第一章 半导体器件.docx

1、第一章 半导体器件第一章 半导体器件1 半导体基础知识物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电性能取决于原子结构。导体一般为低价元素，绝缘体一般为高价元素和高分子物质，半导体一般为外层电子为4。半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，所以称为半导体。一、本征半导体本征半导体：纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。本征半导体的物质结构：常用的半导体材料是硅和锗，它们都是四价元素，在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。在晶体中，每个原子都和周围的4个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来。自由电子与空穴：共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量，其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子，

2、同时必然在共价键中留下空位，称为空穴。空穴带正电。半导体的导电性：在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；另一方面，价电子也按一定方向依次填补空穴，即空穴产生了定向移动，形成所谓空穴电流。载流子：由此可见，半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的穴。本征半导体中自由电子与空穴是同时成对产生的，因此，它们的浓度是相等的。我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度，即ni=pi，下标i表示为本征半导体。载流子的浓度：价电子在热运动中获得能量摆脱共价键的束缚，产生电子空穴对。同时自由电子在运动过程中失去能量，与空穴相遇，使电子空穴对消失，这种现象称为复合。在一定的温度下，载流子的产

3、生与复合过程是相对平衡的，即载流的浓度是一定的。本征半导体中的载流子浓度，除了与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度有关，而且随着温度的升高，基本上按指数规律增加。所以半导体载流子的浓度对温度十分敏感。半导体的导电性能与载流子的浓度有关，但因本征载流子在常温下的浓度很低，所以它们的导电能力很差。二、杂质半导体本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征载流子的浓度很低，所以它们的导电能力很差。当我们人为地、有控制地掺入少量的特定杂质时，其导电性将产生质的变化。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。1N型半导体在本征半导体中掺入微量5价元素，如磷、锑、砷等，则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。

4、由于杂质原子的最外层有5个价电子，因此它与周围4个硅(锗)原子组成共价键时，还多余1个价电子。它不受共价键的束缚，而只受自身原子核的束缚，因此，它只要得到较少的能量就能成为自由电子，并留下带正电的杂质离子，它不能参与导电。由于杂质原子可以提供自由电子，故称为施主原子(杂质) 这种杂质半导体中电子浓度比同一温度下的本征半导体中的电子浓度大好多倍，这就大大加强了半导体的导电能力，我们把这种掺杂的半导体称为N型半导体。在N型半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度，即nnpn(下标n表示是N型半导体)，主要靠电子导电，所以称自由电子为多数载流子(多子)；空穴为少数载流子(少子)。Negative n.否定

5、，负数；adj.否定的，消极的，负的, 阴性的；vt.否定, 拒绝(接受)2P型半导体在本征半导体中，掺入微量3价元素，如硼、镓、铟等，则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质代替。杂质原子的三个价电子与周围的硅原子形成共价键时，出现一个空穴，在室温下这些空穴能吸引邻近的价电子来填充，使杂质原子变成带负电荷的离子。这种杂质因能够吸收电子被称为受主原子(杂质)，这种杂质半导体中空穴是多数载流子，而自由电子是少数载流子。被称为P型半导体。Positive adj.肯定的, 实际的, 积极的, 绝对的, 确实的；数正的；电阳的；语法 原级的3杂质半导体的导电性能在杂质半导体中，多子是由杂质原子提供的，而

6、本征激发产生的少子浓度则因与多子复合机会增多而大为减少。可以证明，在半导体中两种载流子的浓度的乘积是恒定值，与掺杂程度无关，即由上式可知，杂质半导体中多子越多，则少子越少。例：在T300K时硅原子的浓度为：5.11022cm-3此时本征激发产生的电子浓度为：ni=1.431010cm-3掺入十亿分之一的施主杂质（五价元素）则杂质原子的浓度为：ND=5102210-9=51013cm-3这些杂质原子提供的电子浓度为：ND可见这个数目远大于ni所以自由电子的浓度基本上等于杂质的n=ND=51013cm-3而空穴的浓度为：p=ni2/n=ni2/ND=(1.431010)2/(51013)=4.11

7、06cm-3这个例子说明，微量的掺杂可以使半导体的导电能力大加强。另外，杂质半导体中少子虽然浓度很低，但它对温度非常敏感，将影响半导体器件的性能。至于多子，因其浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以受温度影响不大。2 PN结在一块本征半导体上，用工艺的方法使其一边形成N型半导体，加一边形成P型半导体，则在两种半导体的交界处形成了PN结。PN结是构成其它半导体的器件的基础。一、异型半导体的接触现象1扩散：由于浓度不同产生的运动；由于扩散产生空间电荷区，也产生电场(自建电场)。2漂移：在自建电场的作用下，截流子也在电场力的作用下运动，称为漂移。3动态平衡：扩散运动和漂移运动的作相等4耗尽层：阻挡层；空

