半导体器件基础

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,半导体器件根底,半导体根本学问,半导体二极管,半导体三极管,一、半导体根本学问,半导体定义,在物理学中，依据材料的导电力量，可以将它们划分为导体、绝缘体和半导体。,导体很简洁传导电流的物质；如金属铜、铝等。,绝缘体不简洁传导电流的物质；如陶瓷、橡胶等。,半导体导电性能介于导体和绝缘体之间的物质；如锗、硅、硒及很多金属氧化物和硫化物等。,半导体的特性,1、在受到光和热的刺激时，导电性能将发生显著的变化。,2、在纯洁的半导体中参加微量的杂质，其导电性能会显著的增加。,最常用的半导体是锗Ge)和硅(Si)，并且被制作成晶体。它们都是4价元素。,束缚电子,在确定温度T=0K时，全部的价电子都被紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电力量很弱，接近绝缘体。,制造半导体器件的半导体材料的纯度要到达99.9999999%，常称为“9个9”，现在随着集成规模的提高，纯度到达“13个9”。,本征半导体化学成分纯洁的半导体晶体。,半导体为什么会导电？,这一现象称为,本征激发,，,也称,热激发,。,当温度上升或受到光的照射时，束缚电子获得能量，有的电子可以摆脱共价键的束缚，成为自由电子。同时，在其原来的共价键中就消失了一个空位，称为空穴。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子和空穴总是成对消失的，外加能量越大，本征半导体中产生的电子空穴对越多。,常温300K时：,电子空穴对的浓度,硅：,锗：,在本征激发的过程中，还存在一种相反的现象：复合即其它的电子可能会转移到这个空位上。,在肯定温度下，本征激发和复合同时进展，到达动态平衡时，电子空穴对的浓度肯定。,硅晶体导电性能的温度稳定性比锗晶体好。,结论：,本征半导体的导电性取决于外加能量：,温度变化，导电性变化；,光照变化，导电性变化。,空穴的消失是半导体区分于导体的一个重要特点。所以，半导体在导电时，形成电流的自由电荷载流子有两种：自由电子和空穴。,自由电子 带负电荷 电子流,总电流,载流子,空穴 带正电荷 空穴流,多余电子,磷原子,硅原子,N型半导体,【Negative电子】,在锗或硅晶体内掺入少量五价元素杂质，如磷；这样在晶体中就有了多余的,自由电子,。,多数载流子自由电子,少数载流子空穴,N型半导体主要是电子导电。,N型半导体和P型半导体,P型半导体,【,Positive空穴,】,在锗或硅晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼；这样在晶体中有了多余的,空穴,。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子空穴,少数载流子自由电子,P型半导体主要是空穴导电。,PN结及其特性,PN结是构成各种半导体器件的根底，PN结的作用使半导体获得广泛应用。,把一块P型半导体和一块N型半导体连接在一起，在它们的结合处就会形成一个特殊的接触面称为PN结。,内电场E,因多子浓度差,形成内电场,多子的集中,空间电荷区,阻挡多子集中，促使少子漂移。,PN结合,空间电荷区,多子集中电流,少子漂移电流,PN结的形成,随着,扩散运动,的进行，,空间电荷区的宽度将,逐渐增大,；,随着,漂移运动,的进行，,空间电荷区的宽度将,逐渐减小,。,到达平衡时，,扩散电流漂移电流,PN结中总电流0,空间电荷区的宽度也到达稳定形成PN结,PN结的单向导电特性：,加正向电压正偏P区接电源正极，N区接电源负极，则电源产生的外电场与PN结的内电场方向相反，内电场被减弱，PN结变窄，表现为很小的电阻，形成较大正向电流多数载流子形成的集中电流，PN结处于正向导通状态。,加反向电压(反偏)N区接电源正极，P区接电源负极，则电源产生的外电场与PN结的内电场方向一样，增加了内电场，PN结变宽，表现为很大的电阻，有较小的反向电流少数载流子形成的漂移电流，PN结处于反向截止状态。