第一章-半导体器件

第一章半导体基础与半导体器件§1.1半导体物理基础知识一、半导体的结构特点二、半导体的分类三、PN结本征半导体杂质半导体PN结的形成PN结的单向导电性---本征激发现象P型半导体N型半导体半导体的结构（1）半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的材料称为半导体材料。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。自然界的物体根据其导电能力(电阻率)的不同，可划分为导体、绝缘体和半导体。半导体材料(SemiconductorMaterials)半导体的结构（2）半导体的共价键结构硅晶体的空间排列硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构半导体在常温下几乎不导电{end}本征半导体本征半导体(IntrinsicSemiconductors)化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。本征激发：当外界给半导体施加能量时，一些共价键中的电子会脱离共价键的束缚成为自由电子，而在原来的位置上产生一个空穴(hole)。这种现象称为本征激发。自由电子空穴电子空穴对电子空穴对可参与导电{end}杂质半导体（1）杂质半导体(ExtrinsicSemiconductors)在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。杂质半导体的导电能力比纯净半导体高几十万到几百万倍。如：纯硅中掺入百万分之一的硼，电阻率从大约2×103Ω·m减小到4×10－3Ω·m杂质半导体（2）N型半导体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子(多子），它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子（少子）,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。电子空穴对电子杂质半导体（3）P型半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。空穴电子空穴对{end}PN结的性质——PN结的形成{end}在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡，PN结形成。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区P区N区空间电荷区内电场PN结的性质—PN结的单向导电性（1）当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏(ForwardBias)PN结加正向电压时（Forward-BasedPNJunction)特点：低电阻大的正向扩散电流iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性PN结加正向电压时的导电情况外电场PN结的性质--PN结的单向导电性（2）PN结的伏安特性当外加电压使PN结中P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏(ReverseBais)。PN结加反向电压时(Reverse-BasedPNJunction)特点：高电阻很小的反向漂移电流PN结加反向电压时的导电情况外电场iD/mA1.00.5iD=–IS–0.5–1.00.501.0D/VPN结的性质——PN结的单向导电性（3）PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。{end}一、半导体二极管的结构特点二、半导体二极管的伏安特性正向特性反向特性三、二极管的电路模型四、含二极管电路的分析五、二极管的主要参数六、稳压二极管§1.2半导体二极管半导体二极管(Diode)结构（1）将PN结用外壳封装起来,并加上电极引线就构成了半导体二极管,简称二极管。半导体二极管(Diode)结构（2）二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(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。(a)点接触型二极管的结构示意图半导体二极管结构（3）(3)平面型二极管往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。阴极引线阳极引线PNN+型支持衬底(4)二极管的符号(d)符号k阴极阳极a{end}二极管的伏安特性（1）其中：iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性iD/mA1.00.5iD=–IS–0.5–1.00.501.0D/V)1(/SDDTVveIiIS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）V026.0qkTVTmV26+iDvD-R二极管的伏安特性曲线可用下式表示Current-VoltageRelationship二极管的伏安特性（2）当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。iDOVBRD热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆二极管的伏安特性（3）0D/V0.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mA死区VthVBR硅二极管2CP10的V-I特性0D/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA②①③VthVBR锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性实际二极管器件的几个典型值：死区电压：硅管0.5V左右、锗管0.2V左右导通压降：硅管0.7V左右、锗管0.3V左右反向饱和电流：硅管几uA、锗管几十uA{end}二极管的模型1.理想模型3.折线模型2.