第一章半导体器件基础

模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约1第一章半导体器件基础第一节半导体基础知识一、本征半导体1、半导体概念半导体：其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。本征半导体：完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体。2、本征半导体的晶体结构在本征半导体中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵（晶格）。由于原子间相距很近，价电子不仅受到自身原子核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价电子为相邻原子共有，从而形成共价键。3、本征半导体中的两种载流子的产生在热力学温度零度时，共价键的电子受到原子核的吸引，不能自由移动，此时半导体不导电。随着温度的上升，共价键内电子因热激发而获得能量，其中能量较高的电子挣脱共价键的束缚，成为自由电子。同时，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱，其中空穴可看成带正电的载流子。4、本征半导体中载流子的浓度（1）、相关概念：本征激发：本征半导体中成对产生自由电子和空穴的现象。复合：自由电子填入空穴，并释放出能量的过程。（2）、载流子浓度的动态平衡：在本征半导体中，由于本征激发不断产生电子、空穴对，使载流子浓度增加。同时，又由于正负电荷相吸引，自由电子和空穴复合。在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生和复合最终达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度保持一定。模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约2二、杂质半导体1、N型半导体(Negative)在硅（或锗）的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。本征半导体掺入5价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。自由电子浓度远大于空穴的浓度，所以电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)，5价杂质原子称为施主原子。2、P型半导体（Positive）在硅（或锗）的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等。杂质原子代替了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，于是自然会出现空穴。P型半导体中，空穴浓度多于电子浓度，空穴为多数载流子，电子为少数载流子，3价杂质原子称为受主原子。3、说明：a、掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。b、杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。c、杂质半导体的表示方法如下图所示。三、PN结在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。1、PN结中载流子的运动P区一侧多子是空穴，N区一侧多子是自由电子，所以在它们的交界面处存在空穴和电子的浓度差，由此而引起的多数载流子的运动，称为扩散运动。实际上，N区中的自由电子向P区移动，这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。结果再界面的两侧形成了由正负离子组成的空间电荷区，同时产生一个内电场。模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约32、扩散与漂移的动态平衡在内电场的作用下少数载流子的运动称为漂移运动。随着扩散运动的不断增强，界面两侧显露的正、负离子逐渐增多，空间电荷区展宽，内电场不断增强，漂移运动随之增强。当扩散力被电场力抵消时，扩散和漂移运动达到动态平衡，通过界面的净载流子数为零。平衡时，空间电荷区的宽度一定，由于空间电荷区没有载流子，所以空间电荷区又称耗尽区（层）。又因为内电场对扩散有阻挡作用，所以又称空间电荷区为阻挡区或势垒区。3、PN结的单向导电性PN结外加正向电压时处于导通状态，又称正向偏置，简称正偏。在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。PN结外加反向电压时处于截止状态(反偏)。反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽，不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流I。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。4、PN结的电流方程PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为：SI:反向饱和电流TU:温度的电压当量5、PN结的伏安特性：i=f(u)之间的关系曲线（1）、正向特性：正向电压只有超过某一数值时，才有明显的正向电流。这一电压称为导通电压或死区电压，用onU。（2）、反向特性：二极管加反向电压会产生反向电流SI。当反向电压太大，电流会突然增加，这一现象称为二极管的反向击穿。）1-e(TUusIi模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约46、PN结的电容效应当PN结上的电压发生变化时，PN结中储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。电容效应包括两部分：势垒电容和扩散电容。1、势垒电容bC势垒电容是由PN结的空间电荷区变化形成的，其大小可用下式表示：lSdUdQCb：半导体材料的介电比系数；S：结面积；l：耗尽层宽度。由于PN结的宽度l随外加电压u而变化，因此势垒电容不是一个常数。Cb=f(U)曲线如图示。2、扩散电容dC扩散电容是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在某个正向电压下，P区中的电子浓度pn分布曲线如图中曲线1所示。当电压加大，pn会升高，如曲线2所示。正向电压变化时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程。当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。PN结总的结电容jC包括势垒电容bC和扩散电容dC两部分。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为djCC；当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为bjCC。