大三上課件-工業(yè)電子學第1章講稿

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第一章

半導體器件基礎(chǔ)2第一章半導體器件§1.1

半導體的基本知識§1.2

半導體二極管§1.3

半導體三極管§1.4

場效應(yīng)晶體管3導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等?！?.1半導體的基本知識4半導體的導電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：

當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化（熱敏性和光敏性）。

往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導電能力明顯改變。5一、本征半導體的結(jié)構(gòu)特點GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體?，F(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。1.1.1本征半導體及其導電性6本征半導體：完全純凈的（純度達99.9999999%）、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：7硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子8共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+49二、本征半導體的導電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴10+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子112.本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結(jié)果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。12溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動產(chǎn)生的電流。

2.空穴移動產(chǎn)生的電流。13這是因為游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合。隨著激發(fā)過程的進行，不斷有電子獲得能量變成自由電子，從而形成更多的空穴電子對，但是隨著電子空穴對的增多，自由電子復(fù)合的機會（撞上空穴的機會）也增加了，最終單位時間內(nèi)激發(fā)的自由電子數(shù)和符合的自由電子數(shù)會達到平衡。只有當溫度改變的時候才能打破這一平衡，進入到下一個平衡狀態(tài)。從這里我們可以得出一個結(jié)論。即本征半導體中的電子濃度和空穴濃度只和溫度有關(guān)系，是溫度的函數(shù)。本征載流子濃度的計算我們給出一個公式：

141.1.2

雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P型半導體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（空穴半導體）。N型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（電子半導體）。15一、N型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。16+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導體中的載流子是什么？1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2.本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。17二、P型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半導體中空穴是多子，電子是少子。18三、雜質(zhì)半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體雜質(zhì)型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。19從理論上講對于摻雜半導體，空穴濃度與子濃度的乘積在一定溫度下仍然是一個常數(shù)，與摻雜程度無關(guān)。所以可以通過本征半導體中載流子的濃度來計算摻雜半導體中少子的濃度。對于N型半導體來說，

對于P型半導體來說。因此對于摻雜半體來說，

摻雜以后多數(shù)載流子濃度會大大增加，比本征載流子濃度大很多倍；而少數(shù)載流子濃度會大大降低，比本征載流子濃度小好多倍。

201.2.1PN

結(jié)的形成在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)?！?.2半導體二極管21P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。22漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。23－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0241.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴.N區(qū)

中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。3.P

區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:251.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負電壓。

PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是：

P區(qū)加負、N區(qū)加正電壓。26－－－－++++RE一、PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。27二、PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE281.2.3

半導體二極管一、基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導體二極管。引線外殼線觸絲線基片點接觸型PN結(jié)面接觸型PN二極管的電路符號：29

二、伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR30三、主要參數(shù)1.最大整流電流

IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半。313.反向電流

IR指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆睿虼朔聪螂娏髟叫≡胶?。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護等等。下面介紹兩個交流參數(shù)。324.微變電阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二極管特性曲線上工作點Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。331.2.4二極管的極間電容二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴散電容CD。勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。擴散電容：為了形成正向電流（擴散電流），注入P區(qū)的少子（電子）在P

區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴散電容CD。P+-N34CB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，由于載流子數(shù)目很少，擴散電容可忽略。PN結(jié)高頻小信號時的等效電路：勢壘電容和擴散電容的綜合效應(yīng)rd35二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降0.7V(硅二極管)理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例1：二極管半波整流36二極管的應(yīng)用舉例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo371.2.5

穩(wěn)壓二極管UIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+-UZ動態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。38（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓

UZ（2）電壓溫度系數(shù)U（%/℃）

穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動態(tài)電阻39穩(wěn)壓二極管在工作時應(yīng)反接，并串入一只電阻。電阻的作用一是起限流作用，以保護穩(wěn)壓管；其次是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。應(yīng)用電路401.2.6光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加411.2.7發(fā)光二極管有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。421.3.1

基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型基極PNP集電極發(fā)射極BCEPNP型§1.3半導體三極管43BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高44BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)451.3.2電流放大原理BECNNPEBRBECIE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。IBE進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE

，多數(shù)擴散到集電結(jié)。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。46BECNNPEBRBECIE集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE從基區(qū)擴散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進入集電結(jié)而被收集，形成ICE。47IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBE48ICE與IBE之比稱為電流放大倍數(shù)要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。事實上當管子做好以后各區(qū)載流子濃度是一定的這樣擴散和復(fù)合的規(guī)模之比是一定的著也是說是一定的。一般來說由于基區(qū)摻雜濃度很小所以一般很大所以可以看出基極電流的很小變化就能引起集電極和發(fā)射機電流的很大變化也就是說三極管具有放大作用。

49BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管501.3.3

特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

實驗線路51一、輸入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V

死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。52二、輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC=IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。當UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。53IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。54IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。55輸出特性三個區(qū)域的特點:放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。即：IC=IB,且IC

=

IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區(qū)：

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO

0

56三、主要參數(shù)前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接法，相應(yīng)地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數(shù)：工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號?；鶚O電流的變化量為IB，相應(yīng)的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數(shù)為：1.電流放大倍數(shù)和

57例：UCE=6V時：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：=582.集-基極反向截止電流ICBOAICBOICBO是集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。59BECNNPICBOICEO=(1+)ICBO

3.集-射極反向截止電流ICEOICEO受溫度影響很大，當溫度上升時，ICEO增加很快，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。604.集電極最大電流ICM集電極電流IC上升會導致三極管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。5.集-射極反向擊穿電壓當集---射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)CEO。616.集電極最大允許功耗PCM

集電極電流IC

流過三極管，所發(fā)出的焦耳熱為：PC=ICUCE

必定導致結(jié)溫上升，所以PC

有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)62場效應(yīng)管與雙極型晶體管不同，它是多子導電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵型場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管有兩種:§1.4場效應(yīng)晶體管63N基底：N型半導體PP兩邊是P區(qū)G(柵極)S源極D漏極一、結(jié)構(gòu)1.4.1結(jié)型場效應(yīng)管:導電溝道64NPPG(柵極)S源極D漏極N溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGSDGS65PNNG(柵極)S源極D漏極P溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGSDGS66二、工作原理（以P溝道為例）PGSDUDSUGSNNNNIDPN結(jié)反偏，UGS越大則耗盡區(qū)越寬，導電溝道越窄。67PGSDUDSUGSNNIDNNUGS越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。68PGSDUDSUGSNNUGS達到一定值時（夾斷電壓VP）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時，即使UDS0V，漏極電流ID=0A。ID69三、特性曲線UGS0IDIDSSVP飽和漏極電流夾斷電壓轉(zhuǎn)移特性曲線一定UDS下的ID-UGS曲線70IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)輸出特性曲線071N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線UGS0IDIDSSVP72輸出特性曲線IDUDS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線731.4.2絕緣柵場效應(yīng)管:一、結(jié)構(gòu)和電路符號PNNGSDP型基底兩個N區(qū)SiO2絕緣層導電溝道金屬鋁GSDN溝道增強型74N溝道耗盡型PNNGSD預(yù)埋了導電