8、间电荷区二、PN结的单向导电特性在PN结外加不同方向的电压，就可以破坏原来的平衡，从而呈现出单向导电特性。1PN结外加正向电压若将电源的正极接P区，负极接N区，则称此为正向接法或正向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建电场方向相反，削弱了自建电场，使阻挡层变窄。扩散作用大于漂移作用，在电源的作用下，多数载流子向对方区域扩散形成电流，其方向由电源正极通过P区、N区到达电源负极。此时，PN结处于导通状态，它所呈现出的电阻为正向电阻，其阻值很小，正向电压愈大，正向电流愈大。其关系是指数关系ID 通过PN结的电流U PN结两端的电压 称为温度电压当量。K为玻耳兹曼常数；T为绝对温度；q为电子电

9、量，在室温下即T300K时，UT26mV；IS为反向饱和电流。2PN结外加反向电压若将电源的正极接N区，负极接P区，则称此为反向接法或反向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建电场方向相同，增强了自建电场，使阻挡层变宽。此时漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场作用下作漂移运动，由于电流方向与加正向电压时相反，故称为反向电流。由于反向电流是由少数载流子所形成的，故反向电流很小，而且当外加超过零点几伏时，少数载流子基本全被电场拉过去形成漂移电流，此时反向电压再增加，载流子数也不会增加，因此反向电流也不会增加，故称为反向饱和电流，即IDIS由于反向电流很小，此时，PN结处于截止状态，呈现出的

10、电阻称为反向电阻，其阻值很大，高达几百千欧以上。可见，PN结加正向电压，处于导通状态；加反向电压，处于截止状态，即PN结具有单向导电特性。PN结的电压与电流的关系此方程称为PN结的伏安特性方程用曲线示此方程，称为伏安特性曲线。三、PN结的击穿PN结处于反向偏置时，在一定电压范围内，流过PN结的电流是很小的反向饱和电流。但是当反向电压超过某一数值(UB)后，反向电流急剧增加，这种现象称为反向击穿，UB称为击穿电压。PN结的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。1雪崩击穿当反向电压足够高时，阻挡层内电场很强，少数载流子在结区内受强烈电场的加速作用，获得很大的能量，在运动中与其它原子发生碰撞时，有可能将价电子

11、打出共价键，形成新的电子、空穴对。这些新的载流子与原先的载流一道，在强电场作用下碰撞其它原子打出更多的电子、空穴对，如此链锁反应，使反向电流迅速增大，这种击穿称为雪崩击穿。2齐纳击穿所谓齐纳击穿，是指当PN结两边掺入高浓度杂质时，其阻挡层宽度很小，即使外加反向电压不太高（一般为几伏），在PN结内就可形成很强的电场（可达到2106V/cm），将共价键的价电子直接拉出来。产生电子空穴对，使反向电流急剧增加，出现击穿（齐纳击穿）现象。对硅材料的PN结，击穿电压UB大于7伏时通常是雪崩击穿，小于4伏时通常是齐纳击穿；UB在4伏和7伏之间时两种击穿均有。由于击穿破坏了PN结的单向导电性，因此一般使用时应

12、避免出现击穿现象。需要指出的是，发生击穿并不意味着PN结被损坏。当PN结反向击穿时，只要注意控制反向电流的数值（一般通过串接电阻R实现），不使其过大，以免因过热而烧坏PN结，当反向电压降低时，PN结的性能就可以恢复正常。稳压二极管正是利用了PN结的反向击穿特性来实现的，当流过PN结的电流变化时，结电压UB保持基本不变。四、PN结的电容效应复习：电容的定义 或 1势垒电容CT势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的，均具有一定的电荷量，所以在PN结储存了一定的电荷。当外加电压使阻挡层变宽时，电荷量增加，反之，外加电压使阻挡层变窄时，电荷量减少。即阻挡层中的

13、电荷量随外加电压变化而改变，形成了电容效应，称为势垒电容，用CT表示。由于W随电压而变化，不是一个常数，因而势垒电容CT不是一个常数。随电压变化而变化。一般CT为几pF200pF，我们可以利用此电容效应做成变容二极管，作为压控可变电容器。2扩散电容CD多子在扩散过程中越过PN结成为另一方的少子，这种少子的积累也会形成电容效应。当PN结处于平衡状态（即无外加电压）时的少子称为平衡少子。可以认为在耗尽层以外的区域内平衡少子的浓度各处是一样的，当PN结处于正向偏置时，N区的电子扩散到P区后成为非平衡少子，由于浓度差它还要继续扩散，距离交界处越远，非平衡少子的浓度越低。经过一段区域，非平衡少子几乎全部