,P,N,在肯定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是肯定的，故IR根本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,注：当反向电压增大到肯定程度，反向电流会突然增大，PN结被电击穿，失去单向导电性。假设没有适当的限流措施，PN结会被热烧毁。,综上所述,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向集中电流，PN结导通相当开关闭合；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，PN结截止相当开关断开。,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性开关特性。,小结,1半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间。半导体具有热敏、光敏、杂敏等特性。常用的半导体材料是硅和锗，并被制作成晶体。,2、半导体导电时有两种载流子自由电子和空穴参与形成电流。在纯洁的半导体中掺入不同的微量杂质，可以得到N型半导体电子型和P型半导体空穴型。,3、P型半导体和N型半导体相连接在结合处形成PN结，PN结的根本特性是具有单向导电性。,二、,半导体二极管及其特性,半导体二极管，也叫晶体二极管。它由一个PN构造成，具有单向导电性，是整流电路的核心器件。,几种常见二极管的外形,二极管的构造及电路符号,二极管=PN结+管壳+引线,1、正向导通特性：,正向电压到达肯定程度硅二极管为0.6V,锗二极管为0.2V，二极管导通，正向电流增加很快，导通时正向电压有一个很小的变化，就会引起正向电流很大的变化，两引脚之间的电阻很小，相当于开关接通。,二极管在电路中受外加电压掌握共有两种工作状态：正向导通和反向截止。,二极管的特性单向导电性,2、反向截止特性：,给二极管加反向电压，则处于截止状态，二极管两引脚之间的电阻很大，反向电流很小，相当于开关断开。,当反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小根本保持不变，所以通常把反向电流又称为反向饱和电流，但反向电流会随温度的上升而增长很快。,硅二极管的反向电流只有锗二极管的几特别之一或几百分之一，所以硅管的温度稳定性比锗管好。,3、二极管反向击穿：,当所加的反向电压增大到肯定数值时，反向电流快速增大，这种现象称为反向击穿，二极管失去单向导电性，发生击穿时的反向电压叫反向击穿电压。此时假设没有适当的限流措施，因电流过大会使二极管过热而被烧毁。,因此二极管工作时，要求承受的反向电压应小于其反向击穿电压的一半。,按材料分：,可分为,硅二极管,和,锗二极管,。硅二极管的正向压降约为0.6V，正、反向电阻比锗二极管大，反向电流比锗二极管小。锗二极管的正向压降约为0.2V。,按用途分：,整流二极管、稳压二极管、光电二极管、变容二极管、发光二极管、开关二极管等。,二极管的种类,稳压管的一种实物图,黑头一侧为负极,电路符号,稳压管工作在反向击穿区,几种一般发光二极管实物图,长脚为正极,大头为负极,电路符号,二极管的使用,1、接入电路前，必需判别二极管的极性、质量的好坏，然后正确的接入电路中。,2、识别二极管的型号，留意二极管的正向电流和反向电压峰值不能超过所允许的标准值。,3、安装二极管时，应尽量远离发热器件。大功率的二极管应加装散热器。,4、不同用途之间的二极管不宜代用，硅二极管和锗二极管之间也不能代用。,小结,二极管是由一个PN构造成的，具有单向导电性开关特性，不同类型的二极管具有不同的功能和用途。,三、半导体三极管及其特性,半导体三极管，也叫晶体三极管由两个PN结组成，具有放大作用，是放大电路的核心器件，由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，三极管还被称为双极型晶体管简称BJT。