图文并茂让你了解半导体.

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1、 半导体器件 基本知识 1 1 半导体的基本知识 1.1 导体、半导体和绝缘体 自然界中很容易导电的物质称为导体，金 属一般都是导体。 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体 之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些 硫化物、氧化物等。 2 半导体的导电机理不同于其它物质，所 以它具有不同于其它物质的特点。比如： 当受外界热和光的作用时，它的导 电能力明显变化。 -（热敏特性、光敏特性） 纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 导电能力明显改变。 -(掺杂特性) 3 1.2 本征半导体 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和 锗，它们的最外

2、层电子（价电子）都是四个 。 Ge Si 4 通过一定的工艺过程， 可以将半导体制成晶体。 完全纯净的、结构完整的半 导体晶体，称为本征半导体。 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶 体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四 个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相 临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。 5 硅和锗的晶体结构 共价键 6 硅和锗的共价键结构 共价键-共 用电子对 +4+4 +4+4 +4表示除 去价电子 后的原子 形成共价键后，每个原子的最外层电子是八 个，构成稳定结构。 7 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键 中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱 离共价键成为自

3、由电子，因此本征半导体中 的自由电子很少，所以本征半导体的导电能 力很弱。 共价键有很强的结 合力，使原子规则排 列，形成晶体。 +4+4 +4 +4 8 本征半导体的导电机理 在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时, 价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中 没有可以运动的带电粒子（即载流子），它 的导电能力为0，相当于绝缘体。 在常温下，由于热激发，使一些价电子 获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成 为自由电子，同时共价键上留下一个空位 ，称为空穴。 9 +4+4 +4+4 本征半导体的导电机理 自由电子 空穴 束缚电子 10 本征半导体的导电机理 +4+4 +4+4 在其它力的作用下， 空

4、穴吸引临近的电子 来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此 可以认为: 空穴是载流子。 11 本征半导体的导电机理 本征半导体中存在数量相等的两种载流 子，即自由电子和空穴。 温度越高，载流子的浓度越高。因此本 征半导体的导电能力越强，温度是影响半导 体性能的一个重要的外部因素，这是半导体 的一大特点。 本征半导体的导电能力取决于载流子的 浓度。 12 1.3 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质， 就会使半导体的导电性能发生显著变化。 其原因是掺杂半导体的某种载流子的浓 度大大增加。 自由电子浓度大大增加的杂质半导体称 为N型半导体（电子型半导体

5、）， 空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型 半导体（空穴型半导体）。 13 N型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑） ，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原 子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导 体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子 几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这 样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷 原子给出一个电子，称为施主原子。 14 +4+4 +5+4 N型半导体 多余电子 磷原子 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑） ，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代。每个 磷原子给出一个电子，为施主原子。 15 N型半导体 N型半

6、导体中的载流子是什么？ 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同 。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。 3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以 ，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多 数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子） 。 16 P型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如 硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与 相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空 穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得 硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼 原子接受电子，所以称为受主原子。 17 +4+4 +3+4 空穴 P型半导体

7、 硼原子 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如 硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代，称为受主原子。 18 总 结 1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提 供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少 数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能 形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要 是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。 2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。 19 杂质半导体的示意表示法 P型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N型半导体 20 2 PN结及半导体二极管 2.1 PN 结的形成 在

8、同一片半导体基片上，分别制造P型 半导体和N型半导体，经过载流子的扩散 ，在它们的交界面处就形成了PN结。 21 P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E 漂移运动 空间电荷区 PN结处载流子的运动 22 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。 漂移运动 P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E PN结处载流子的运动 内电场越强，就使漂 移运动越强，而漂移 使空间电荷区变薄。 23 漂

9、移运动 P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E PN结处载流子的运动 所以扩散和漂 移这一对相反 的运动最终达 到平衡，相当 于两个区之间 没有电荷运动 ，空间电荷区 的厚度固定不 变。 24 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 空间 电荷 区 N型区P型区 电位V V0 25 1、空间电荷区中没有载流子。 2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、 N中的电子（都是多子）向对方运动 （扩散运动）。 3、P中的电子和N中的空穴（都是少子）