14、消失，少子的浓度降为平衡时在P区的电子浓度。这样在扩散区内就积累了一定数量的非平衡少子，其电量为图中曲线下的面积。当正向电压增加时，扩散到P区的电子浓度增加，电子的分布曲线变陡（扩散电流与浓度成正比）扩散区内积累的电荷量增加，增加量为两条曲线间的面积。N区内的空穴也有同样的规律。外加电压改变时引起扩散区内积累的电荷量变化就形成了电容效应，其所对应的电容称为扩散电容，用CD表示。也可见扩散电容正比于正向电流。PN结的电容包括两部分CjCT+CD一般来说，PN结正偏时，扩散电容起主要作用，CjCD；当PN结反偏时，势垒电容起主要作用，CjCT。五、半导体二极管半导体二极管是由PN结加上引线和管壳构

15、成。1二极管的种类按材料分：硅二极管和锗二极管按结构分：点接触二极管它的特点是结面积小，因而结电容小，适用于高频下工作。主要应用于小电流的整流和检波、混频等。面接触二极管它的特点是结面积大，因而能通过较大的电流，但结电容也大，只能工作在较低频率下，可用于整流。阴极引线硅平面型二极管结面积大的，可通过较大的电流，适用于大功率整流；结面积小的，结电容小，适用于在脉冲数字电路中作开关管。二极管的符号如右图所示。2二极管的特性二极管本质是就是一个PN结，但是对于真实的二极管器件，考虑到引线电阻和半导体的体电阻及表面漏电等因素的影响。二极管的特性与PN结略有差别。实测特性曲线如书上所示。正向特性正向电压

16、低于某一数值时，正向电流很小，只有当正向电压高于某一值后，才有明显的正向电流。该电压称为导通电压，又称为门限电压或死区电压，用Uon表示。在室温下，硅管的Uon约为0.60.8V，锗管的Uon约为0.10.3V。通常认为，当正向电压UUon时，二极管导通。反向特性二极管加反向电压，反向电流数值很小，且基本不变，称为反向饱和电流。硅管的反向饱和电流为纳安(nA)数量级，锗管为微安数量级。当反电压加到一定值时，反向电流急剧增加，产生击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管可达几千伏）。温度特性二极的特性对温度很敏感，温度升高，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。其规律是：在室温附

17、近，在同一电流下，温度每升高1，正向电压减小22.5mV；温度每升高10，反向电流增大约1倍。3二极管的主要参数描述器件的物理量，称为器件的参数。它是器件特性的定量描述，也是选择器件的依据。各种器的的参数可由手册查得。二极管的主要参数有：最大整流电流IF。它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于IF，如超过IF，二极管将过热而烧毁。此值取决于PN结的面积、材料和散热情况。最大反向工作电压UR这是二极管允许的最大工作电压，当反向电压超过此值时，二极管可能被击穿。为了留有余地，通常取击穿电压的一半作为UR。反向电流IR指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小，二极管的单向导电

18、性越好，由于反向电流是由少数载流子形成，所以IR值受温度的影响很大。最高工作频率fM。fM的值主要取决于PN结结电容的大小，结电容越大，则二极管允许的最高频率越低。二极管的直流电阻RD。加到二极管两端的直流电压与流过二极管的电流之比，称为二极管的直流电阻RD，即此值可由二极管特性曲线求出，如课本图114所示。工作点电压为UF1.5V，电流IF50MA，则且由图上可看出，RD随工作电流加大而减小，故RD呈非线性。用万用表测量出的电阻值为RD，用不同档测量出的RD值显然是不同的。二极管加正、反向电压所呈现的电流也不同。加正向电压时，RD为几十至几百欧，加反向电压时RD为几百千欧至几兆欧。一般正反向

19、电阻值相差越大，二极管的性能越好。二极管的交流电阻rd在二极管工作点附近，电压的微变值与相应的微变电流值之比，称为该点的交流电阻rd，即从其几何意义上讲，当时，rd就是工作点Q处的切线斜率倒数(斜率为dI/dU即曲线在Q点的导数)。显然，rd也是非线的，即工作电流越大，rd越小，交流电阻rd也可以从特性曲线上求出，如课本上图，过Q点作切线，在切线上任取两点A、B，查出这两点间的U和I，则得交流电阻rd也可以利用PN结的电流方程求出，取I的微分可得式中，IDQ为二极管工作点的电流，单位取mA，上面的近似式在室温条件下成立。可见，对于同一工作点，直流电阻RD大于交流电阻rd，对不同工作点，工作点愈