恒压降模型特点：死区电压=0正向导通压降=0反向饱和电流=0特点：正向导通压降=死区电压=0.7V或0.3V反向饱和电流=0特点：正向导通压降=死区电压=0.5V或0.2V反向饱和电流=0{end}二极管电路分析举例（1）含二极管电路的分析方法确定二极管的工作状态根据工作状态用不同的模型代替二极管在等效后的线性电路中作相应的分析若二极管工作在截止状态则可等效为断开的开关若二极管工作在导通状态则可等效为导通的开关UONID或电压为UON的电压源二极管电路分析举例（2）如何判断二极管的工作状态？步骤1、假设二极管截止，即将二极管断开。2、计算二极管两端的电压UD=V阳-V阴3、判断：若UD0，则二极管工作于导通状态若UD0，则二极管工作于截止状态二极管电路分析举例（3）例：图示电路中，分析当UA与UB分别为0与3V的不同组合时，二极管D1、D2的状态，并求U0的值。解：（1）当UA=UB=0时设D1、D2截止，则等效电路为UD1UD2D1D2U0R5VUAUBD1D2U0R5V由电路，有UD1=0-（-5）=50UD2=0-（-5）=50则D1、D2处于导通状态，电路可等效为所以，U0=0D1D2U0R5V二极管电路分析举例（4）（2）当UA=UB=3V时设D1、D2截止，则等效电路为由电路，有UD1=3-（-5）=80UD2=3-（-5）=80则D1、D2处于导通状态，电路可等效为所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3V3VD1D2U0R5V3V3V二极管电路分析举例（5）（3）当UA=3V，UB=0时设D1、D2截止，则等效电路为由电路，有UD1=3-（-5）=80UD2=0-（-5）=50则D1、D2处于导通状态，电路可等效为所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3VD1D2U0R5V3V出现矛盾！即D1、D2不可能同时导通！！合理的情况是：D1导通，D2截止。D1D2U0R5V3V二极管电路分析举例（6）（4）当UA=0，UB=3V时所以，U0=3V同理可得：D1截止，D2导通。D1D2U0R5V3V{end}UAUBD1D2U0R5V综上所述：当UA、UB中有一个为3V时，输出UO为3V“或”逻辑二极管的主要参数(1)最大整流电流IF：长时间工作时允许通过的最大正向平均电流。超过允许值，PN结过热二极管损坏(2)最大反向工作电压VRM：保证二极管不击穿的反向峰值电流。一般为反向击穿电压的二分之一到三分之一。(3)反向饱和电流IR越大说明二极管性能越差。(4)最高工作频率fM0D/V0.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mA死区VthVBRIFVRMIR{end}稳压二极管（ZenerDiode)---伏安特性(a)符号(b)伏安特性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。稳压二极管---稳压二极管主要参数(1)稳定电压VZ(2)动态电阻rZ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。rZ=VZ/IZ(4)最大耗散功率PZM(3)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin稳压二极管---稳压电路分析(1)+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ正常稳压时VO=VZ#稳压条件是什么？IZmin≤IZ≤IZmax#不加R可以吗？RLIoIRVoIzIRVo稳压二极管---稳压电路分析(2)+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ#上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ，VO的波形是怎样的？例:VZ=6V,IZmax=25mA,IZmin=5mA,输入电压VI=10V,负载电阻RL=600Ω.求解限流电阻R的取值范围。解：OZRIIImAARVILZO1001.06006mAIZ25~5mAIR35~1511435610minR26715610maxR{end}R的取值范围为114Ω~267Ω一、半导体三极管的结构特点三、半导体三极管的伏安特性输入伏安特性输出伏安特性二、三极管的电流放大原理四、三极管的主要参数§1.3半导体三极管半导体三极管(Transistor)的结构(1)N型硅PNNPN型三极管的结构与符号c集电极Collector发射极Emittereb基极Base集电区基区发射区发射结E结集电结C结cBeC结E结NPNecb半导体三极管又称双极型晶体管,它的基本组成部分是两个靠得很近且背对背排列的PN结。根据排列方式不同，可分为NPN和PNP两种类型。结构特点发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度基区宽度很小(μm数量级)集电结面积大于发射结cbeC结E结PNPecbPNP型三极管的结构与符号半导体三极管(Transistor)的结构(2){end}用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论。电流分配和放大原理外部条件：发射结加正向电压；集电结加反向电压。UBE0,UBC0,UBC=UBE-UCE,UBEUCERBEC++__EBEBCNNP电流分配和放大原理发射结正偏扩散强E区多子（自由电子）到B区B区多子（空穴）到E区穿过发射结的电流主要是电子流形成发射极电流IEIE是由扩散运动形成的1发射区向基区扩散电子，形成发射极电流IE。RBEC++__EBEBCNNP电流分配和放大原理2电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流IBE区电子到基区B后，有两种运动扩散IEC复合IEB同时基区中的电子被EB拉走形成IBIEB=IB时达到动态平衡形成稳定的基极电流IBIB是由复合运动形成的RBEC++__EBEBC电流分配和放大原理3集电极收集电子，形成集电极电流IC集电结反偏阻碍C区中的多子（自由电子）扩散，同时收集E区扩散过来的电子有助于少子的漂移运动，有反向饱和电流ICBO形成集电极电流ICRBEC++__EBEBCRbUBBNPNINBIPEINE