,几种常见三极管的实物外形,大功率三极管,功率三极管,一般塑封三极管,三极管的分类,按频率分,高频管,低频管,按功率分,大功率管,中功率管,小功率管,按半导,体材料分,硅管,锗管,按结构,不同分,NPN,型,PNP,型,NPN型,放射区,集电区,基区,放射结,集电结,e,【Emitter】,c,【Collector】,b,放射极,集电极,基极,N,N,P,【Base】,电路,符号:,三极管的构造,箭头方向：由P区N区,通过三极管正向电流的方向,发射区,集电区,基区,发射结,集电结,e,c,b,发射极,集电极,基极,P,P,N,电路,符号:,箭头方向：由P区N区,通过三极管正向电流的方向,PNP型,【Emitter】,【Collector】,【Base】,构造特点：,放射区的掺杂浓度最高；,集电区掺杂浓度低于放射区，且面积大；,基区的掺杂浓度最低且很薄，一般在几个微米至几十个微米。,管芯结构剖面图,三极管的特性,通过掌握基极电流，能使三极管分别处于放大、截止和饱和三种工作状态。,1、三极管的放大作用,三极管的放大作用是在肯定的外部条件掌握下，通过内部载流子的传输表达出来。,外部条件：放射结正偏，集电结反偏。,放射区的多数载流子自由电子不断通过放射结集中到基区，形成放射极电流e,电子在基区集中与复合形成基极电流b，由于基区很薄，且空穴浓度很低，b很小。,电子被集电极收集形成集电极电流c,三极管内部载流子的传输过程,放射区：放射载流子,集电区：收集载流子,基区：传送和掌握载流子,I,C,I,B,I,E,I,E,=I,C,+I,B,I,B,I,C,集电极与基极电流的关系为：,共射电流放大倍数,三极管的电流放大作用,三极管三个极上的电流安排关系:,的值远大于1，通常在20200范围内，只与管子的构造有关，与外加电压无关。,放大是最根本的模拟信号处理功能,放大是指把微小的、微弱的电信号不失真的进展放大，实现能量的掌握和转换。,不失真就是,一个微弱的电信号通过放大器后，输出电压或电流的幅度得到了放大，但它随时间变化的规律不能变,。,放大电路是模拟电路中最主要的电路,三极管是组成放大电路的核心元件。,具有放大特性的电子设备：收音机、电视机、手机、扩音器等等。,利用三极管组成的放大电路，最常用的接法是：基极作为信号的输入端，集电极作为输出端，放射极作为输入回路、输出回路的共同端共放射极接法,调整偏流电阻RP的阻值，使三极管处于放大状态。此时，假设在基极加上一个较小的电信号，集电极就能通过一个放大了的电信号。放大所需的能量来自外加直流电源。,放大工作状态,2、三极管的开关特性,调整偏流电阻RP的阻值，使基极的电流为零或很小时，三极管的两个PN结都处于反向偏置，集电极中没有电流通过，三极管处于截止状态，集电极与放射极之间电阻很大，相当开关断开。,截止工作状态,c,b,e,调整偏流电阻RP的阻值，使基极电流充分大时，集电极电流也随之变得特别大，三极管的两个PN结则都处于正向偏置。集电极与放射极之间的电压很小，小到肯定程度会减弱集电极收集电子的力量，这时b再增大，c也不能相应地增大了，三极管处于饱和状态，集电极和放射极之间电阻很小，相当开关接通。,饱和工作状态,小 结,三极管是由两个PN构造成的，有NPN和PNP两种类型。,通过掌握基极电流，能使三极管分别处于放大、截止和饱和三种工作状态，具有放大作用和开关特性。,三极管的放大作用，其实质是用一个微小电流b掌握较大电流c和e，放大所需的能量来自外加直流电源。使三极管处于放大状态的条件是：,内部条件：放射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。,外部条件：放射结正向偏置，集电结反向偏置。,放大是模拟电路处理信号的主要方式，三极管是放大电路的核心元件。,三极管的开关特性。当掌握b为零或很小时，三极管的两个PN结都处于反向偏置，c和e为零或很小，集电极与放射极之间电阻很大，三极管处于截止状态，相当开关断开。当b很大时，c和e也很大，三极管的两个PN结则都处于正向偏置，b无法掌握c和e，集电极和放射极之间电阻很小，三极管处于饱和状态，相当开关接通。在数字电路中，主要利用三极管的开关特性。,