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1、第2章 半导体器件基础,一 半导体基础知识,二 PN结与半导体二极管,三 半导体三极管,四 场效应管,1 半导体及其特点,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。 半导体的特性：热敏性、光敏性 、杂敏性。 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,一 半导体基础知识,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,2 本征半导体,本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。,这一现象称为本征激发，也
2、称热激发。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子,空穴,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。,可见本征激发同时产生电子空穴对。 外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象复合,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,常温300K时：,电子空穴对,自由电子 带负电荷 电子流,总电流,空穴 带正电荷 空穴流,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。,导电机制,3 N型半导体,多余电子,磷原子
3、,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,4 P型半导体,杂质半导体的示意图,多子电子,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度与温度有关,多子浓度与温度无关,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,1 . PN结的形成,二 PN结与半导体二极管,动态平衡：,扩散电流 漂移电流,总电流
4、0,2 PN结的单向导电性,(1) 加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,(2) 加反向电压电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，
5、PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,PN结的伏安特性曲线及表达式,根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图,正偏,IF（多子扩散）,IR（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿烧坏PN结,电击穿可逆,3 PN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地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,(1) 结电容,(2) 扩散电容,当外加正向电压 不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,极间电容（结电容）,4 半导体二极管的基本结构,二极管
6、= PN结 + 管壳 + 引线,结构,符号,二极管按结构分三大类：,(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路。,二极管按结构材料分两种：硅二极管 锗二极管,(3) 平面型二极管,用于集成电路制造工艺中。 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。,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：,2AP9,5 二极管的VA特性,硅：0.5 V 锗： 0.1 V,(1) 正向特性,导通压降,(2) 反向特性,死区 电压,实验曲线,硅：0.7 V 锗：0.3V,6 二极管的主要参
7、数,(1) 最大整流电流IF,二极管长期连续工 作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。,(2) 反向击穿电压UBR,二极管反向电流 急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿 电压UBR。,(3) 最大反向电流IR-,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(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,(4) 最高工作频率-,当二极管的工作频率超过这个数值就失去单向导电性。,7 二极管的等效电路及应用,考虑正向压降的等效电路,U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。,理想二极管等效电路,正偏,反偏,二极管的近似分析计算,例：,考虑正向压降的等效电
8、路,测量值 9.32mA,相对误差,理想二极管等效电路,相对误差,0.7V,例：二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为ui。 (1)若 ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管等效电路、考虑正向压降的等效电路计算电流I和输出电压uo,解：采用理想二极管等效电路分析,考虑正向压降的等效电路分析,（2）如果ui为幅度4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管等效电路、考虑正向压降的等效电路分析电路并画出相应的输出电压波形。,解：采用理想二极管等效电路分析。波形如图所示。,采用考虑正向压降的等效电路分析，波形如图所示。,稳压二极管 变容二极管 发光二极管 光电
9、二极管 肖特基二极管 光电池,8 特种 二极管,光电池做成的便携式冰箱,半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor,简称BJT）。 BJT是由两个PN结组成的。,三 半导体三极管,1 半导体三极管的基本结构,NPN型,PNP型,符号:,三极管的结构特点: （1）基区要制造得很薄且浓度很低。 （2）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。 （3）集电区面积大，以利于收集载流子,2 三极管的电流放大原理（NPN管）,三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。,若在放大工作状态： 发射结正偏：,
10、+ UCE , UBE , UCB ,集电结反偏：,由VBB保证,由VCC、 VBB保证,UCB=UCE - UBE, 0,（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子 ，形成了扩散电流IEN 。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。 所以发射极电流I E I EN 。,（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流I B I BN 。大部分到达了集电区的边缘。,BJT内部的载流子传输过程,（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN 。,另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。,
11、3 三极管的特性曲线,(1) 输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const,（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。,（3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显。,（2）当uCE=1V时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少， 在同一uBE 电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。,(2)输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const,现以iB=60uA一条加以说明。,（1）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。,（2） uCE Ic 。,（3） 当uCE 1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以
12、uCE再增加，iC基本保持不变。,同理，可作出iB=其他值的曲线。,输出特性曲线可以分为三个区域:,饱和区iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE0.7 V。 此时发射结正偏，集电结也正偏。,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区 曲线基本平行等 距。 此时，发 射结正偏，集电 结反偏。 该区中有：,饱和区,放大区,截止区,4 三极管的主要参数,（1）电流放大系数,(V),一般取20200之间,共发射极电流放大系数：,静态,动态,（2）极间反向电流,（b）集电极发射极间的穿透电流ICEO 基极开路时，集电极到发射极间的电流穿透电流 。 其大
13、小与温度有关。,（a）集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。 锗管：I CBO为微安数量级， 硅管：I CBO为纳安数量级。,（3）极限参数,Ic增加时， 要下降。当值下降到线性放大区值的70时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。,（a）集电极最大允许电流ICM,（b）集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PC= ICUCE,PCM, PCM,（c）反向击穿电压,BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：, U（BR）EBO集电极开路时，发射极与基
14、极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏十几伏。 U（BR）CBO发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏几百伏。, U（BR）CEO基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。,在实际使用时，还有 U（BR）CER、U（BR）CES 等击穿电压。,5 三极管的等效电路及应用,UD=0.7V,UCES=0.3V,iB0 iC0,半导体三极管的型号,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,3DG110B,肖特基三极管
15、,6 特种三极管,光电三极管,光电耦合器,BJT是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。,场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一种电压控制器件(uGS iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。,四 场效应管,绝缘栅场效应三极管,绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，简称MOSFET。分为： 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,1.N沟道增强型M
16、OS管 （1）结构 以掺杂浓度低的P型作为衬底，扩散两个高掺杂浓度的N型区，绝缘层上引出源极s和漏极d，绝缘层上积淀薄铝作为栅极g,符号：,当uGS0V时，金属栅极感应到正电荷，P型一侧感应出电子，此少量电子被P型衬底中大量空穴中和，仍无沟道。,（2）工作原理,当uGS=0V时，总有一个PN结反偏，没有导电沟道,再增加uGS ，在P型衬底表面感应出一个由电子组成的N型层，与两个N区之间有良好的接触，形成N型导电沟道。 uGS 越大，沟道电阻越小。,当uDS0V时，管子导通,2 N沟道耗尽型MOSFET,特点： 当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。 当uGS0时，沟道增宽，iD进一步增加。 当uGS0时，沟道变窄，iD减小。,在栅极下方的SiO2层中掺入了大量