bC和dC值都很小，通常为几个皮法至几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约5第二节半导体二极管一、二极管的结构和符号在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管，二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型。（1）、点接触型二极管：PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。（2）、面接触型二极管：PN结面积大，用于工频大电流整流电路。（3）、平面型二极管：往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。（4）、二极管的代表符号二、二极管的伏安特性和主要参数1、二极管的伏安特性与温度的影响二极管的伏安特性与PN结的伏安特性相同，温度对二极管的影响如图。正向电流主要是扩散电流，温度对它的影响不大。温度升高时，特性曲线向左稍稍移动；二极管截止时，反向的漏电流主要是少子漂移电流，与温度关系较大，温度升高时，曲线向下移动。模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约62、二极管的主要参数（1）、最大整流电流FI：它是二极管允许通过的最大正向平均电流，此值取决于PN结的面积、材料和散热等情况。（2）、反向击穿电压BRU和最高反向工作电压RMU:二极管允许的最大反向电压，通常取2BRRMUU。（3）、反向电流RI:二极管未击穿时的反向电流值，此值越小，说明二极管的单向导电性越好。（4）、最高工作频率Mf:它与PN结的电容有关，结电容越大，则允许的最高工作频率越低。三、二极管等效电路1、二极管模型（1）、理想二极管模型：其主要特点是：二极管一旦正偏就导通，电压为零，而流过二极管的正向电流由与之相连的外电路决定。二级管反偏时，反向电流为零。（2）、恒压源模型其主要特点是：二极管导通时，二极管上的电压为onU，流过二极管的导通电流由与之相连的外电路决定。二级管反偏时，反向电流为零。（3）、折线化模型二极管正偏导通后，二极管电压电流呈现线性关系，斜率为dr1，反偏电流为零。dr为微变电阻。二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约7四、稳压管利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。(1)稳定电压UZ在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。动态电阻rZ最大耗散功率PZM最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约8第三节晶体三极管双极型晶体管（BipolarJunctionTransisto）又称半导体三极管、晶体三极管，或简称晶体管。三极管有两种类型：NPN型和PNP型。下面主要以NPN型为例进行讨论。一、晶体管的结构及类型1、晶体管的结构及符号如图所示图中，箭头总在发射极上，总是由P指向N；箭头的方向就是晶体管工作时实际电流的方向。2、晶体管电流放大作用的结构要求内部结构要求：（1）、发射区高掺杂。（2）、基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。（3）、集电结面积大。外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。二、晶体管内部载流子的运动1、发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区，形成发射极电流EI(基区多子数目较少，空穴电流EpI可忽略)。2、扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动，形成基极电流电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流BnI，复合掉的空穴由BBV补充。多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。3、集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流CI集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流CnI，其能量来自外接电源CCV。另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流CBOI。模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约9三、晶体管的电流分配关系CBOCIIICnCBOBnEpBIIIInnEpCBEIIIICBEIII当晶体管中加入交流电时：BBCiii)1(iE其中为电流放大系数，它与晶体管的内部工艺结构密切相关；Ci是某一时刻集电极总电流，它可以分解成不变的直流分量CI和随时间变化的交流分量ci。四、晶体管的共射特性曲线1、输入特性曲线晶体管的输入特性曲线是当CEu为常量时，晶体管基极电流Bi与基极和发射极之间电压BEu的关系：常量CEuBEBufi|)(（1）、当0CEu时，BEBCuu，此时晶体管中两个PN结（发射结和集电结）都正偏，相当于两个并接在一起的二极管。（2）、当VuCE1，且0BECECBuuu时，发射结正偏，集电极反偏，集电区开始收集电子，基区复合减少。输入特性曲线与0CEu时的曲线相比，有所右移，且不同CEu的曲线基本重合。模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约102、输出特性曲线输出特性曲线是在基极电流Bi一定的情况下，集电极输出电流Ci与集电极到发射极之间的电压CEu的关系：常量BiCECufi|)(晶体管输出特性的三个工作区:（1）、截止区。在0BI曲线的下方区域，发射结和集电结均处于反向偏置，晶体管各电极间只有数值很小的反向电流。（2）、放大区：在0BI曲线上方，并且当Bi一定时，Ci基本不随CEu变化的区域。此时，发射结正偏，集电结反偏。（3）、饱和区：Ci明显受CEu控制的区域。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。通常把BECEuu，即集电结零偏称为临界饱和。当BECEuu时（即0CBu），晶体管进入饱和区。在饱和区Ci与Bi不成正比。五、晶体管的主要参数1、直流参数（1）、共发射极直流电流放大系数（或FEh）：在晶体管作共发射极连接时，集电极直流工作电流CI与对应的基极电流BI之比。BCBnECnCBOBCBOCIIIIIIIIIp（2）、共基极直流电流放大系数：在晶体管作共基极连接时，（即发射极作为输入端、集电极作为输出端，基极作为输入、输出回路公共端），集电极电流CI与发射极直流电流EI之比。ECII（3）、极间反向电流CBOI和CEOI：CBOI为发射极开路时，集电极-发射极间的反向电流；CE