20、高，RD和rd愈小。几种二极管的典型参数见课本表11。六、稳压二极管1稳压二极管的原理稳压二极管的工作原理是利用PN结的击穿特性。由二极管的特性曲线可知，如果二极管工作在反向击穿区，则当反向电流在较大范围内变化I时，管子两端电压相应的变化U却很小，这说明它具有很好的稳压特性。在电路中的符号为2用稳压二极管组成稳压电路稳压管组成的简单的稳压电路如下图所示电路原理强调几个问题稳压二极管正常工作是在反向击穿状态，即外加电源正极接稳压二极管的N区(负极)，电源负极接稳压二极管的P区(正极)。稳压管应与负载并联。必须限制流过稳压管的电流Iz，使其不超过规定值。还应保证流过稳压管的电流Iz大于某一数值(稳

21、定电流)，以确保稳压管有良好的稳压特性。使用稳压管时限流电阻不可少，它保证项内容。选好限流电阻是保证稳压电路正常工作的前题。3稳压二极管的主要参数稳定电压Uz稳定电压是稳压管工作在反向击穿时的稳定工作电压。由于稳定电压随工作电流的不同而略有变化，因而测试Uz时应使稳压管的电流为规定值。稳定电压Uz是根据要求挑选稳压管的主要依据之一。不同型号的稳压管，其稳定电压值不同。同一型号的管子，由于制造工艺的分散性，各个管子的Uz值也有小的差别。例如：2DW7C Uz=6.16.5V 指的是可能有的管的Uz是6.1V，有的可能是6.5V。稳定电流Iz稳定电流是指使稳压管正常工作时的最小电流，低于此值时稳压

22、效果较差。工作时应使流过稳压管的电流大于此值。一般情况是，工作电流较大时，稳压性能较好，但电流要受管子的功耗限制，即Izmax=Pz/Uz。有时有给出最大稳定电流。电压温度系数指稳压管温度变化1时，所引起的稳定电压变化的百分比。一般情况下，稳定电压大于7V的稳压管，为正值。而稳定小于4V的稳压管，为负值。稳定电压在47V间的稳压管，其较小，即稳定电压值受温度影响较小，性能比较稳定。动态电阻rzrz=U/I rz越小，则稳压性能越好。额定功耗PzPz=UI七、二极管的应用二极管的运用基础，就是二极管的单向导电特性，因此，在应用电路中，关键是判断二极管的导通或截止。二极管导通时一般用电压源UD=0

23、.7V(硅管，如是锗管用0.3V)代替，或近似用短路线代替。截止时，一般将二极管断开，即认为二极管反向电阻为无穷大。1整流电路在第十章讨论。2限幅电路什么是限幅电路(限幅电路的功能)当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压随输入电压相应变化；当输入电压超出该范围时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。限幅电平和上下限幅限幅电平：通常将输出电压开始不变的电压值称为限幅电平。上 限 幅：当输入电压高于限幅电平时，输出电压保持不变的限幅称为上限幅。下限幅：当输入电压低于限幅电平时，输出电压保持不变的限幅称为下限幅。限幅电路并联二极管上限幅电路E=0V，限幅电平为0V，ui0V时二极管导通，uo=0V

24、；ui0V，二极管截止，uo=ui0EE，二极管导通，uo=E；uiE，二极管截止，uo=uiUmEE，二极管导通，uo=E；uiICBO，可将ICBO忽略，由上式可以得出：5. 共发射极直流电流放大系数如将基极作为输入，集电极作为输出，我们希望知道IC与IB的关系，推导如下：三极管的三个极的电流关系满足节点定律，即IEICIBIC(IC+IB)+ICBO令：则有： 则称为穿透电流，即当时一般三极管的约为几十几百。太小，管子的放大能力就差，过大，则管子不够稳定。6. 实测晶体管的电流关系表从实测数据，我们可以看出ICIE7. 交流电流的放大系数从上面的实测数据，我们还可以看出，当三极管的基极电流IB有一个微小的变化时，例如由0.02mA变为0.04mA(IB=0.02mA)，相应的集电极电流产生了较大的变化，由1.14mA变为2.33mA(IC=1.19mA)，这就说明了三极管的电流放大作用。我们定义这两个变化电流之比为共发射极交流电流放大系数。四、三极管的特性曲线三极管外部各极电压电流的相互关