项目一半导体器件基础

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1、半导体的基础知识1. 本征半导体2. 杂质半导体3. PN 结本征半导体 1、本征半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。纯净的不含任何杂质的半导体。如 硅、锗单晶体。自由运动的带电粒子。载流子 共价键 相邻原子共有价电子所形成的束缚。半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电。半导体的原子结构和简化模型元素半导体硅和锗共同的特点：原子最外层的电子（价 电子）数均为4。图1.1.1 硅和锗的原子结构和简化模型空穴自由 电子图 硅单晶共价键结构图 本征激发产生 电子空穴对本征半导体 纯净的不含任何杂质的半导体。如 硅、锗单晶体。共价键 相邻原子共有价电子所形成的束缚。载流子 自由运动的

2、带电粒子。电子空穴对本征激发 产生自由电子 和 空穴对 复合 使自由电子空穴对消失图 本征激发和复合的过程半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电。半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。一定温度下,激发和复合达到动态平衡,载流子的浓度一定结论：1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。2、杂质半导体一、N 型半导体在纯净的硅或锗晶体中掺入少量的在纯净的硅或锗晶体中掺入少量的5 5价元价元 素（如磷）。素（如磷）。+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子N N型半导体的特点：型半导体的特点：两种载流

3、子中自由电子是多子，空穴是少两种载流子中自由电子是多子，空穴是少 子；子；主要靠自由电子导电。主要靠自由电子导电。N型半导体的简化图示多数载流子少数载流子正离子二、 P 型半导体在纯净的硅或锗晶体中掺入少在纯净的硅或锗晶体中掺入少 量的量的3 3价元素（如硼）。价元素（如硼）。 +3+4+4+4+4+4空穴硼原子P P型半导体的特点：型半导体的特点：空穴是多子，自由电子空穴是多子，自由电子 是少子；是少子；主要靠空穴导电。主要靠空穴导电。P 型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子3、PN结一、PN 结的形成多子扩散运动多子扩散运动内电场促进少子漂移运动内电场促进少子漂移运动空间电荷区空间

4、电荷区杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区PNPN结结内电场建立内电场建立内电场阻止多子扩散运动内电场阻止多子扩散运动（一定宽度）一定宽度）动态平衡动态平衡图 PN结的形成 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。1、空间电荷区中没有载流子。注意:2、空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴、N 区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。二、PN 结的单向导电性1. PN1. PN结外加正向电压时处于导通状态结外加正向电压时处于导通状态+REPN内电场 外电场内电场被削弱，多子的 扩散加强，形成较大的 扩散电流。PN结呈现低

5、阻性。+变薄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。2. PN2. PN结外加反向电压时处于截止状态结外加反向电压时处于截止状态+REPN内电场外电场+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 小的反向电流，PN结 呈现高阻性。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。变厚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。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。三、PN 结的伏安特性反向饱和 电流加正向电压时加反向电压时反向击穿OV /

6、VI /mA正向特性电击穿热击穿反向击穿原因： 齐纳击穿： (Zener) 雪崩击穿： PN 结未损坏，断电即恢复。 PN 结烧毁。反向击穿类型：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 反向电场使电子加速，动能增大，撞击 使载流子数突增。PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速 增加，此现象称为PN结的反向击穿。PN结的电容效应1.势垒电容CB2.扩散电容CD(1) 势垒电容CB图9 势垒电容示意图外加电压变化 空间电荷区的厚度改变多子浓度梯度变化(2) 扩散电容CD外加正向电压变化图 10 扩散电容示意图小结1. 本征半导体、N型半导体、P型半导体的特点2. PN结

7、的形成及特性半导体二极管半导体二极管1 半导体二极管的结构和类型2 二极管的伏安特性3 二极管的主要参数4 特殊二极管1 半导体二极管的结构和类型构成：PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型符号：PN实质上就是一个PN结+ +阳极阳极PN- -阴极阴极点接触型正极 引线触丝N 型锗片外壳负极 引线负极引线 面接触型N型锗PN 结正极引线铝合金 小球底座金锑 合金正极 引线负极 引线集成电路中平面型P NP 型支持衬底1.1.1 半导体二极管的结构类型(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

8、路。(a)点接触型 二极管的结构示意图(c)平面型(3) 平面型二极管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。(2) 面接触型二极管PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。(b)面接触型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：二极管实物图2 二极管的伏安 特性UI反向击穿 电压UBR导通压降:硅管0.60.8V,锗管0.10.3V。死区电压 硅管 0.5V,锗管0.1V正向特性反向击穿半导体二极管的伏安特性曲线1、正向特性 （1）0VVthVth死区电压开启电压 （2）VVth2、反向特性（1）VBRV0（2） VVBR VBR反向击穿

