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1、,第一章 半导体器件, 1.1 半导体的基本知识 1.2 PN 结及半导体二极管 1.3 特殊二极管 1.4 半导体三极管 1.5 场效应晶体管,一、导体、半导体和绝缘体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：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。,1.1 半导体的基本知识,1、什么是半导体,半导体之所以能制成半导体器件，并不是因为它的导电性能介于导体和绝缘体之间，而是因为它具有一些独特的导电性能。,(1) 半导体的导电性能与温度有关 T即
2、负温度系数 (2) 半导体的导电性能与光照有关 光照 半导体的导电性能与掺杂有关 掺杂而且搀入不同的杂质，还可以改变其导电类型。,一、导体、半导体和绝缘体,2、半导体的特点,二、本征半导体,1、本征半导体的结构特点,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,（1）硅、锗原子的结构,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,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，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,二、本征半导体,1、本征半导体的结构特点,（1）硅、锗原子的结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子
3、后的原子,（2）硅、锗原子的共价键结构,二、本征半导体,1、本征半导体的结构特点,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，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。,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。,二、本征半导体,1、本征半导体的结构特点,（2）硅、锗原子的共价键结构,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
4、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。,（1）载流子、自由电子和空穴,2、本征半导体的导电机理,二、本征半导体,自由电子,空穴,束缚电子,可以认为空穴是一种带正电荷的粒子。空穴运动的实质是共有电子依次填补空位的运动。,二、本征半导体,2、本征半导体的导电机理,（1）载流子、自由电子和空穴,电子和空穴在外电场的作用下都将作定向运动，这种作定向运动电子和空穴（载流子）参与导电，形成本征半导体中的电流。,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。,（2）导电情况,二、本征半导体,2、本征半导体的导电机理,电子和空穴总是成对出现的-本征
5、激发。电子和空穴也可以复合而消失。 本征半导体在外电场的作用下，形成两种电流-空穴电流和电子电流，外电路的总电流等于两种电流的代数和。 电子-空穴对的数目对温度、光照十分敏感。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,（3）结论,温度越高，载流子的浓度越高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。,二、本征半导体,2、本征半导体的导电机理,三、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。,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）。,N 型半
6、导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,1、N 型半导体,磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻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。,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，,三、杂质半导体,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，,（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
7、子和空穴。,因为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）。,N 型半导体中的载流子包括,三、杂质半导体,1、N 型半导体,多余 电子,磷原子,N型半导体的模型,三、杂质半导体,1、N 型半导体,（1）在本征半导体中掺入三价元素的原子（受主杂质）而形成的半导体。,（2）每一个三价元素的原子提供一个空穴作为载流子。,空穴,硼原子,（3）P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,2、P 型半导体,（4） P型半导体的模型,三、杂质半导体,（1）杂质半导体就整体来说还是呈电中性的。 （2）杂质半导体中的少数载流子虽
8、然浓度不高，但对温度、光照十分敏感。 （3）杂质半导体中的少数载流子浓度比相同温度下的本征半导体中载流子浓度小得多。,3、说明,三、杂质半导体,1、漂移电流载流子在电场作用下有规则的运动-漂移运动形成的电流-漂移电流 2、 扩散电流 载流子由于浓度的不均匀而从浓度大的地方向浓度小的地方扩散所形成的电流。,四、漂移电流与扩散电流,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。,1.2 PN结及半导体二极管,1、PN结的形成,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就
9、使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,一、PN 结的形成,1、PN结的形成,2、说明 （1）空间电荷区（耗尽层、势垒区、高阻区）内几乎没有载流子，其厚度约为0.5。 （2）内电场的大小：对硅半导体：VD0.60.8V，对锗半导体：VD0.20.4V （3）当两边的掺杂浓度相等时，PN结是对称的。当两边的掺杂浓度不等时，PN结不对称。 （4）从宏观上看，自由状态下，PN结中无电流。,一、PN 结的形成,（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区中的空穴.N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,（3）P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它
10、们形成的电流很小。,3、注意:,一、PN 结的形成,1、PN 结正向偏置P 区加正、N 区加负电压。,二、PN结的单向导电性,内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。,2、PN 结反向偏置P 区负加、N 区加正电压。,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子的漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,二、PN结的单向导电性,2、PN 结反向偏置P 区负加、N 区加正电压。,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。,二、PN结的单向导电性,三、半导体二极管,1、基本
11、结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,按结构分：面结合型，点接触型，平面型。 按用途分：整流二极管，检波二极管，稳压二极管，。 按材料分：硅二极管，锗二极管。,（2）分类, 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。,1、基本结构,（2）分类,三、半导体二极管, 平面型二极管,往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。, 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,1、基本结构,（2）分类,三、半导体二极管,（3）半导体二极管图片,1、基本结构,三、半导体二极管,1、基本结构,（3）半导体二极管图
12、片,三、半导体二极管,1、基本结构,（3）半导体二极管图片,三、半导体二极管,2、伏安特性,死区电压 硅管0.4V,锗管0.1V。,反向击穿电压UBR,加到二极管两端的电压与流过二极管的电流的关系曲线二极管的伏安特性曲线。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,三、半导体二极管,特征 （1） 二极管的伏安特性曲线都是从坐标原点开始的。 （2）正向偏置电压需要达到一定的数值电流才开始显著上升，这个电压称为门限电压或接通电压。UON,UON,0.4v 硅管,0.1v 锗管,锗管的UON是硅管的约三四分之一，这是硅管与锗管的明显区别之一。,2、伏安特性,三、半导体二极管,特征 （3）
13、 二极管正常工作时，其正向压降为： 0.60.8V 硅管0.10.3V 锗管 （4）硅管的上升部分比锗管陡一些。 （5）电流与电压的关系是非线性的。,（6）加反向电压时，最初随着反向电压的增加电流增加。到一定值以后反向电流几乎不随电压的增加而增加。这时的电流反向饱和电流（IS）。它主要与环境温度有关（TIS）。,2、伏安特性,三、半导体二极管,特征 （7）反向电压继续增加到一定值以后，反向电流开始剧烈增加。这时二管被击穿。 雪崩击穿通常发生在耗尽层的宽度较大的情况下，出现碰撞电离，产生电子的倍增效应。 齐纳击穿通常发生在耗尽层的宽度很小的情况下，出现场致激发。 热击穿：,2、伏安特性,三、半导
14、体二极管,特征,（8）温度对二极管特性的影响二极管的特性对温度很敏感T正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。,U正=-22.5mA/ IR=1倍/10,2、伏安特性,三、半导体二极管,其中,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,3、伏安公式,当二极管反偏时：U-26mv时 IIS（反向饱和电流） 当二极管零偏时：U=0 I=0 当二极管正偏时：U26mv时,三、半导体二极管,（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UBR,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
15、而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。,4、主要参数,（3） 反向电流 IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。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，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,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，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,三、半导体二极管,（4） 微变电阻 rD,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,即,根据,得
16、Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,4、主要参数,三、半导体二极管,（5） 直流电阻 RD,uD,ID,4、主要参数,三、半导体二极管,（6） 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。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，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。,势垒电容CB大小与PN结的面积S成正比，与空间电荷区的宽度成反比，与半导体材料的介电系数有关，与外加电压的大小有关。其影响主要表现在反向偏置状态。 大小：0.5100PF,4、主要参数,三、半导体二极管,（6） 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。,
