半導體器件基礎

半導體器件基礎第一頁，共41頁。一、半導體基本知識半導體定義

在物理學中，根據材料的導電能力，可以將它們劃分為導體、絕緣體和半導體。導體——很容易傳導電流的物質；如金屬銅、鋁等。絕緣體——不容易傳導電流的物質；如陶瓷、橡膠等。半導體——導電性能介于導體和絕緣體之間的物質；如鍺、硅、硒及許多金屬氧化物和硫化物等。第二頁，共41頁。半導體的特性1、在受到光和熱的刺激時，導電性能將發(fā)生顯著的變化。2、在純凈的半導體中加入微量的雜質，其導電性能會顯著的增強。最常用的半導體是鍺（Ge)和硅(Si)，并且被制作成晶體。它們都是4價元素。第三頁，共41頁。束縛電子在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。

制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“9個9”，現(xiàn)在隨著集成規(guī)模的提高，純度達到“13個9”。本征半導體——化學成分純凈的半導體晶體。半導體為什么會導電？第四頁，共41頁。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。當溫度升高或受到光的照射時，束縛電子獲得能量，有的電子可以掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子。同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)的，外加能量越大，本征半導體中產生的電子空穴對越多。第五頁，共41頁。常溫300K時：電子空穴對的濃度硅：鍺：在本征激發(fā)的過程中，還存在一種相反的現(xiàn)象：復合——即其它的電子可能會轉移到這個空位上。

在一定溫度下，本征激發(fā)和復合同時進行，達到動態(tài)平衡時，電子空穴對的濃度一定。硅晶體導電性能的溫度穩(wěn)定性比鍺晶體好。結論：本征半導體的導電性取決于外加能量：溫度變化，導電性變化；光照變化，導電性變化。第六頁，共41頁。

空穴的出現(xiàn)是半導體區(qū)別于導體的一個重要特點。所以，半導體在導電時，形成電流的自由電荷（載流子）有兩種：自由電子和空穴。自由電子帶負電荷電子流＋總電流載流子空穴帶正電荷空穴流第七頁，共41頁。多余電子磷原子硅原子N型半導體【Negative電子】在鍺或硅晶體內摻入少量五價元素雜質，如磷；這樣在晶體中就有了多余的自由電子。多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴N型半導體主要是電子導電。N型半導體和P型半導體第八頁，共41頁。P型半導體【Positive空穴】在鍺或硅晶體內摻入少量三價元素雜質，如硼；這樣在晶體中有了多余的空穴。空穴硼原子硅原子多數(shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子P型半導體主要是空穴導電。第九頁，共41頁。PN結及其特性

PN結是構成各種半導體器件的基礎，PN結的作用使半導體獲得廣泛應用。把一塊P型半導體和一塊N型半導體連接在一起，在它們的結合處就會形成一個特殊的接觸面稱為PN結。第十頁，共41頁。內電場E因多子濃度差形成內電場多子的擴散空間電荷區(qū)

阻止多子擴散，促使少子漂移。PN結合空間電荷區(qū)多子擴散電流少子漂移電流PN結的形成第十一頁，共41頁。隨著擴散運動的進行， 空間電荷區(qū)的寬度將逐漸增大；

隨著漂移運動的進行， 空間電荷區(qū)的寬度將逐漸減小。到達平衡時，擴散電流＝漂移電流PN結中總電流＝0空間電荷區(qū)的寬度也達到穩(wěn)定——形成PN結第十二頁，共41頁。

PN結的單向導電特性：

加正向電壓（正偏）——P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極，則電源產生的外電場與PN結的內電場方向相反，內電場被削弱，PN結變窄，表現(xiàn)為很小的電阻，形成較大正向電流（多數(shù)載流子形成的擴散電流），PN結處于正向導通狀態(tài)。第十三頁，共41頁。

加反向電壓(反偏)——N區(qū)接電源正極，P區(qū)接電源負極，則電源產生的外電場與PN結的內電場方向相同，增強了內電場，PN結變寬，表現(xiàn)為很大的電阻，有較小的反向電流（少數(shù)載流子形成的漂移電流），PN結處于反向截止狀態(tài)。PN在一定的溫度下，由本征激發(fā)產生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關，所以稱為反向飽和電流。但IR與溫度有關。

注：當反向電壓增大到一定程度，反向電流會突然增大，PN結被電擊穿，失去單向導電性。如果沒有適當?shù)南蘖鞔胧?，PN結會被熱燒毀。第十四頁，共41頁。綜上所述PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流，PN結導通（相當開關閉合）；

PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流，PN結截止（相當開關斷開）。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性（開關特性）。第十五頁，共41頁。小結1．半導體材料的導電性能介于導體和絕緣體之間。半導體具有熱敏、光敏、雜敏等特性。常用的半導體材料是硅和鍺，并被制作成晶體。2、半導體導電時有兩種載流子（自由電子和空穴）參與形成電流。在純凈的半導體中摻入不同的微量雜質，可以得到N型半導體（電子型）和P型半導體（空穴型）。3、P型半導體和N型半導體相連接在結合處形成PN結，PN結的基本特性是具有單向導電性。第十六頁，共41頁。二、半導體二極管及其特性半導體二極管，也叫晶體二極管。它由一個PN結構成，具有單向導電性，是整流電路的核心器件。第十七頁，共41頁。幾種常見二極管的外形第十八頁，共41頁。二極管的結構及電路符號

二極管=PN結+管殼+引線第十九頁，共41頁。1、正向導通特性：

正向電壓達到一定程度（硅二極管為0.6V,鍺二極管為0.2V），二極管導通，正向電流增加很快，導通時正向電壓有一個很小的變化，就會引起正向電流很大的變化，兩引腳之間的電阻很小，相當于開關接通。二極管在電路中受外加電壓控制共有兩種工作狀態(tài)：正向導通和反向截止。二極管的特性——單向導電性第二十頁，共41頁。2、反向截止特性：

