半导体器件基础知识

第2章半导体器件基础半导体器件是构成各种电路的基础2.1半导体的基本知识半导体的特点①导电能力介于导体与绝缘体之间②受到外界光和热的刺激时,导电能力会有显著变化③在纯净半导体中加入微量元素导电能力会有显著变化2.1半导体的基本知识2.1.1本征半导体本征半导体:纯净的半导体载流子:自由运动的带电粒子共价键:相邻原子共有价电子所形成的束缚硅(锗)的原子结构简化模型惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动本征激发：复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。两种载流子电子(自由电子)空穴(带正电)两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。2.1.2杂质半导体1.N型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子(施主原子)自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数电子数P型+3+4+4+4+4+4硼原子(受主杂质)空穴空穴—多子电子—少子载流子数空穴数2.P型半导体2.1.3PN结及其单向导电性1.PN结(PNJunction)的形成载流子的浓度差引起多子的扩散复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层)空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。内建电场P区N区扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。P区N区内电场外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IFIF=I多子I少子I多子2.PN结的单向导电性(1)外加正向电压(正向偏置)—forwardbias(2)外加反向电压(反向偏置)—reversebiasP区N区内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子02.2.1晶体二极管的结构、符号、类型构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型2.2晶体二极管点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线面接触型N型锗PN结正极引线铝合金小球底座金锑合金正极引线负极引线集成电路中平面型PNP型支持衬底2.2.2晶体二极管的伏安特性1.PN结的伏安特性)1e(/SDDTUuIi反向饱和电流温度的电压当量qkTUT电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT=26mV二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD=0Uth=0.5V0.1V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0UUthUD(on)=(0.60.8)V硅管0.7V(0.20.4)V锗管0.3V反向特性ISU(BR)反向击穿︱U(BR)︱︱U︱0iD=IS0.1A(硅)几十A(锗)︱U︱︱U(BR)︱反向电流急剧增大(反向击穿)反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压6V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(击穿电压6V，正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD/mAuD/ViD/mAuD/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50iD/mAuD/V20C90CT升高时，UD(on)以(22.5)mV/C下降2.电路模型（1）理想模型（开关模型）特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=（2）简化模型（恒压模型）uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.3V(Ge)2.2.3晶体二极管的主要参数1.IF—最大整流电流(最大正向平均电流)2.URM—最高反向工作电压，为U(BR)/23.IR—反向电流(越小单向导电性越好)4.fM—最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO*影响工作频率的原因—PN结的电容效应结论：1.低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类型器件的不同型号用字母代表器件的类型，P代表普通管用字母代表器件的材料，A代表N型GeB代表P型Ge，C代表N型Si，D代表P型Si2代表二极管，3代表三极管2.2.4晶体二极管的温度特性硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降VF(Vd)大约减小2mV，即具有负的温度系数。2.2.6晶体二极管的应用√整流√检波√开关√稳压√限幅√钳位例：ui=2sint(V)，分析二极管的限幅作用。ui0.7VD1、D2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7VD2导通D１截止ui0.7VD1导通D2截止uO=0.7V1.限幅：利用二极管限制输出电压幅度OtuO/V0.7Otui/V20.7练习：已知ui=4sint(V)，二极管为理想二极管，画出uo的波形。2.钳位：利用二极管将信号“钳制”在不同的直流电位utut2.2.6稳压、发光、光电、变容二极管简介伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ/mAuZ/VOUZIZminIZmaxUZIZIZ1、稳压二极管主要参数1）稳定电压UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2）稳定电流IZ越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。