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1、1/103问题：1.常用电子器件有哪些？2. 这些器件有什么特点？主讲:章春娥第2章 半导体器件基础2/103第2章 半导体器件基础2.1 半导体基础知识 2.2 PN结 2.3 半导体二极管 2.4 双极型晶体管（三极管） 2.5 场效应晶体管3/1032.1 2.1 半导体基础知识半导体基础知识一、半导体的特性二、本征半导体三、杂质半导体4/103 一、半导体特性一、半导体特性 何谓半导体？物体分类导体 导电率为105s.cm-1，量级，如金属绝缘体 导电率为10-22-10-14 s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。 导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。半导体 半导
2、体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性半导体器件温度增加使导电率大为增加温度特性热敏器件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照特性光敏器件 光电器件5/103二、本征半导体及半导体的能带二、本征半导体及半导体的能带本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体 。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体+4晶体特征在晶体中，质点的排列有一定的规律。硅（锗）的原子 结构简化模型价电子正离子注意：为了方便， 原子结构常用二维 结构描述，实际上 是三维结构。6/103锗晶体的共价键结构示意图 半导体能带结构示意图价带中留下的空位称为空穴
3、导带自由电子定向移动 形成电子流 本征半导体的原子结构和共价键结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子 称为束缚电子价带禁带EG外电场E束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流12二、本征半导体及半导体的能带（续）二、本征半导体及半导体的能带（续）挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子7/1031. 本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴 它们是成对出现的2. 在外电场的作用下，产生电流 电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动空穴流价电子递补空穴形成的与外电场方向相同始终在价带内运动二、本征半导体及半导体的能带（续）二、本征半导体及半导体
4、的能带（续）3. 本征半导体在热力学温度和没有外界能量激发下，不导电。8/103 本征半导体的载流子的浓度 电子浓度ni :表示单位体积的自由电子数空穴浓度pi :表示单位体积的空穴数。A0与材料有关的常数EG禁带宽度T绝对温度K玻尔曼常数结论1. 本征半导体中 电子浓度ni = 空穴浓度pi 2. 载流子的浓度与T、EG有关 二、本征半导体及半导体的能带（续）二、本征半导体及半导体的能带（续）9/103 载流子的产生与复合g载流子的产生率即每秒成对产生的电子空穴的浓度。R载流子的复合率即每秒成对复合的电子空穴的浓度。当达到动态平衡时 g=RR = r nipi 其中r复合系数，与材料有关二、
5、本征半导体及半导体的能带（续）二、本征半导体及半导体的能带（续）10/103 三、杂质半导体三、杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高。掺入的三价元素如B（硼）、Al（铝）等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。掺入的五价元素如P（磷） 、砷等，形成N型半导体，也称电子型半导体。11/103 N型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半导体中掺入的五价元素如P。价带导带+施主 能级自由电子是多子空穴是少子杂质原子提供由热激发形成由于五价元素很容易贡献电 子，因此将其称为施主杂质 。施主杂质因提供自由电子 而带正电荷成为正离子。三、杂质半导体（续
6、）三、杂质半导体（续）12/103 P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半导体中掺入的三价元素如B。价带导带-受主 能级自由电子是少子空穴是多子杂质原子提供由热激发形成因留下的空穴很容易俘获 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。三、杂质半导体（续）三、杂质半导体（续）杂质半导体（续）杂质半导体（续） 杂质半导体的载流子浓度因掺杂的浓度很小，可近似认为复合系数R保持不变，在一定温度条件下，空穴与电子浓度的乘积为一常数，即存在如下关系。n p = ni pi= ni2=C在杂质型半导体中，多子浓度比本征半导体的浓度大得多，而少子浓度比本征半导体的浓
7、度小得 多，但两者乘积保持不变，并等于ni2 。N型半导体：施主杂质的浓度NDn 表示总电子的浓度p 表示空穴的浓度n =p+ND ND（施主杂质的浓度p）P型半导体： NA表示受主杂质的浓度 ， n 表示电子的浓度p 表示总空穴的浓度 p= n+ NA NA （受主杂质的浓度n）14/1032.2 PN2.2 PN结结一、一、PNPN结结的形成的形成 二、二、PNPN结的结的接触电位差接触电位差 三、三、PNPN结的结的伏安特性伏安特性 四、四、PNPN结电容结电容 五、五、PNPN结的反向击穿结的反向击穿 六、六、PNPN结的光电效应与电致发光结的光电效应与电致发光15/103 一、一、P
8、NPN结的形成结的形成P区N区扩散运动载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流内电场内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动扩散运动=漂移运动时达到动态平衡3 耗尽层 =PN结16/103内电场阻止多子扩散 因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散, 称扩散运动。 扩散运动产生扩散电流。 漂移运动少子向对方漂移,称漂移运动。 漂移运动产生漂移电流。动态平衡扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。PN 结稳定的空间电荷区，又称高阻区，也称耗尽
