模拟电子技术基础简明教程课件：第一章　半导体器件 3)

第一章第一章半导体器件半导体器件1.1半导体的特性半导体的特性1.2半导体二极管半导体二极管1.3双极型三极管双极型三极管(BJT)1.4场效应三极管场效应三极管1.1半导体的特性半导体的特性1.导导体体：电电阻阻率率 109 cm 物物质质。如如橡橡胶胶、塑料等。塑料等。3.半半导导体体：导导电电性性能能介介于于导导体体和和半半导导体体之之间间的的物物质质。大大多多数数半半导导体体器器件件所所用用的的主主要要材材料料是是硅硅(Si)和和锗锗(Ge)。半导体导电性能是由其原子结构决定的。半导体导电性能是由其原子结构决定的。硅原子结构硅原子结构图图 1.1.1硅原子结构硅原子结构(a)硅的原子结构图硅的原子结构图最外层电子称最外层电子称价电子价电子 价电子价电子锗原子也是锗原子也是 4 价元素价元素4 价价元元素素的的原原子子常常常常用用+4 电电荷荷的的正正离离子子和和周周围围 4个价电子表示。个价电子表示。+4(b)简化模型简化模型1.1.1本征半导体本征半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+4完完全全纯纯净净的的、不不含含其其他他杂杂质质且且具具有有晶晶体体结结构构的的半半导导体称为本征半导体。体称为本征半导体。将将硅硅或或锗锗材材料料提提纯纯便便形形成成单单晶晶体体，它它的的原原子子结结构构为为共共价价键键结结构。构。价价电电子子共共价价键键图图 1.1.2单晶体中的共价键结构单晶体中的共价键结构当当温温度度 T=0 K 时时，半半导体不导电，如同绝缘体。导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 1.1.3本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 若若 T ，将将有有少少数数价价电电子子克克服服共共价价键键的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子，在在原原来来的的共共价价键键中中留留下下一一个个空空位位空穴。空穴。T 自自由由电电子子和和空空穴穴使使本本征征半半导导体体具具有有导导电电能能力力，但很微弱。但很微弱。空空穴穴可可看看成成带带正正电电的的载流子。载流子。1.半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2.本本征征半半导导体体中中，自自由由电电子子和和空空穴穴总总是是成成对对出出现现，称为称为 电子电子-空穴对。空穴对。3.本本征征半半导导体体中中自自由由电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度用用 ni 和和 pi 表示，显然表示，显然 ni=pi。4.由由于于物物质质的的运运动动，自自由由电电子子和和空空穴穴不不断断的的产产生生又又不不断断的的复复合合。在在一一定定的的温温度度下下，产产生生与与复复合合运运动动会会达达到到平衡，载流子的浓度就一定了。平衡，载流子的浓度就一定了。5.载载流流子子的的浓浓度度与与温温度度密密切切相相关关，它它随随着着温温度度的的升升高，基本按指数规律增加。高，基本按指数规律增加。1.1.2杂质半导体杂质半导体杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体一、一、N 型半导体型半导体在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 5 价价杂杂质质元元素素，如如磷磷、锑锑、砷砷等等，即即构构成成 N 型型半半导导体体(或或称称电电子子型型半半导导体体)。常用的常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。价杂质元素有磷、锑、砷等。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子施主原子施主原子图图 1.1.4N 型半导体的晶体结构型半导体的晶体结构电电子子浓浓度度多多于于空空 穴穴 浓浓 度度，即即 n p。电电子子为为多多数数载载流流子子，空空穴穴为为少少数数载载流子。流子。二、二、P 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 3 价价杂杂质质元元素素，如如硼、镓、铟等，即构成硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体型半导体。+3空空穴穴浓浓度度多多于于电电子子浓浓度度，即即 p n。空空穴穴为为多多数数载载流流子子，电电子子为为少数载流子。少数载流子。3 价价杂杂质质原原子子称称为为受受主原子。主原子。受主受主原子原子空穴空穴图图 1.1.5P 型半导体的晶体结构型半导体的晶体结构说明：说明：1.掺掺入入杂杂质质的的浓浓度度决决定定多多数数载载流流子子浓浓度度；温温度度决决定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。4.杂质半导体的表示方法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂杂质质半半导导体体载载流流子子的的数数目目要要远远远远高高于于本本征征半半导导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。(a)N 型半导体型半导体(b)P 型半导体型半导体图图 1.1.6杂质半导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法1.2半导体二极管半导体二极管1.2.1PN 结及其单向导电性结及其单向导电性 在在一一块块半半导导体体单单晶晶上上一一侧侧掺掺杂杂成成为为 P 型型半半导导体体，另另一一侧侧掺掺杂杂成成为为 N 型型半半导导体体，两两个个区区域域的的交交界界处处就就形形成成了了一个特殊的薄层，一个特殊的薄层，称为称为 PN 结结。PNPN结结图图 1.2.1PN 结的形成结的形成一、一、PN 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1.扩散运动扩散运动2.