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1、第二章 半导体器件 2.1 半导体的基本知识 2.2 PN 结及半导体二极管 2.3 特殊二极管 2.4 双极型晶体管（半导体三极管） 2.5 场效应晶体管 2.6 集成电路12.1 半导体的基本知识 2.1.1 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。第二章 半导体器件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。（制作特殊
2、 器件）往纯净的半导体中掺入某些杂质 ，会使它的导电能力明显改变。 （有可控性）P3332.1.2 本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗 ，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体 制成晶体。一、本征半导体的结构特点第二章 半导体器件4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。硅和锗的晶体结构第二章 半导体器件5硅和锗的共价键平面结构共价键共用电子对+4+4+
3、4+4+4表示除 去价电子 后的原子共价键 相邻原子共有价电子所形成 的束缚。第二章 半导体器件6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由电子。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。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第二章 半导体器件7二、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, 它的导电能力为0，相当于绝缘体。载流子运动的带电粒子称为1、载流子、自由电子和空穴第二章 半导体器件8+4+4+4+4自
4、由电子空穴束缚电子第二章 半导体器件在常温下，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。空穴。同时共价键上留下一 个空位，称为 它们是不是载流子？ 是！9+4+4+4+4在其它力的作用下 ，空穴吸引临近的 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 。所以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。第二章 半导体器件10、本征半导体的导电机理描述温度越高，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
5、导体的导电能力取决于载流 子的浓度。常温下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。 本征半导体中电流由两部分组成： 自由电子移动产生的电流。 空穴移动产生的电流。温度第二章 半导体器件112.1.3 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 载流子浓度大大增加。 N 型半导体：使自由电子浓度大大增加的 杂质半导体，也称为（电子半导体）。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半 导体,也称为（空穴半导体）。第二章 半导体器件12+4+4+5+4一、N 型半导体多余电子磷原子第二章 半导体器件掺入少量的五价元
6、素磷（或锑），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。也称五价元素磷为 施主原子。13N 型半导体 N 型半导体中的载流子是：1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原 子相同。2、本征半导体中是成对产生电子和空穴。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）。第二章 半导体器件14+4+4+3+4空穴二、P 型半导体硼原子第二章 半导体器件掺入少量的三价元 素，如硼（或铟）， 多产生一个空穴。这 个空穴可能吸引束缚 电子来
7、填补，使得硼 原子成为不能移动的 带负电的离子。15杂质半导体的示意表示法P 型半导体N 型半导体+第二章 半导体器件162.2 PN结及半导体二极管一、PN结的形成在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。第二章 半导体器件2.2.1 PN结17P 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结处载流子的运动第二章 半导体器件18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EPN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。第
8、二章 半导体器件19漂移运动P型半导体N型半导 体+扩散运动内电场EPN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。第二章 半导体器件20PN结的形成：多子扩散扩散 飘移动态平衡稳定的PN结。生成产生使达到形成扩散电流等于飘移电流扩散运动飘移运动重要概念：扩散运动 飘移运动 PN结空间电荷区内电场第二章 半导体器件21 空间电荷区中没有载流子， 所以空间电荷区又称为耗尽层。 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），故空间电荷区又称为 阻挡层。 P 中的电子和N中的
9、空穴（都是少子） ，数量有限，因此由它们形成的电流很 小。在定量计算时往往忽略。请注意第二章 半导体器件221.PN结的单向导电性PN结加上正向电压、正向偏置 的意思都是： P区加正、N区加负电 压。PN结加上反向电压、反向偏置 的意思都是：P区加负、N区加正电 压。二、 PN结的特性第二章 半导体器件23PN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（mA) ，认为PN结导通。注意：串电阻限 流。第二章 半导体器件24PN结反向偏置+内电场 外电场变厚NP+_内电场被加强， 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
10、电流。认为PN结截止 。形成的微小电 流称为反向饱和 电流()。第二章 半导体器件25PN结的导电特性 ：重要概念： PN结的单向导点性由上可知，PN结加正向电压时导通，有较 大的电流（多子形成）；而加反向电压时 截止，仅有反向饱和电流（少子形成）。所以， PN结具有单向导点特性第二章 半导体器件26式中：Is为反向饱和电流；UT 为温度电压当量，当T300K时（绝对温度）,UT26mV（记住）2、PN结的伏安特性UIPN结伏安特性方程： 第二章 半导体器件加正向电压u0,且u UT时，伏安特性呈非线性指数规律 ；加反向电压u0,且u UT时，电流基本与u无关；由此亦可说明PN结具有单向导电
11、性能。电子电量玻尔兹曼 常数27当PN结的反向电压增大到一定值时，反 向电流随电压数值的增加而急剧增大， 称为反向击穿。3、PN结的反向击穿特性PN结的反向击穿有两类：齐纳击穿和雪 崩击穿。无论发生哪种击穿，若对其电 流不加以限制，都可能造成PN结的永久 性损坏。 第二章 半导体器件284. PN 结电容效应 PN 结之间有电容，此电容由两部分组成：势垒 电容CB 和扩散电容CD。第二章 半导体器件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rd29*、PN结温度特性 当温度升高时，PN结的反向电流增大， 正向导通电压减小。这也是半导体器件 热稳定性差的主要原因。第二章 半导
12、体器件UIT2T1T2T1 T2T1301、结构一个PN结加上管壳和引线，就成 为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型2、类型：（一般是锗材料）主要应用在小电 流、高频电路。2.2.2 半导体二极管 一、 基本结构第二章 半导体器件31面接触型 （一般是硅材料） 主要应用在大电流 、低频电路。第二章 半导体器件PN结32平面型结面积小的用作 开关管。结面积大的用作 大功率整流。第二章 半导体器件阳极阴极P型33PN3、符号4、型号字母D表示锗 2AP* 2AK* 硅 2CP* 2CK*第二章 半导体器件341. 2.4二极管的常用电路模型（4）第二章 半导体器件u半导体二极管的型号(补充
13、)u国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：u 2 A P 9u 用数字代表同类型器件的不同型号u 用字母代表器件的类型，P代表普通管u 用字母代表器件的材料，A代表N型Geu B代表P型Ge，C代表N型Si，D代表N型Siu 2代表二极管，3代表三极管1. 2.4二极管的常用电路模型（4）P15表1.235365、二极管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性Uth死区 电压iD = 0Uth = 0.5 V0.1 V(硅管) (锗管)U UthiD 急剧上升0 U Uth UD = (0.6 0.8) V硅管取 0.7 V (0.2 0.4) V锗管取 0.3 V反向特性ISU (BR)
14、反向击穿U(BR) U 0iD = IS U(BR) 反向电流急剧增大 (反向击穿)第二章 半导体器件37反向击穿类型：电击穿 热击穿 反向击穿原因： 齐纳击穿： 反向电场太强，将电子强行拉出共价 键。(击穿电压 6 V，正温度系数)击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。第二章 半导体器件38硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.01 0.020第二章 半导体器件39特性曲线 ：uDiD等效开关模型SS正偏导通，uD = 0；第二章 半导体器件理想模型二极管常用等效模型条件 ： 正偏电路： 符号 ：反偏截止， iD = 0 U(BR) = 40二极管恒压源等效模型第二章 半导体器件uDiDUD(on)uD = UD(on)0.7 V (Si) 0.3 V (Ge)41uDiDUDUI斜率1/ rDrDUD第二章 半导体器件二极管低频小信号模型426、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
