常工作时的上限频率。 超过此值，由于二极管结电容的作用，二极管的单向导电性将遭到破坏。,第1章 常用半导体器件,1.2.4 二极管的等效模型,1） 理想模型,3） 折线模型,2） 恒压降模型,1 二极管V- I 特性折线化建模,第1章 常用半导体器件,2. 小信号

18、模型（微变等效电路）,二极管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。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,第1章 常用半导体器件,应用举例,1. 二极管的静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,第1章 常用半导体器件,由二极管组成的开关电路如图所示，判断图中二极管是导通还是截止，并确定电路的输出电压Uo（设二极管是理想二极管）。,首先假设二极管断开，然后求得二极管正极和负极之间将承受的电压。如果该电压大于零， 则二极管导通; 否则，二极管截止,2. 门电路,解：两个二极管都断开时， 所承受的电压分别为 UD1=6 V-3V=3 V0 UD2=6 V-0 V=6 V0 电路中二极管VD2导通，VD1截止，输出电压Uo=0 V。,第1章 常用半导体器件,二极管限幅电路 (a) 电路; (b) 波形,3. 限幅电路,第1章 常用半导体器件,1.2.5 稳压二极管,第1章 常用半导体器件,(1) 稳定电压VZ,(2) 动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ =VZ /IZ,(3)最