《补充章 电子技术基础(半导体技术知识).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《补充章 电子技术基础(半导体技术知识).ppt（67页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 半导体器件半导体器件基本知识基本知识11 半导体的基本知识半导体的基本知识1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金，金属一般都是导体。属一般都是导体。有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。硫化物、氧化物等。2 半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所的导电机理不同于其
2、它物质，所以它具有不同于其它物质的以它具有不同于其它物质的特点特点。比如：。比如：当受外界热和光的作用时，它的导当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。电能力明显变化。-（热敏特性、光敏特性热敏特性、光敏特性）纯净的半导体中掺入某些杂质，会使纯净的半导体中掺入某些杂质，会使导电能力明显改变。导电能力明显改变。-(掺杂特性掺杂特性)31.2 本征半导体本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是现代电子学中，用的最多的半导体是硅和硅和锗锗，它们的最外层电子（，它们的最外层电子（价电子价电子）都是四个都是四个。GeSi4通过一定的工艺过程，可通过一定的工艺过程，可以将半导体制成以将半导体制成晶
3、体晶体。完全纯净的、结构完整的半完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为导体晶体，称为本征半导体本征半导体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶在硅和锗晶体中，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，每个原子与其相个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价电子。共用一对价电子。5硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构共价键共价键6硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共价键-共用电子对共用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后
4、的原子后的原子形成共价键后，每个原子的最外层电子是八形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成个，构成稳定结构稳定结构。7共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱，常温下束缚电子很难脱离共价键成为离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体中，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的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。力很弱。共价键有很强的结共价键有很强的结合力，使原子规则排合力，使原子规则排列，形成晶体。列，形成晶体。+4+4+4+48本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理在在
5、绝对绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的有可以运动的带电粒子带电粒子（即（即载流子载流子），它的），它的导电能力为导电能力为0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在在常温常温下，由于热激发，使一些价电子下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个空位，同时共价键上留下一个空位，称为称为空穴空穴。9+4+4+4+4本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子
6、10本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为可以认为:空穴是载流子空穴是载流子。11本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种载流本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度越高，载流子的浓度越高温度越高，载流子的浓度越高。因此本征。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体半导体的导电能力
7、越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。浓度。121.3 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，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。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的浓其原因是掺杂半导体的某种载流子的浓度大大增加。度大大增加。自由电子浓度大大增加的杂质半导体称自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为为N型半导体型半导体（电子型电子型半导体），半导体），空穴浓度大大增
8、加的杂质半导体称为空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型型半导体半导体（空穴型空穴型半导体）。半导体）。13N型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），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，磷原子晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几原子形成共价键，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。
9、每个磷原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，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。14+4+4+5+4N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），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。每个磷晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代。每个磷原子给出一个电子，为原子给出一个电子，为施主原子施主原子。15N型半导体型半导体N型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同、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
10、电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，、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。自由电子称为自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数多数载流子载流子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。16P型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产
11、生一个空相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。17+4+4+3+4空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，称为杂质取代，称为受主原子受主原子。18总总 结结1、N型半导体中电子是型半导体中电子是多子多子，其中大部分是
12、掺杂提，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。数。N型半导体中空穴是型半导体中空穴是少子少子，少子的迁移也能，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子是多子。近似认为多子与杂质浓度相等近似认为多子与杂质浓度相等。2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。19杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体202 PN结及半导体二极管结及半导体二极管2.1 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基
13、片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型型半导体和半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了在它们的交界面处就形成了PN结结。21P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动22扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间
14、电荷区变薄。使空间电荷区变薄。23漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动，没有电荷运动，空间电荷区的空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。24+空间空间电荷电荷区区N N型区型区P P型区型区电位电位V VV V0 0251、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、中的空穴、N中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动
15、）向对方运动（扩散运动扩散运动）。）。3、P中的电子和中的电子和N中的空穴（中的空穴（都是少子都是少子），），数量有限，因此由它们形成的电流很数量有限，因此由它们形成的电流很小。小。请注意请注意262.2 PN结的结的单向导电性单向导电性 PN结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意的意思是：思是：P区区加正、加正、N区加负电压。区加负电压。PN结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意的意思是：思是：P区区加负、加负、N区加正电压。区加正电压。27PN结正向偏置结正向偏置+内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，内电场被削弱，多子的扩散加强多子的扩散加强能够形
16、成较大的能够形成较大的扩散电流。扩散电流。28PN结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，内电场被被加强，多子的扩散受抑多子的扩散受抑制。少子漂移加制。少子漂移加强，但少子数量强，但少子数量有限，只能形成有限，只能形成较小的反向电流。较小的反向电流。292.3 半导体二极管半导体二极管(1)、基本结、基本结构构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型30PN结结面接触型面接触型PN31(2)、伏安特、伏安特性性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.