給二極管加反向電壓，則處于截止狀態(tài)，二極管兩引腳之間的電阻很大，反向電流很小，相當于開關斷開。當反向電壓不超過某一范圍時，反向電流的大小基本保持不變，所以通常把反向電流又稱為反向飽和電流，但反向電流會隨溫度的升高而增長很快。

硅二極管的反向電流只有鍺二極管的幾十分之一或幾百分之一，所以硅管的溫度穩(wěn)定性比鍺管好。第二十一頁，共41頁。3、二極管反向擊穿：

當所加的反向電壓增大到一定數(shù)值時，反向電流迅速增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，二極管失去單向導電性，發(fā)生擊穿時的反向電壓叫反向擊穿電壓。此時如果沒有適當?shù)南蘖鞔胧?，因電流過大會使二極管過熱而被燒毀。

因此二極管工作時，要求承受的反向電壓應小于其反向擊穿電壓的一半。第二十二頁，共41頁。按材料分：可分為硅二極管和鍺二極管。硅二極管的正向壓降約為0.6V，正、反向電阻比鍺二極管大，反向電流比鍺二極管小。鍺二極管的正向壓降約為0.2V。按用途分：整流二極管、穩(wěn)壓二極管、光電二極管、變容二極管、發(fā)光二極管、開關二極管等。二極管的種類第二十三頁，共41頁。穩(wěn)壓管的一種實物圖黑頭一側為負極電路符號穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)第二十四頁，共41頁。幾種普通發(fā)光二極管實物圖長腳為正極大頭為負極電路符號第二十五頁，共41頁。二極管的使用1、接入電路前，必須判別二極管的極性、質量的好壞，然后正確的接入電路中。2、識別二極管的型號，注意二極管的正向電流和反向電壓峰值不能超過所允許的標準值。3、安裝二極管時，應盡量遠離發(fā)熱器件。大功率的二極管應加裝散熱器。4、不同用途之間的二極管不宜代用，硅二極管和鍺二極管之間也不能代用。第二十六頁，共41頁。小結

二極管是由一個PN結構成的，具有單向導電性（開關特性），不同類型的二極管具有不同的功能和用途。第二十七頁，共41頁。三、半導體三極管及其特性

半導體三極管，也叫晶體三極管由兩個PN結組成，具有放大作用，是放大電路的核心器件，由于工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行，因此，三極管還被稱為雙極型晶體管（簡稱BJT）。第二十八頁，共41頁。幾種常見三極管的實物外形大功率三極管功率三極管普通塑封三極管第二十九頁，共41頁。三極管的分類①按頻率分高頻管低頻管②按功率分大功率管中功率管小功率管③按半導體材料分硅管鍺管④按結構不同分NPN型PNP型第三十頁，共41頁。NPN型發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結集電結e【Emitter】c【Collector】b發(fā)射極集電極基極NNP【Base】電路符號:三極管的結構箭頭方向：由P區(qū)→N區(qū)通過三極管正向電流的方向第三十一頁，共41頁。發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結集電結ecb發(fā)射極集電極基極PPN電路符號:箭頭方向：由P區(qū)→N區(qū)通過三極管正向電流的方向PNP型

【Emitter】

【Collector】【Base】第三十二頁，共41頁。結構特點：?發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高；?集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大；?基區(qū)的摻雜濃度最低且很薄，一般在幾個微米至幾十個微米。管芯結構剖面圖第三十三頁，共41頁。三極管的特性通過控制基極電流，能使三極管分別處于放大、截止和飽和三種工作狀態(tài)。1、三極管的放大作用三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過內部載流子的傳輸體現(xiàn)出來。外部條件：發(fā)射結正偏，集電結反偏。第三十四頁，共41頁。發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子不斷通過發(fā)射結擴散到基區(qū)，形成發(fā)射極電流Ｉe電子在基區(qū)擴散與復合形成基極電流Ｉb，由于基區(qū)很薄，且空穴濃度很低，Ｉb很小。電子被集電極收集形成集電極電流Ｉc三極管內部載流子的傳輸過程發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子

第三十五頁，共41頁。ICIBIEIE=IC+IBIB<<

IC集電極與基極電流的關系為：共射電流放大倍數(shù)三極管的電流放大作用三極管三個極上的電流分配關系:β的值遠大于1，通常在20~200范圍內，只與管子的結構有關，與外加電壓無關。第三十六頁，共41頁。放大是最基本的模擬信號處理功能放大——是指把微小的、微弱的電信號不失真的進行放大，實現(xiàn)能量的控制和轉換。不失真——就是一個微弱的電信號通過放大器后，輸出電壓或電流的幅度得到了放大，但它隨時間變化的規(guī)律不能變。放大電路是模擬電路中最主要的電路,三極管是組成放大電路的核心元件。具有放大特性的電子設備：收音機、電視機、手機、擴音器等等。第三十七頁，共41頁。利用三極管組成的放大電路，最常用的接法是：基極作為信號的輸入端，集電極作為輸出端，發(fā)射極作為輸入回路、輸出回路的共同端（共發(fā)射極接法）

調節(jié)偏流電阻RP的阻值，使三極管處于放大狀態(tài)。此時，如果在基極加上一個較小的電信號，集電極就能通過一個放大了的電信號。放大所需的能量來自外加直流電源。放大工作狀態(tài)第三十八頁，共41頁。2、三極管的開關特性調節(jié)偏流電阻RP的阻值，使基極的電流為零或很小時，三極