第一章半导体器件基础.ppt

第一章半导体器件基础.ppt

《第一章半导体器件基础.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章半导体器件基础.ppt（66页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第一章第一章半导体器件基础半导体器件基础1.11.1半导体的基本知识半导体的基本知识1.21.2半导体半导体二极管二极管1.31.3半导体半导体三极管三极管1.41.4BJTBJT模型模型1.51.5场效应管场效应管1.11.1半导体的基本知识半导体的基本知识在物理学中。

根据材料的导电能力，可以将他们划分导在物理学中。

根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。

体、绝缘体和半导体。

典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素价元素。

硅原子硅原子锗原子锗原子硅硅和和锗锗最最外外层层轨轨道道上上的的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。

本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本征半导体的导电能力很弱，征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。

接近绝缘体。

一.本征半导体本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体化学成分纯净的半导体晶体。

制制造造半半导导体体器器件件的的半半导导体体材材料料的的纯纯度度要要达达到到99.9999999%，常常称为称为“九个九个9”。

这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。

当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，束束缚缚电电子子能能量量增增高高，有有的的电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，而而参参与与导导电电，成成为为自自由由电子电子。

自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来的共同时，在其原来的共价键中就出现了一个价键中就出现了一个空位，称为空位，称为空穴空穴。

可见本征激发同时产生可见本征激发同时产生电子空穴对。

电子空穴对。

外加能量越高（外加能量越高（温度温度越高），产生的电子空越高），产生的电子空穴对越多。

穴对越多。

动画动画演示演示与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达发和复合同时进行，达到动态平衡。

电子空穴到动态平衡。

电子空穴对的浓度一定。

对的浓度一定。

常温常温300K时：

时：

电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：

硅：

锗：

锗：

自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对自由电子自由电子带负电荷带负电荷电子流电子流动画演示动画演示+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子E总电流总电流载流子载流子空穴空穴带正电荷带正电荷空穴流空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：

本征半导体的导电性取决于外加能量：

温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。

温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。

导电机制导电机制二二.杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为半导体称为杂质半导体杂质半导体。

1.1.N型半导体型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为如磷，砷等，称为N型半导体型半导体。

N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。

空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子多数载流子多数载流子空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2.2.P型半导体型半导体杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子电子电子少少子子空穴空穴P型半导体多多子子空穴空穴少少子子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关内电场E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散空间电荷区空间电荷区阻止多子扩散，促使少子漂移。

阻止多子扩散，促使少子漂移。

PNPN结合结合空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层三三.PN结结及其单向导电性及其单向导电性1.PN结的形成结的形成动画演示少子飘移少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散多子扩散又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，E内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：

动态平衡：

扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流总总电流电流0势势垒垒UO硅硅0.5V锗锗0.1V2.PN结的单向导电性结的单向导电性

（1）加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区外电场的方向与内电场方向相反。

外电场的方向与内电场方向相反。

外电场削弱内电场外电场削弱内电场耗尽层变窄耗尽层变窄扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流IIFF正向电流正向电流

（2）加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区外电场的方向与内电场方向相同。

外电场的方向与内电场方向相同。

外电场加强内电场外电场加强内电场耗尽层变宽耗尽层变宽漂移漂移运动扩散运动扩散运动运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流IIRRPN在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是一定的，故一定的，故IR基本上与外加基本上与外加反压的大小无关反压的大小无关，所以称所以称为为反向饱和电流反向饱和电流。

但。

但IR与温与温度有关。

度有关。

PN结加正向电压时，具有较大的正向结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。

结截止。

由此可以得出结论：

由此可以得出结论：

PN结具有单向导结具有单向导电性。

电性。

动画演示动画演示11动画演示动画演示23.PN结结的伏安特性曲线及表达式的伏安特性曲线及表达式根据理论推导，根据理论推导，PNPN结的伏安特性曲线如图结的伏安特性曲线如图正偏正偏IF（多子扩散）多子扩散）IR（少子漂移）少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿热热击穿击穿烧坏烧坏PN结结电击穿电击穿可逆可逆根据理论分析：