10、，数量有限，因此由它们形成的电流 很小。 请注意 26 2.2 PN结的单向导电性 PN结加上正向电压、正向偏置的意 思是： P区加正、N区加负电压。 PN结加上反向电压、反向偏置的意 思是： P区加负、N区加正电压。 27 PN结正向偏置 + + + + 内电场 外电场 变薄 PN + _ 内电场被削弱， 多子的扩散加强 能够形成较大的 扩散电流。 28 PN结反向偏置 + + + + 内电场 外电场 变厚 NP + _ 内电场被被加强 ，多子的扩散受 抑制。少子漂移 加强，但少子数 量有限，只能形 成较小的反向电 流。 29 2.3 半导体二极管 (1)、基本结构 PN结加上管壳和引线，就

11、成为半导体二极管。 引线 外壳线 触丝线 基片 点接触型 30 PN结 面接触型 P N 31 (2)、伏安特性 U I 死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V 。 导通压降: 硅 管0.60.7V,锗 管0.20.3V。 反向击穿电 压U(BR) 32 (3)、主要参数 （1）最大整流电流 IOM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正 向平均电流。 （2）反向击穿电压VBR 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流 剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而 烧坏。手册上给出的最高反向工作电压VWRM一般 是VBR的一半。 33 （3）反向电流 IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电

12、流 。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此 反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温 度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗 管的反向电流要大几十到几百倍。 以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单向导电性包括整流、限幅、保护等 。下面介绍两个交流参数。 34 （4）微变电阻 rD iD vD ID VD Q iD vD rD是二极管特性曲线工 作点Q附近电压的变化 与电流的变化之比： 显然，rD是对Q附近的 微小变化量的电阻。 35 （5）二极管的极间电容 二极管的两极之间有电容，此电容由两 部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。 势垒区是积累空间电荷的区域，当电压

13、 变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷 的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。 36 为了形成正向电流（扩散电流），注入 P区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近 PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同 理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积 累的电荷多。 P+-N 这样所产生的电容就是扩散电容CD。 37 CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而 反向偏置时，载流子很少，扩散电容可忽略 。 PN结高频小信号时的等效电路： 势垒电容和扩散电 容的综合效应 rd 38 例：二极管的应用 ： RRL uiuR uo t t t ui uR uo 39 3 特殊二极管 3.1 稳压二极管 U I U

14、Z IZ IZmaxUZ IZ 稳压误差 曲线越 陡，电 压越稳 定。 + - 40 稳压二极管的参数 （1）稳定电压 UZ （2）电压温度系数U（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。 （3）动态电阻 41 （4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、 Izmian。 （5）最大允许功耗 42 3.2 光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升。 I V 照度增加 43 3.3 发光二极管 有正向电流流 过时，发出一定 波长范围的光， 目前的发光管可 以发出从红外到 可见波段的光， 它的电特性与一 般二极管类似。 44 4 半导体三极管 4.1 基本结构 B E C N N P 基极

15、发射极 集电极 NPN型 P N P 集电极 基极 发射极 B C E PNP型 45 B E C N N P 基极 发射极 集电极 基区：较薄 ，掺杂浓度 低 集电区： 面积较大 发射区：掺 杂浓度较高 结构特点： 46 B E C N N P 基极 发射极 集电极 发射结 集电结 47 4.2 电流放大原理 B E C N N P EB RB Ec 发射结正 偏，发射 区电子不 断向基区 扩散，形 成发射极 电流IE。 IE 基区空 穴向发 射区的 扩散可 忽略。 IBE 1 进入P区的电子 少部分与基区的 空穴复合，形成 电流IBE ，多数 扩散到集电结。 48 B E C N N P EB RB Ec IE 集电结反偏， 有少子形成的 反向电流ICBO 。 ICBO 从基区扩散 来的电子作 为集电结的 少子，漂移 进入集电结 而被收集， 形成ICE。 IC=ICE+ICBOICE IB