图文并茂让你了解半导体概述学习教案

图文并茂让你了解图文并茂让你了解(lioji)半导体概述半导体概述第一页，共67页。1 半导体的基本知识1.1 导体(dot)、半导体(dot)和绝缘体 自然界中很容易导电的物质称为导体，金属(jnsh)一般都是导体。 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料(slio)和石英。 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。第1页/共67页第二页，共67页。 半导体的导电机理不同于其它(qt)物质，所以它具有不同于其它(qt)物质的特点。比如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力(nngl)明显变化。-（热敏特性、光敏特性）纯净的半导体中掺入某些杂质(zzh)，会使导电能力明显改变。-(掺杂特性)第2页/共67页第三页，共67页。1.2 本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层(wi cn)电子（价电子）都是四个。GeSi第3页/共67页第四页，共67页。通过一定的工艺过程，可以(ky)将半导体制成晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体(jngt)，称为本征半导体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵(jn t din zhn)，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，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。第4页/共67页第五页，共67页。硅和锗的晶体结构共价键第5页/共67页第六页，共67页。硅和锗的共价键结构(jigu)共价键-共用(n yn)电子对+4+4+4+4+4表示除去(ch q)价电子后的原子形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。第6页/共67页第七页，共67页。共价键中的两个电子被紧紧(jn jn)束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，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力很弱。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成(xngchng)晶体。+4+4+4+4第7页/共67页第八页，共67页。本征半导体的导电(dodin)机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚(shf)着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于(yuy)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，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。第8页/共67页第九页，共67页。+4+4+4+4本征半导体的导电(dodin)机理自由电子(z yu din z)空穴(kn xu)束缚电子第9页/共67页第十页，共67页。本征半导体的导电(dodin)机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此(ync)可以认为:空穴是载流子。第10页/共67页第十一页，共67页。本征半导体的导电(dodin)机理本征半导体中存在数量相等(xingdng)的两种载流子，即自由电子和空穴。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力(nngl)越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。第11页/共67页第十二页，共67页。1.3 杂质(zzh)半导体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(fshng)显著变化。其原因(yunyn)是掺杂半导体的某种载流子的浓度大大增加。自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子型半导体），空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴型半导体）。第12页/共67页第十三页，共67页。N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素(yun s)磷（或锑），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，称为施主原子。第13页/共67页第十四页，共67页。+4+4+5+4N型半导体多余(duy)电子磷原子(yunz)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。每个磷原子给出一个电子(dinz)，为施主原子。第14页/共67页第十五页，共67页。N型半导体N型半导体中的载流子是什么(shn me)？1、由施主原子提供的电子，浓度(nngd)与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生(chnshng)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，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。第15页/共67页第十六页，共67页。P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（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，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子(lz)。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。第16页/共67页第十七页，共67页。+4+4+3+4空穴(kn xu)P型半导体硼原子(yunz)在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵(jn t din zhn)中的某些半导体原子被杂质取代，称为受主原子。第17页/共67页第十八页，共67页。总 结1、N型半导体中电子是多子，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数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用(zuyng)的主要是多子。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(dinz)是少子。第18页/共67页第十九页，共67页。杂质(zzh)半导体的示意表示法P型半导体+N型半导体第19页/共67页第二十页，共67页。2 PN结及半导体二极管2.1 PN 结的形成(xngchng)在同一片半导体基片上，分别制造(zhzo)P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。第20页/共67页第二十一页，共67页。P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动(yndng)第21页/共67页第二十二页，共67页。扩散(kusn)的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移(pio y)运动越强，而漂移(pio y)使空间电荷区变薄。第22页/共67页第二十三页，共67页。漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动所以扩散和漂移这一对相反(xingfn)的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。第23页/共67页第二十四页，共67页。+空间电荷区N型区P型区电位(din wi)VV0第24页/共67页第二十五页，共67页。1、空间电荷区中没有(mi yu)载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子(dinz)（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P中的电子和N中的空穴(kn xu)（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。请注意第25页/共67页第二十六页，共67页。2.2 PN结的单向(dn xin)导电性 PN结加上正向(zhn xin)电压、正向(zhn xin)偏置的意思是： P区加正、N区加负电压。 PN结加上反向(fn xin)电压、反向(fn xin)偏置的意思是： P区加负、N区加正电压。第26页/共67页第二十七页，共67页。PN结正向(zhn xin)偏置+内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够(nnggu)形成较大的扩散电流。第27页/共67页第二十八页，共67页。PN结反向(fn xin)偏置+内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子(du z)的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。第28页/共67页第二十九页，共67页。2.3 半导体二极管(1)、基本(jbn)结构PN结加上管壳和引线(ynxin)，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型第29页/共67页第三十页，共67页。PN结面接触(jich)型PN第30页/共67页第三十一页，共67页。(2)、伏安(f n)特性UI死区电压(diny) 硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。