3）最大工作电流IZM最大耗散功率PZMPZM=UZIZM4）动态电阻rZrZ=UZ/IZ越小稳压效果越好。几几十符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(12)V符号u/Vi/mAO2特性2、发光二极管LED(LightEmittingDiode)实物照片3.光敏二极管1．符号和特性符号特性uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：反向偏置2.主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片4.变容二极管特点：结电容随反向电压的增加而减少符号应用：高频技术中应用较多C(pF)-V(V)主要参数电学参数：IFM，U(BR)，IR光学参数：峰值波长P，亮度L，光通量发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光点阵LED七段LED,2.3半导体三极管2.3.1BJT的结构及类型2.3.2BJT的电流放大作用2.3.3BJT的特性曲线2.3.4BJT的主要参数2.3.5温度对BJT的特性及参数的影响(SemiconductorTransistor)2.3.1BJT的结构及类型一、结构与符号NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区—集电区emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型ECBECB二、分类按材料分：硅管、锗管按功率分：小功率管500mW按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管大功率管1W中功率管0.51W半导体器件型号与符号的意义（GB-249-74）第二位：A表示锗PNP管、B表示锗NPN管、C表示硅PNP管、D表示硅NPN管第三位：X表示低频小功率管、D表示低频大功率管、G表示高频小功率管、A表示高频小功率管、K表示开关管。场效应器件、半导体特殊器件、复合管、PIN管、激光器件的型号命名只有第三、四、五部分第一部分阿拉伯数字器件的电极数目第二部分汉语拼音字母器件的材料和极性第三部分汉语拼音字母器件的类型第四部分阿拉伯数字序号第五部分汉语拼音字母规格号三、应用开关：硅利用饱和截止状态作为一个可以控制的无触点开关。放大工作在放大状态，用作信号放大。2.3.2晶体三极管的电流分配及放大作用1.三极管处于放大状态的工作条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏2.三极管在电路中的的3种接法uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极3.晶体三极管的电流分配及放大作用1)发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流IE。ICN多数向BC结方向扩散形成ICN。IE少数与空穴复合，形成IBN。IBN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)ICBOIB即：IB=IBN–ICBO2)电子到达基区后(基区空穴运动因浓度低而忽略)ICNIEIBNICBOIB3)集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流ICICIC=ICN+ICBO4.三极管的电流分配关系定义：ECNII＝其值的大小约为0.9～0.99。IE=IC+IBCEOBCIIIBCEIIIBCIIBE)1(IICEOBE)1(III三极管的电流分配关系2.3.3晶体三极管的伏安特性与等效电路1、输入特性输入回路输出回路常数CE)(BEBuufi0CEu若：与二极管特性相似BEuBiO0CEuV1CEu0CEuV1CEu特性基本重合(电流分配关系确定)特性右移(因集电结开始吸引电子)导通电压UBE(on)硅管：(0.60.8)V锗管：(0.20.4)V取0.7V取0.3V2、输出特性常数B)(CECiufiiC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321（1）截止区：IB0IC=ICEO0条件：两个结反偏截止区ICEOiC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321（2）饱和区：uCEuBEuCB=uCEuBE0条件：两个结正偏特点：ICIB临界饱和时：uCE=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(锗管)放大区截止区饱和区ICEOiC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321（3）放大区：CEOBCIII放大区截止区条件：发射结正偏集电结反偏特点：水平、等间隔ICEO补充：判断三极管工作状态的三种方法。发射结集电极截止放大饱和反偏或零偏正偏正偏反偏反偏正偏或零偏1)三极管结偏置的判定方法结偏置工作状态2)三极管电流关系判定法IBICIE截止放大饱和00IBIBS(临界饱和基极电流)0IBIB0IB+IC=(1+)IE(1+)IE各极电流电流关系工作状态CCCESBScVUIR3)三极管电位判定法VBVC截止放大饱和Uon(=0.5)0.70.7VCCVCESVCVCCVCES各位电位工作状态共射电路三极管各极电位(对”地”而言)VB和VC和三极管的工作状态(以NPN管为例)即:VCVBVENPN管VCVBVEPNP管注:多数NPN管由Si材料制成,PN结的导通压降一般为0.6-0.7;多数PNP管由Ge材料制成,PN结的导通压降一般为0.2-0.3;VCES：饱和压降,,对硅管而言,临界饱和时为0.7,,深度饱和时为0.3例：测得量三极管三个电极对地电位如下图所示，试判断三极管的工作状态。放大截止饱和2.3.4晶体三极管的主要参数1、晶体管的主要性能参数（1）共发射极电流放大系数iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246