扩扩散散运运动动形成空间电荷区形成空间电荷区电电子子和和空空穴穴浓浓度度差差形形成成多多数数载载流流子子的的扩扩散散运运动。动。PN 结结，耗耗尽层。尽层。图图 1.2.1PN3.空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒电位壁垒；内电场内电场；内电场阻止多子的扩散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4.漂移运动漂移运动内内电电场场有有利利于于少少子子运运动动漂漂移。移。阻挡层阻挡层图图 1.2.1(b)5.扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与扩散运动与漂移运动达到动态平衡。漂移运动达到动态平衡。电压壁垒电压壁垒 UD，硅材料约为，硅材料约为(0.6 0.8)V,锗材料约为锗材料约为(0.2 0.3)V。二、二、二、二、PN PN 结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性1.PN PN 外加正向电压外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。图图 1.2.2PN在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2.PN PN 结结结结外加反向电压外加反向电压(反偏反偏)反反向向接接法法时时，外外电电场场与与内内电电场场的的方方向向一一致致，增增强强了了内内电场的作用；电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽；不不利利于于扩扩散散运运动动，有有利利于于漂漂移移运运动动，漂漂移移电电流流大大于于扩扩散电流，电路中产生反向电流散电流，电路中产生反向电流 I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。空间电荷区空间电荷区图图 1.2.3反相偏置的反相偏置的 PN 结结反反向向电电流流又又称称反反向向饱饱和和电电流流。对对温温度度十十分分敏敏感感，随随着温度升高，着温度升高，IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS综上所述：综上所述：当当 PN 结结正正向向偏偏置置时时，回回路路中中将将产产生生一一个个较较大大的的正正向向电电流流，PN 结结处处于于 导导通通状状态态；当当 PN 结结反反向向偏偏置置时时，回回路路中中反反向向电电流流非非常常小小，几几乎乎等等于于零零，PN 结结处处于于截截止止状态状态。可见，可见，PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。1.2.2二极管二极管将将 PN 结结封封装装在在塑塑料料、玻玻璃璃或或金金属属外外壳壳里里，再再从从 P 区和区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。区分别焊出两根引线作正、负极。二极管的结构：二极管的结构：(a)外形图外形图半导体二极管又称晶体二极管。半导体二极管又称晶体二极管。(b)符号符号图图 1.2.4二极管的外形和符号二极管的外形和符号半导体二极管的类型：半导体二极管的类型：按按 PN 结结构结结构分：分：有点接触型和面接触型二极管。有点接触型和面接触型二极管。点点接接触触型型管管子子中中不不允允许许通通过过较较大大的的电电流流，因因结结电电容容小，可在高频下工作。小，可在高频下工作。面面接接触触型型二二极极管管 PN 结结的的面面积积大大，允允许许流流过过的的电电流流大，但只能在较低频率下工作。大，但只能在较低频率下工作。按按用用途途划划分分：有有整整流流二二极极管管、检检波波二二极极管管、稳稳压压二二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。按半导体材料分：按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。有硅二极管、锗二极管等。二极管的伏安特性二极管的伏安特性在在二二极极管管的的两两端端加加上上电电压压，测测量量流流过过管管子子的的电电流流，I=f(U)之间的关系曲线之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550I/mAU/V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反反向向特特性性 50I/mAU/V0.20.4 25510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0图图 1.2.4二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.正向特性正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相相应应的的电电压压叫叫死死区区电电压压。范范围围称称死死区区。死死区区电电压压与与材材料料和和温温度度有有关关，硅硅管管约约 0.5 V 左左右右，锗锗管约管约 0.1 V 左右。左右。正向特性正向特性死区死区电压电压60402000.4 0.8I/mAU/V当当正正向向电电压压超超过过死死区区电电压压后后，随随着着电电压压的的升升高高，正正向向电电流流迅迅速速增大。增大。2.反向特性反向特性 0.02 0.0402550I/mAU/V反向特性反向特性当当电电压压超超过过零零点点几几伏伏后后，反反向向电电流流不不随随电电压压增增加加而而增增大，即饱和；大，即饱和；二二极极管管加加反反向向电电压压，反反向电流很小；向电流很小；如如果果反反向向电电压压继继续续升升高高，大大到到一一定定数数值值时时，反反向向电电流会突然增大；流会突然增大；反向饱反向饱和电流和电流 这种现象称这种现象称击穿击穿，对应电压叫，对应电压叫反向击穿电压反向击穿电压。击击穿穿并并不不意意味味管管子子损损坏坏，若若控控制制击击穿穿电电流流，电电压压降降低后，还可恢复正常。低后，还可恢复正常。击穿击穿电压电压U(BR)结论：结论：二二极极管管具具有有单单向向导导电电性性。加加正正向向电电压压时时导导通通，呈呈现现很很小小的的正正向