17、2V。导通压降导通压降:硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿电反向击穿电压压U(BR)32(3)、主要参数、主要参数（1）最大整流电流最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。向平均电流。（2）反向击穿电压反向击穿电压VBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流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，甚至过热而剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压烧坏。手册上给出的最高反向工作电压VWRM一般一般是是VBR的一半。的一半。33（3）反
18、向电流反向电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。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，锗管的反向电流要大几十到几百倍。的反向电流要大几十到几百倍。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包括整流、限幅、保护等。主要利用它的单向导电性包括整流、限幅、保护等。下面介绍两个交流参数
19、。下面介绍两个交流参数。34（4）微变电阻）微变电阻 rDiDvDIDVDQ iD vDrD是二极管特性曲线工是二极管特性曲线工作点作点Q附近电压的变化附近电压的变化与电流的变化之比：与电流的变化之比：显然，显然，rD是对是对Q附近的附近的微小变化量的电阻。微小变化量的电阻。35（5）二极管的极间电容）二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：部分组成：势垒电容势垒电容CB和和扩散电容扩散电容CD。势垒区是积累空间电荷的区域，当电压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变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的
20、变化，这样所表现出的电容是势垒电容。的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。36为了形成正向电流（扩散电流），注入为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在结浓度越大，即在P区有电子的积累。同区有电子的积累。同理，在理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。累的电荷多。P+-N这样所产生的电容就是扩散电容这样所产生的电容就是扩散电容CD。37CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，载流子很少，扩散电容可忽略。反向偏置时，载流子很少，
21、扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电势垒电容和扩散电容的综合效应容的综合效应rd38例：二极管的应用：例：二极管的应用：RRLuiuRuotttuiuRuo393 特殊二极管特殊二极管3.1 稳压二极管稳压二极管UIUZIZIZmax UZ IZ稳压误差稳压误差曲线越曲线越陡，电陡，电压越稳压越稳定。定。+-40稳压二极管的参数稳压二极管的参数（1）稳定电压）稳定电压 UZ（2）电压温度系数）电压温度系数 U（%/）稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻）动态电阻41（4）稳定电流）稳定电流IZ、最大、最小
22、稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmian。（5）最大允许功耗）最大允许功耗423.2 光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IV照度增加照度增加433.3 发光二极管发光二极管有正向电流流有正向电流流过时，发出一定过时，发出一定波长范围的光，波长范围的光，目前的发光管可目前的发光管可以发出从红外到以发出从红外到可见波段的光，可见波段的光，它的电特性与一它的电特性与一般二极管类似。般二极管类似。444 半导体三极管半导体三极管4.1 基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极
23、BCEPNP型型45BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高结构特点：结构特点：46BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极发射结发射结集电结集电结474.2 电流放大原理电流放大原理BECNNPEBRBEc发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。IE基区空基区空穴向发穴向发射区的射区的扩散可扩散可忽略。忽略。IBE1进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流
24、电流IBE ，多数多数扩散到集电结。扩散到集电结。48BECNNPEBRBEcIE集电结反偏，集电结反偏，有少子形成的有少子形成的反向电流反向电流ICBO。ICBO从基区扩散从基区扩散来的电子作来的电子作为集电结的为集电结的少子，漂移少子，漂移进入集电结进入集电结而被收集，而被收集，形成形成ICE。IC=ICE+ICBO ICEIBE2ICE49IB=IBE-ICBO IBEIB3BECNNPEBRBEcIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE504ICE与与IBE之比称为电流放大倍数之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结
25、反偏。射结正偏，集电结反偏。51BECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管524.3 特性曲线特性曲线ICmA AVVUCEUBERBIBECEB 实验线路实验线路53（1）输入特性）输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V 死区电死区电压，硅管压，硅管0.5V，锗锗管管0.2V。工作压降：工作压降：硅管硅管UBE 0.60.7V,锗锗管管UBE 0.20.3V。54（2）输出特性）输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域满此区域满足足IC=IB称称为线性区为
26、线性区（放大区）（放大区）。当当UCE大于一大于一定的数值时，定的数值时，IC只与只与IB有关，有关，IC=IB。55IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中UCE UBE,集电结集电结正偏，正偏，IBIC，UCE 0.3V称为饱和称为饱和区。区。56IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区死区电压，称为电压，称为截止区。截止区。57（3）主要参数）主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输前面的电路中，三极管的发射极
27、是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。还有共基、共集接法。共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：1.电流放大倍数电流放大倍数 和和 58工作于动态的三极管，真正的信号工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为的变化量为 IB，相应的集电极电流变相应的集电极电流变化为化为 IC，则则交流电流放大倍数交流电流放大倍数为：为：59例：例：UCE=6V时时：IB=40 A,IC=1.5mA；IB=60 A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般
28、作近似处理：=602.集集-基极反向截止电流基极反向截止电流ICBO AICBOICBO是集是集电结反偏电结反偏由少子的由少子的漂移形成漂移形成的反向电的反向电流，受温流，受温度的变化度的变化影响。影响。613.集集-射极反向截止电流射极反向截止电流ICEO AICEO62BECNNPICBOICEO=IBE+ICBO IBE IBEICBO进入进入N区，区，形成形成IBE。根据放大关根据放大关系，由于系，由于IBE的存在，必的存在，必有电流有电流 IBE。集电结反偏集电结反偏有有ICBO例如：例如：634.集电极最大电流集电极最大电流ICM集电极电流集电极电流IC上升会导致三极管的上升会导致
29、三极管的 值的下降，当值的下降，当 值下降到正常值的三分值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为之二时的集电极电流即为ICM。所以集电极电流应为：所以集电极电流应为：IC=IB+ICEO而而ICEO受温度影响很大，当温度上升受温度影响很大，当温度上升时，时，ICEO增加很快，所以增加很快，所以IC也相应增加。也相应增加。三极管的温度特性较差三极管的温度特性较差。645.集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压当集当集-射极之间的电压射极之间的电压UCE超过一超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是册上给出的数值是25 C C、基极开路时基极开路时的击穿电压的击穿电压U(BR)CEO。656.集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM集电极电流集电极电流IC流过三极管，所发出的流过三极管，所发出的焦耳热为：焦耳热为：PC=ICUCE必定导致结温上升，所以必定导致结温上升，所以PC有限制。有限制。PC PCM66ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区67