根据理论分析：

u为为PN结两端的电压降结两端的电压降i为为流过流过PN结的电流结的电流IS为反向饱和电流为反向饱和电流UT=kT/q称为温度的电压当量称为温度的电压当量其中其中k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数1.381023q为电子电荷量为电子电荷量1.6109T为热力学温度为热力学温度对于室温（相当对于室温（相当T=300K）则有则有UT=26mV。

当当u0uUT时时当当u|UT|时时4.PN结的电容效应结的电容效应当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。

就像电容充放电一样。

（1）势垒电容势垒电容CB

（2）扩散电容扩散电容CD当外加正向电压当外加正向电压不同时，不同时，PN结两结两侧堆积的少子的侧堆积的少子的数量及浓度梯度数量及浓度梯度也不同，这就相也不同，这就相当电容的充放电当电容的充放电过程过程。

电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来极间极间电容（结电容）电容（结电容）1.21.2半导体二极管半导体二极管二极管二极管=PN结结+管壳管壳+引线引线NP结构结构符号符号阳极阳极+阴极阴极-二极管按结构分三大类：

二极管按结构分三大类：

（1）点接触型二极管点接触型二极管PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。

用于检波和变频等高频电路。

（3）平面型二极管平面型二极管用于集成电路制造工艺中。

用于集成电路制造工艺中。

PN结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。

于高频整流和开关电路中。

（2）面接触型二极管面接触型二极管PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。

于工频大电流整流电路。

半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：

国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：

2AP9用数字代表同类器件的不同规格。

用数字代表同类器件的不同规格。

代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。

为开关管。

代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge，C为为N型型Si，D为为P型型Si。

2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。

代表三极管。

一一、半导体二极管的、半导体二极管的VA特性曲线特性曲线硅：

硅：

0.5V锗：

锗：

0.1V

（1）正向特性正向特性导通压降导通压降反向饱和电流反向饱和电流

（2）反向特性反向特性死区死区电压电压击穿电压击穿电压UBR实验曲线实验曲线uEiVmAuEiVuA锗锗硅：

硅：

0.7V锗：

锗：

0.3V二二.二极管的模型及近似分析计算二极管的模型及近似分析计算例：

例：

IR10VE1kD非线性器件非线性器件iuRLC线性器件线性器件二极管的模型二极管的模型DU串联电压源模型串联电压源模型UD二极管的导通压降。

硅管二极管的导通压降。

硅管0.7V；锗管锗管0.3V。

理想二极管模型理想二极管模型正偏正偏反偏反偏导通导通压降压降二极管的二极管的VA特性特性二极管的近似分析计算二极管的近似分析计算IR10VE1kIR10VE1k例：

例：

串联电压源模型串联电压源模型测量值测量值9.32mA相对误差相对误差理想二极管模型理想二极管模型RI10VE1k相对误差相对误差0.7V例例：

二二极极管管构构成成的的限限幅幅电电路路如如图图所所示示，R1k，UREF=2V，输入信号为输入信号为ui。

（1）若若ui为为4V的的直直流流信信号号，分分别别采采用用理理想想二二极极管管模模型型、理想二极管串联电压源模型计算电流理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压和输出电压uo解解：

（1）采用理想模型分析。

）采用理想模型分析。

采用理想二极管串联电压源模型分析。

采用理想二极管串联电压源模型分析。

（2）如如果果ui为为幅幅度度4V的的交交流流三三角角波波，波波形形如如图图（b）所所示示，分分别别采采用用理理想想二二极极管管模模型型和和理理想想二二极极管管串串联联电电压压源源模模型分析电路并画出相应的输出电压波形。

型分析电路并画出相应的输出电压波形。

解：

解：

采用理想二极管采用理想二极管模型分析。

波形如图所示。

模型分析。

波形如图所示。

0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V采采用用理理想想二二极极管管串串联联电电压压源源模模型型分分析析，波波形形如图所示。

如图所示。

三三.二极管的主要参数二极管的主要参数

（1）最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值。

电流的平均值。

（2）反向击穿电压反向击穿电压UBR二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压UBR。

（3）反向电流反向电流IIRR在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。

在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。

硅二极管的反向电流一般在纳安硅二极管的反向电流一般在纳安（nA）级；锗二极级；锗二极管在微安管在