9、电压 二极管的伏安特性曲线IS 反向饱和电流， V 为二极管两端的电压降， VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为 电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K ），则有VT=26 mV。半导体二极管的参数(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VBR和最大反向工作电压VRM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VBR。为安全计，在实际 工作时，最大反向工作电压 VRM一般只按反向击穿电压 VBR的一半计算。(3) 反向电流IR(4) 正向压降VF(5) 动态电阻

10、rd在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大 反向工作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。在规定的正向电流下，二极管的正向电压 降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水 平下，约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。 显然， rd与工作电流的大小有关，即rd =VF /IF二极管的主要参数1. IF 最大整流电流(最大正向平均电流)2. URM 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2 3. IR 反向电流(越小,单向导电性越好)4. fM 最高工作频率(超过时,单向导电性变差)影响工作频率的原因 PN

11、结的电容效应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，主要应用于整流、限幅 、保护等等。结论： (1) 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单 向导电性变差。 (2) 结面积小时结电容小，最高工作频率高。二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0 1.2.4 特殊二极管一 . 稳压二极管符号工作条件：反向击穿稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其 次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电 压降的变化，取出误差信号以调

12、节稳压管的工作电流 ，从而起到稳压作用。稳压电路当负载RL不变而输入电压增加时， 当输入电压不变而负载RL减小时， 稳压条件：二 . 光电二极管又称为光敏二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。符号实物照片符号三 . 发光二极管工作条件：正向偏置 一般工作电流几十 mA，导通电压 (1 2) V1.二极管的伏安特性-正向特性、反向特性小结2.二极管的主要参数: IF 、VRM 、IR 、fM 3.特殊二极管及其应用图 1 18 并联二极管上限幅电路 V, 限幅电平为V。u时二极管导通, uoV； uiV, 二极管截止, uou。波形如图-19(a)所示。 如果Um, 则限幅电平为。u, 二极管

13、截止, uou；u, 二极管导通, uo。波形图如图 - ()所示。 如果m, 则限幅电平为-E, 波形图如图 - 19()所示。 图 1 - 19 二极管并联上限幅电路波形关系半导体三极管半导体三极管1 晶体三极管2 晶体三极管的特性曲线3 晶体三极管的主要参数4 特殊的晶体三极管1 晶体三极管一、结构、符号和分类基极发射极NPN型发射结集电结基本结构一符号ECB集电极NNPBECBECNNP基极发射极集电极基区：较薄， 掺杂浓度低发射区：掺杂浓度较高制造工艺上的特点集电区：面积较大 , 掺杂浓度低掺杂浓度低PNP型BECPPN基极发射极集电极ECB符号基本结构二分类：按材料分： 硅管、锗管

14、按功率分： 小功率管 1 W中功率管 0.5 1 W三极管实物图二 . 晶体管的电流放大作用发射结正向偏置发射结正向偏置集电结反向偏置集电结反向偏置三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通 过载流子传输体现出来的。（1）工作在放大状态的外部条件： NPNRCRbVCCVBB+_IBICIEVCC(2)实现电路:共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；三极管的三种组态(3) 满足放大条件的三种电路(4) 三极管内部载流子的传输过程 (以NPN为例 ）1)发射结加正向电压，发射结加正向电压，发射区向基

15、 区注入电子，形成发射极电流IE。3)电子到达基区后，由于集电结集电结 加反向电压，电子漂移运动形成集加反向电压，电子漂移运动形成集 电极电流电极电流 ICN。2)扩散到基区的电子与孔穴的扩散到基区的电子与孔穴的 复合形成基极电流复合形成基极电流 I IBN BN 。基区的空穴来源： 基极电源提供(IB) 集电区少子漂移(ICBO)所以 IBN IB + ICBOIB = IBN ICBO 图 三极管的电流传输关系集电极电流由两部分组成：和, 前者是由发射区发射的电子被集电极收集后形成的, 后者是由集电区和基区的少数载流子漂移运动形成的,称为反向饱和电流。 于是有N (1 - 6)发射极电流也应由两部分组成：和。为发射区发射的电子所形成的电流, 是由基区向发 射区扩散的空穴所形成的电流。因为发射区是重掺杂, 所以忽略不计, 即。又分成两部分, 主要部分是, 极少部分是。基极电流是与之差： (1-7)(1-8)发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极, 形成集电极电流, 即要求。 通常用共