第二章半导体器件基础

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1、第二章 半导体器件基础 2.1 半导体的基础知识 2.2 晶体二极管 2.3 晶体三极管 2.4 场效应管 2.1半导体的基础知识 半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 半导体区别于其他物质的特点 它的导电能力会随温度、光照以及参杂入 杂质而发生显著变化。 最常用的半导体材料是硅（silicon）,其次是锗 （germanium），还有一些化合物如砷化镓（gallium arsenide） 等也是半导体。 一般着重讨论硅（Si）和锗（Ge）的特性。 半导体分本征半导体和杂质半导体两种。 2.1.1 本征半导体 （1）本征半导体的共价键结构 +14 化学成分纯净、晶格完整的半导体 硅原子的

2、结构模型 +32 锗原子的结构模型简化模型 +4 +4+4 +4 +4 +4 +4+4+4 每个原子最外层四个价电子分别与周围的四个原子的 价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子 所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的 晶体。 +4 温度温度T=0K时硅或锗的共价键结构平面示意图时硅或锗的共价键结构平面示意图 （2）本征激发 +4+4 +4 +4 +4 +4+4+4 +4 当温度升高或受到光的照射时,价电子挣脱原子核的束缚， 成为自由电子的现象。 激激 发发 电子和空穴成对出现的过程 自由自由 电子电子 空穴空穴 复合：电子和空穴成对 消失的过程 本征激发和复合的过程本征激发和复合

3、的过程 本征激发和复合在一定本征激发和复合在一定 温度下会达到温度下会达到动态平衡动态平衡。 （动画）（动画） （3）空穴移动）空穴移动 +4+4+4 +4+4 +4+4+4 +4+4 +4 +4 +4 +4+4+4 +4 x1 x2 x3 电子的移 动方向 空穴的移动示意图空穴的移动示意图 电子的移动方向是： x1- x2- x3， 形成的电子电流的方向是向右 空穴的移动方向是： x3- x2- x1， 形成的空穴电流的方向是向右 E +4+4 +4 +4 +4 +4+4+4 +4 空穴的运动是靠相邻共价键 中的价电子依次充填空穴来 实现的。 因此自由电子和空穴都称为因此自由电子和空穴都称为

4、载流子载流子。 因而可以空穴移动产生的电流来代 替束缚电子移动产生的电流 2.1.2 杂质半导体 掺入杂质的半导体，杂质主要是三价和五价元素 （1）N型半导体：半导体材料中掺入五价元素，例如磷(P)，也称电子型半导体 因此，在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供； 空穴是少数载流子, 由热激发形成。 杂质原子提供的杂质原子提供的 多余电子多子多余电子多子 正离子正离子 （2）P型半导体：型半导体： 因此，在P型半导体中空穴是多数载流子,它主要由杂质原子提供； 自由电子是少数载流子, 由热激发形成。 受主原子提供的受主原子提供的 多余空穴多子多余空穴多子 受主负离子受主负离子

5、- - - - - - - - - - - - - - - - 半导体材料中掺入三价元素 ，例如硼(B)，也称空穴型半导体 两种杂质半导体的比较 2 iiioo npnpn= 2 iiioo npnpn= - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + s V 电子电子 空穴空穴 2.1.3 PN结及其单向导电性 1、载流子的运动 （1）漂移运动载流子在外加电场的作用下而产生的定向运动 电子运动方向和E的方向相反， 空穴运动方向和E的方向相同。 载流子从浓度高的地方扩散到浓度低的地方，这样就 形成了扩散电流，电流的

6、方向和空穴运动的方向相 同,与电子运动方向相反。 （2）扩散运动 由于浓度差而引起的载流子的运动 空穴空穴 电子电子 扩散电流扩散电流 2、 PN结的形成 P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称 为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成形成内电场 内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散 最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 PN结的形成的物理过程： 内电场 3、 PN结的单向导电性结的单向导电性 （1）PN结正向特性 外加电场与PN结的内电场方向相反 外电场削弱内电场 PN结变窄 多子扩散运动远

7、远大于少子漂移运动 PN结导通 所以，PN结呈现低阻性 （2）PN结反向特性 外加电场与PN结的内电场方向相同 外电场加强内电场 PN结变宽 只有少数载流子的漂移运动， 形成漂移电流，电流很小 PN结截止 所以，PN结呈现高阻性 反向电流= 反相饱和电流 R I S I 2.2 晶体二极管晶体二极管 2.2.1 半导体二极管的结构类型和符号 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。 按结构分有： (1) 点接触型二极管点接触型二极管 用于检波和变频等高频电路。用于检波和变频等高频电路。 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。用于检波和变频等高频电路。 (a

8、)点接触型结构图点接触型结构图 (2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用 于整流电路。于整流电路。 (b)面接触型结构图结构图 (c)平面型结构图结构图 (3) 平面型二极管平面型二极管 用于集成电路制造工用于集成电路制造工 艺艺中中。PN 结面积结面积可可大大可可小，用小，用 于高频整流和于高频整流和开关开关电路电路中中。 + - 符号： 2.2.2 晶体二极管的伏安特性与等效电路 1、伏安特性 ) 1 e ( T S = V V II (1)正正向特性向特性 死区死区(0VVth)，一一般般 硅二极管的硅二极管的Vth约约0.5V， 锗二极管的锗二极管的Vth约约