反向(fn xin)击穿电压U(BR)第31页/共67页第三十二页，共67页。(3)、主要参数（1）最大整流(zhngli)电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均(pngjn)电流。（2）反向(fn xin)击穿电压VBR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，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压VWRM一般是VBR的一半。第32页/共67页第三十三页，共67页。（3）反向(fn xin)电流 IR指二极管加反向峰值(fn zh)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，锗管的反向电流要大几十到几百倍。以上(yshng)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。下面介绍两个交流参数。第33页/共67页第三十四页，共67页。（4）微变电阻(dinz) rDiDvDIDVDQiDvDrD是二极管特性(txng)曲线工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：DDDivr 显然，rD是对Q附近(fjn)的微小变化量的电阻。第34页/共67页第三十五页，共67页。（5）二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两部分(b fen)组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒区是积累(jli)空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累(jli)在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。第35页/共67页第三十六页，共67页。为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近(kojn)PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。P+-N这样所产生的电容(dinrng)就是扩散电容(dinrng)CD。第36页/共67页第三十七页，共67页。CB在正向和反向(fn xin)偏置时均不能忽略。而反向(fn xin)偏置时，载流子很少，扩散电容可忽略。PN结高频(o pn)小信号时的等效电路：势垒电容(dinrng)和扩散电容(dinrng)的综合效应rd第37页/共67页第三十八页，共67页。例：二极管的应用(yngyng)：RRLuiuRuotttuiuRuo第38页/共67页第三十九页，共67页。3 特殊(tsh)二极管3.1 稳压(wn y)二极管UIUZIZIZmaxUZIZ稳压(wn y)误差曲线越陡，电压越稳定。+-第39页/共67页第四十页，共67页。稳压(wn y)二极管的参数（1）稳定(wndng)电压 UZ（2）电压温度系数U（%/）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态(dngti)电阻ZZIUZr 第40页/共67页第四十一页，共67页。（4）稳定(wndng)电流IZ、最大、最小稳定(wndng)电流Izmax、 Izmian。（5）最大允许(ynx)功耗maxZZZMIUP 第41页/共67页第四十二页，共67页。3.2 光电二极管反向(fn xin)电流随光照强度的增加而上升。IV照度增加第42页/共67页第四十三页，共67页。3.3 发光(f un)二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以(ky)发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。第43页/共67页第四十四页，共67页。4 半导体三极管4.1 基本(jbn)结构BECNNP基极(j j)发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型第44页/共67页第四十五页，共67页。BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂(chn z)浓度低集电区：面积(min j)较大发射区：掺杂浓度(nngd)较高结构特点：第45页/共67页第四十六页，共67页。BECNNP基极发射极集电极发射结集电结第46页/共67页第四十七页，共67页。4.2 电流(dinli)放大原理BECNNPEBRBEc发射结正偏，发射区电子不断(bdun)向基区扩散，形成发射极电流IE。IE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE1进入P区的电子少部分与基区的空穴复合(fh)，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。第47页/共67页第四十八页，共67页。BECNNPEBRBEcIE集电结反偏，有少子形成(xngchng)的反向电流ICBO。ICBO从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集(shuj)，形成ICE。IC=ICE+ICBOICEIBE2ICE第48页/共67页第四十九页，共67页。IB=IBE-ICBOIBEIB3BECNNPEBRBEcIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE第49页/共67页第五十页，共67页。4ICE与IBE之比称为电流放大(fngd)倍数要使三极管能放大(fngd)电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。BCCBOBCBOCBECEIIIIIIII 第50页/共67页第五十一页，共67页。BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管第51页/共67页第五十二页，共67页。4.3 特性(txng)曲线ICmAAVVUCEUBERBIBECEB 实验(shyn)线路第52页/共67页第五十三页，共67页。（1）输入(shr)特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V 死区电压(diny)，硅管0.5V，锗管0.2V。工作(gngzu)压降： 硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。第53页/共67页第五十四页，共67页。（2）输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域(qy)满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值(shz)时，IC只与IB有关，IC=IB。第54页/共67页第五十五页，共67页。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域(qy)中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。第55页/共67页第五十六页，共67页。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域(qy)中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。第56页/共67页第五十七页，共67页。（3）主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为(chn wi)共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放(lifng)大倍数：BC_II 1.电流(dinli)放大倍数 和 第57页/共67页第五十八页，共67页。工作于动态的三极管，真正(zhnzhng)的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：BIIC 第58页/共67页第五十九页，共67页。例：UCE=6V时：IB=40A, IC=1.5mA； IB=60 A, IC=2.3mA。5 .3704. 05 . 1IIBC_ 4004. 006. 05 . 13 . 2IIBC 在以后的计算中，一般作近似处理：= 第59页/共67页第六十页，共67页。2.集-基极反向截止(jizh)电流ICBOAICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流(dinli)，受温度的变化影响。第60页/共67页第六十一页，共67页。3.集-射极反向截止(jizh)电流ICEOAICEO第61页/共67页第六十二页，共67页。BECNNPICBOICEO= IBE+ICBO IBEIBEICBO进入(jnr)N区，形成IBE。根据放大关系，由于(yuy)IBE的存在，必有电流 IBE。集电结反偏有ICBO例如(lr)：第62页/共67页第六十三页，共67页。4.集电极最大电流(dinli)ICM集电极电流(dinli)IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流(dinli)即为ICM。所以(suy)集电极电流应为：IC= IB+ICEO而ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。第63页/共67页第六十四页，共67页。5.集-射极反向击穿(j chun)电压当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿(j chun)。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿(j chun)电压U(BR)CEO。第64页/共67页第六十五页，共67页。6.集电极最大允许(ynx)功耗PCM集电极电流(dinli)IC流过三极管，所发出的焦耳热为：PC=ICUCE必定导致(dozh)结温上升，所以PC有限制。PCPCM第65页/共67页第六十六页，共67页。ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全(nqun)工作区第66页/共67页第六十七页，共67页。