半导体器件基础培训资料1

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1、 第一章 半导体器件基础1.1 半导体的基本知识1.2 半导体二极管1.3 半导体三极管1.4 BJT模型1.5 场效应管1.1 半导体的基本知识在物理学中。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。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。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。一. 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常

2、称为“九个9”。这一现象称为本征激发，也称热激发。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+4+4+4+4+4+4+4+4+4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：电子空穴对的浓度硅：锗：自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对自由电子 带负电荷 电子流+4+4+

3、4+4+4+4+4+4+4自由电子E 总电流载流子空穴 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。导电机制二. 杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。1. N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。 N型半导体多余电子磷原子硅原子多数载流子自由电子 少数载流子 空穴+N型半导体施主离子自由电子电子空穴对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P型半导体受主离子空穴电子空穴对2. P型半导体杂质半导体的示意图+N型半导体多子电子

4、少子空穴P型半导体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内电场E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三. PN结及其单向导电性1 . PN结的形成 动画演示少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，E内电场E多子扩散电流 少子漂移电流耗尽层动态平衡： 扩散电流 漂移电流总电流0势垒 UO硅 0.5V 锗 0.1V2. 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

5、多子扩散形成正向电流I F正向电流(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 RPN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， PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。3. 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

6、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1.2 半导体二极管二极管 = PN结 + 管壳 + 引线NP结构符号 阳极+阴极-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。(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用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，

7、C为N 型Si， D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。一 、半导体二极管的VA特性曲线硅：0.5 V锗： 0.1 V(1) 正向特性导通压降反向饱和电流 (2) 反向特性死区 电压击穿电压UBR实验曲线uEiVmAuEiVuA锗硅：0.7 V 锗：0.3V二. 二极管的模型及近似分析计算例：IR10VE1kD非线性器件iuRLC线性器件二极管的模型DU串联电压源模型U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。理想二极管模型正偏反偏导通压降二极管的VA特性二极管的近似分析计算IR10VE1kIR10VE1k例：串联电压源模型测量值 9.32mA相对误差理想二极管模型 RI 1

8、0VE1k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模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo解：（1）采用理想模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。（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模型和理想二极管串联电压源模 型分析电路并画出相应的输出电压波形。解：采用理想二极管模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V采用理想二极管串联 电压源模型分析，波形 如图所示。三. 二极管的主要参数

9、(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) 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。当稳压二极管工作在 反向击穿状态下,工作 电流IZ在Izmax和Izmin 之间变化时,其两端电 压近似为常数稳定 电压四、稳压二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管正向同 二极管反偏电压UZ反向击穿UZ限流电阻稳压二极管的主要 参数(1) 稳定电压UZ (2) 动态电阻rZ

10、 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ =U /I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。(3) 最小稳定工作 电流IZmin保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。(4) 最大稳定工作电流IZmax超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。1.3 半导体三极管半导体三极管，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。2018/8/12一.BJT的结构NPN型PNP型符号:三极管的结构特点: （1）发射区的掺杂浓度集

11、电区掺杂浓度。 （2）基区要制造得很薄且浓度很低。-NNP 发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极-PPN 发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极二 BJT的内部工作原理（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：+UCEUBEUCB集电结反偏：由VBB保证由VCC、 VBB保证UCB=UCE - UBE 0 共发射极接法c区b区e区2018/8/12（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

12、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。1BJT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。2电流分配关系三个电极上的电流关系:IE =IC+IB定义：(1)IC与I E之间的关系:所以:其值的大小约为0.90.99。 2018/8/12(2)IC与I B之间的关系：联立以下两式：得：所以：得 ：令：三. BJT的特性曲线（共发射极接法）(1) 输入特性曲线 iB=f(uBE) u

13、CE=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。死区电压硅 0.5V锗 0.1V导通压降硅 0.7V锗 0.3V(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uCE再

14、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四. BJT的主要参数1.电流放大系数（2）共基极电流放大系数：iCE=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAIBBBIBiIBI =100uACBI=60uAi一般取20200之间2.31.5（1）共发射极电流放大系数：2.极间反向电流（2

15、）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 。 其大小与温度有关。 （1）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。+ICBOecbICEO3.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。（1）集电极最大允许电流ICM（2）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（3）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。 -(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU半导体三极管的型号第二