9、0.1V 导导通区通区(VVth)导导通后通后 二极管二极管两端两端的正的正向压降比向压降比 较稳较稳定，硅管定，硅管约为约为0.7V， 锗管锗管约为约为0.2V (2)反向特性反向特性 反向截止区反向截止区 反向击穿区反向击穿区 硅和锗二极管的伏安特性比较硅和锗二极管的伏安特性比较 室室温下，硅温下，硅:Vth=0.5 V左右左右， 锗锗:Vth=0.1 V左右左右。 在在反向区反向区，硅二极管的，硅二极管的反向击反向击 穿特性比较穿特性比较陡陡，Is很很小小；锗二极锗二极 管的管的反向击穿特性反向击穿特性过过渡比较渡比较圆滑圆滑， Is较较大大。 由由特性曲线得出特性曲线得出： （1）二极

10、管）二极管是是非线性器件非线性器件，通通过二极管的电流过二极管的电流与加与加在在其两端其两端的电的电 压近似压近似成成指数指数关系；关系； （2）在一定电）在一定电压范围内压范围内，二极管，二极管具有具有单向单向导电导电性性。 2、电路模型 （1）、理想模型：在正向偏置时，二级管导通，其管压降VD=0V，而当二极 管反偏时，认为它的电阻为无穷大，且ID=0。符号表示： 理想模型适用于：电源电压远比二极管的管压降大的实际电路。 0 用线性电路模型代替实际二极管 D v D i D v （2）、简化模型：在二极管工作电流较大时， 认为VD=常数，不随ID变化，典型值为0.7V。 简化模型适用于简化

11、模型适用于：二极管的电流：二极管的电流ID近似近似等于或大于等于或大于1mA的电路。的电路。 D v D i D v F V 例2.1 二极管电路如下图所示，试计算回路中的 电流ID及输出电压VO，设二极管为硅管。 R O V k1 解：解： 图示电路中，于图示电路中，于a、b点处断开，得：点处断开，得： Va =- 6V， Vb =- 10V 由于由于 Va Vb ，故二极管导通。，故二极管导通。 若二极管为理想的，则若二极管为理想的，则 ID=VR/R=（- 6+10）/R=4mA， VO=- 6V 若使用简化模型：由于若使用简化模型：由于VF=0.7V,则则 ID=VR/R=（- 6+1

12、0- 0.7）/R=3.3mA， VO= - 0.7 - 6=- 6.7V 2.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 (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 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。 在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。 2.2.

13、4 二极管的温度特性 温度每升高十度，Is就增加一倍。 温度每升高一度VF减小2mV到2.5mV )(mAI )(vV BR V 0 T2T1 T2T1 2.2.5 二极管的应用 例1：设vi为幅值6V的正弦波，二极管为理想器件。试画出vo 的波形。 1、限幅电路：用来让信号在预置的电平范围内，有选择的传输一部分。 若若vi3, D管因反偏而截止。管因反偏而截止。vo=3V i v R o v i v t i v t o v t 3 2C V 3 例2：下面是一个双向限幅电路，设V VC1(=VC2)=5V，二极管为理想器件。试画出vo的波形。 i v t 1C V 2C V 当当vi为为正半

14、正半周周时，时， 若若vi 5, D1管管因因正正偏而偏而导导通通。D2仍截止仍截止。vo= 5 当当vi为为负半负半周周时，时， 若若vi -5，二极管，二极管D1和和D2均截止均截止，输出输出电电压压vo=vi， 若若vi 集电区基区 基区很薄，载流子浓度很小 （2）外部条件：）外部条件：发射结正偏，集电结反偏 2 V 1 V 1 R 2 R 发发射射结正结正偏偏，集电结，集电结反偏反偏时时三三极管极管内载内载流子流子运运动示意图动示意图 En ICn I Bn I CBO I Ep I CE CBOEpBnB II IIII = += EpEnE III+= CBOCnC III+= I

15、CBO：发射极开路：发射极开路 时，集电结的反向时，集电结的反向 饱和电流。饱和电流。它它的的数数 值很值很小，小，但但是是受温受温 度度影响却影响却很很大，容大，容 易使易使管子工管子工作不稳作不稳 定，定，所所以选以选管子时，管子时， 一一般般选择选择ICBO较较小的。小的。 动画 电流分配关系： EpEnE III+= CBOCnC III+= CECBOBnEpB IIIIII=+= 电流放大系数： CBOB CBOC EpBn Cn II II II I + = + = = B C i i B C I I E CBOC E Cn I II I I = E C I I = E C i i = 1 结结论论 1. e结正结正偏偏，发，发射区射区发发射射电子电子- - - - - - 射射级级电流电流 IE 2. 电子在电子在基基区区的扩散和复合的扩散和复合- - - - - 基基极电流极电流 IB=IE- IC 3. c结结反偏反偏，收收集电子集电子- - - - - - - 集电极电流集电极电流 IC=ICn- ICBO 4. 发发射区射区掺掺杂杂浓浓度高，度高，基基区很区很薄薄，是是保证保证三三极管极管能能 够够实现实现电流电流放放大大的的关关键。键。 5. 管子管子要要正正常常工工作作， NPN管：管：VcVbVe (硅：硅：Vbe=0.7V，锗