9、层 。一、一、PNPN结的形成结的形成（续）（续）17/103内电场U 内电场的建立，使PN结中产生 电位差。从而形成接触电位U 接触电位U决定于材料及掺杂浓度二、二、PNPN结的结的接触电位差接触电位差硅： U=0.60.7 V 锗： U=0.20.3 V18/103 三、三、PNPN结的结的伏安特性伏安特性1. PN结加正向电压时的导电情况外电场方向与PN结内 电场方向相反，削弱了内 电场。于是内电场对多子扩 散运动的阻碍减弱，扩散 电流加大。扩散电流远大于漂移 电流，可忽略漂移电流的 影响。PN结呈现低阻性，处 于导通状态。P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；内4外19/
10、1032. PN结加反向电压时的导电情况外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减 小。少子在内电场的作用下 形成的漂移电流加大。此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩 散电流。PN结呈现高阻性，近似认为截止状态。P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；内5外三、三、PNPN结的结的伏安特性（续伏安特性（续 ）20/103由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。小结：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结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。45三、三、PNPN结的结的伏安特性（续伏安特性（续
11、）问题：有必要 加电阻R吗？21/103式中 Is 饱和电流; UT = kT/q 温度电压当量 k 波尔兹曼常数；q为电子的电量； T=300k（室温）时 UT= 26mvPN结两端的电压与 流过PN结电流的关系式由半导体物理可推出： 当加反向电压时： 当加正向电压时：(UUT)三、三、PNPN结的结的伏安特性（续伏安特性（续 ）3. PN结电流方程22/103当加反向电压时：当加正向电压时：(UUT)三、三、PNPN结的结的伏安特性（续）伏安特性（续）结电流方程 IU23/103 四、四、PNPN结电容结电容势垒电容CB当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压而增 多或减少，与电容的充放
12、电过程相同。耗尽层宽窄变化所 等效的电容为势垒电容。24/103扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。四、四、PNPN结电容结电容（续）（续）注意：势垒电容和扩散电容均是 非线性电容,并同时存在。外加 电压变化缓慢时可以忽略，但 是变化较快时不容忽略。扩散电容CD外加电压不同情况下 ，P、N区少子浓度的分布将发生变化，扩散区内电 荷的积累与释放过程与电 容充放电过程相同，这种 电容等效为扩散电容。25/103 五、
13、五、PNPN结的反向击穿结的反向击穿反向击穿： PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象。雪崩击穿当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在 空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形 成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。齐纳击穿当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电 子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。击穿是可逆。掺杂浓度 小的二极管容易发生。击穿是可逆。掺杂浓度 大的二极管容易发生。不可逆击穿 热击穿。 PN结的电流或电压较大，使PN 结耗散功率超过极限值，使结温 升高，导致PN结过热而烧毁。26/103一、晶体二极管的结构类型 二、晶体二极管的伏安特性 三、
14、晶体二极管的等效电阻 四、光电二极管 五、发光二极管 六、稳压二极管 七、变容二极管 八、二极管的典型应用2.3 2.3 晶体二极管晶体二极管27/103 一、晶体二极管的结构类型在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分点接触型 面接触型 平面型PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路PN结面积大，用 于工频大电流整流电路往往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。28/103伏安特性：是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。 由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线，IU1.当加正向电压时PN结电流方程为：2.当加反向电压时
15、I 随U，呈指数规率I = - Is 基本不变二、晶体二极管的伏安特性29/103 晶体二极管的伏安特性1.正向起始部分存在一 个死区或门坎，称为 门限电压。 硅：Ur=0.5-0.6V; 锗：Ur=0.1-0.2V。2.加反向电压时，反向 电流很小即Is硅(nA)0时u2 0时，二极管瞬间导通，C快速充电， Uc=V1，充电结束，R无电流，输出uo=0.当输入ui0.7V时，二极管导通，导通后，UD=0.7V 锗管：当UD0.3V时，二极管导通，导通后，UD=0.3V 稳压管是一种应用很广的特殊类型的二极管，工作区在 反向击穿区。可以提供一个稳定的电压。使用时注意加限 流电阻。 晶体二极管基
16、本用途是整流稳压和限幅等。 半导体光电器件分光敏器件和发光器件，可实现光电 、电光转换。光电二极管应在反压下工作，而发光二极 管应在正偏电压下工作。小 结52/103重点：晶体二极管的原理、伏安特性及电流方程。难点：1.两种载流子2.PN结的形成3.单向导电性4.载流子的运动重点难点53/103例题： 判断图示电路中的二极管能否导通。解题思路：解题思路：判断二极管在电路中工作状态的方法是先假设 二极管断开，分别计算二极管两极的电压，然后比较阳极 电压与阴极间将承受的电压，如果该电压大于二极管的导 通电压，则说明二极管导通，否则截止。如果判断过程中，电路出现两个以上的二极管承受 大小不等的正向电压，则应判定承受正向电压较大者优先 导通，其两端电压为导通电压，然后在用
