常用半導體器件

常用半導體器件第一頁，共41頁。一.半導體基礎知識本征半導體雜質(zhì)半導體PN結(jié)重點：兩種載流子溫度的影響PN結(jié)及其單向?qū)щ娦缘诙?，?1頁。1.本征半導體1.1什么是半導體？什么是本征半導體？導電性介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體。導體：鐵、銅等金屬元素或低價元素，其最外層電子較少，在外電場作用下容易定向移動，形成電流。絕緣體：惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導電。半導體：硅（Si）、鍺（Ge），均為四價元素，原子最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。本征半導體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導體。無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)關鍵看需要的外加電場強度第三頁，共41頁。1.2本征半導體的結(jié)構(gòu)（1）將硅或鍺提純形成單晶體，其原子結(jié)構(gòu)為共價鍵結(jié)構(gòu)。價電子被緊緊束縛在共價鍵中，非常穩(wěn)定，因此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。共價鍵價電子第四頁，共41頁。1.2本征半導體的結(jié)構(gòu)（2）自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。自由電子與空穴成對出現(xiàn)，且溫度一定時其濃度也一定。溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子-空穴對的濃度增大。由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子，稱為本征激發(fā)自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中出現(xiàn)一個空位置，稱為空穴動態(tài)平衡第五頁，共41頁。1.3本征半導體中的兩種載流子

運載電荷的粒子稱為載流子。

自由電子帶負電，空穴帶正電。

外加電場時，帶負電的自由電子

和帶正電的空穴均參與導電，且

運動方向相反。

溫度升高，載流子濃度增加，導

電性增強。

載流子數(shù)目總體少，導電性差。為什么要將半導體變成導電性很差的本征半導體？兩種載流子絕對零度不導電第六頁，共41頁。2.雜質(zhì)半導體2.1N型半導體

自由電子多于空穴，稱自由電子

為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流

子。N對應于自由電子的負電。

雜質(zhì)半導體主要靠多數(shù)載流子導

電，摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越

高，導電性越強，實現(xiàn)導電性可

控。

空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)量多了還

是少了？多數(shù)載流子少數(shù)載流子施主原子磷P第七頁，共41頁。2.2P型半導體

空位不帶電，空穴帶正電。 P型半導體主要靠空穴導電，摻

入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導

電性越強。P對應空穴的正電。

溫度變化時，載流子數(shù)目變化

嗎？少子與多子濃度的變化相同

嗎？少子與多子濃度的相對變化

相同嗎？

少數(shù)載流子數(shù)量雖然少，但由于

其相對變化大，因此是影響半導

體器件溫度穩(wěn)定性的主要因素。 N型和P型半導體均不帶電！硼B(yǎng)多數(shù)載流子少數(shù)載流子受主原子空穴空位第八頁，共41頁。3.PN結(jié)3.1PN結(jié)的形成（1）物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動，得到擴散電流。擴散運動使接觸面附近產(chǎn)生復合的概率大增。使接觸面P區(qū)空穴濃度降低；使接觸面N區(qū)自由電子濃度降低。擴散運動P區(qū)空穴濃度遠高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠高于P區(qū)。空穴自由電子正離子負離子P區(qū)N區(qū)第九頁，共41頁。3.1PN結(jié)的形成（2）交界處不能移動的正、負離子濃度高于載流子濃度，形成內(nèi)電場，方向由N區(qū)到P區(qū)。內(nèi)電場作用產(chǎn)生的載流子運動稱為漂移運動，得到漂移電流?？臻g電荷區(qū)（耗盡層）P區(qū)N區(qū)電場方向漂移運動參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。第十頁，共41頁。3.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓：將P/N區(qū)的空穴/自由電子推入耗盡層，耗盡層變窄，削弱內(nèi)電場，加劇擴散運動，形成擴散電流，PN結(jié)處于導通狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓：將P/N區(qū)的空穴/自由電子吸走，耗盡層變寬，增強內(nèi)電場，阻止擴散運動，有利漂移運動，形成漂移電流。電流小，近似為截止。PN結(jié)加正向電壓導通PN結(jié)加反向電壓截止第十一頁，共41頁。小結(jié)：PN結(jié)的形成擴散交界處的濃度差P區(qū)的一些空穴向N區(qū)擴散N區(qū)的一些電子向P區(qū)擴散P區(qū)耗盡層留下帶負電的受主離子N區(qū)耗盡層留下帶正電的施主離子內(nèi)電場漂移電流擴散電流PN結(jié)動態(tài)平衡第十二頁，共41頁。

第十三頁，共41頁。

第十四頁，共41頁。小結(jié)擴散運動和漂移運動既互相聯(lián)系又互相矛盾。漂移運動強度等于擴散運動時，PN結(jié)形成且處于動態(tài)平衡狀態(tài)，PN結(jié)沒有電流通過。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕赫驅(qū)ǎ聪蚪刂?。當PN結(jié)正向偏置時，正向擴散電流遠大于漂移電流，在回路中產(chǎn)生一個較大的正向電流，PN結(jié)處于導通狀態(tài)。當PN結(jié)反向偏置時，回路中僅有很小的反向電流，處于截止狀態(tài)。第十五頁，共41頁。第1節(jié)問題為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制成本征半導體，導電性能極差，又將其摻雜，改善導電性能？PN結(jié)正向?qū)〞r，外電場對多子的作用為促進擴散運動還是促進漂移運動？為什么半導體器件的溫度穩(wěn)定性差？多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？第十六頁，共41頁。二.半導體二極管二極管的組成二極管的伏安特性二極管的等效電路二極管的主要參數(shù)穩(wěn)壓二極管重點：二極管的等效電路微變與疊加原理穩(wěn)壓二極管的應用第十七頁，共41頁。1.二極管的組成將PN結(jié)進行封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管點接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，允許電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，允許電流大，最高工作頻率低。平面型：結(jié)面積可大可小。第十八頁，共41頁。2.二極管的伏安特性

開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓

材料開啟電壓導通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA第十九頁，共41頁。

正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線結(jié)論：溫度升高，正向特性左移，反向特性下移，即相同電壓下的電流增大。第二十頁，共41頁。3.二極管的等效電路3.1折線化模型

第二十一頁，共41頁。

直流電流

第二十二頁，共41頁。

第二十三頁，共41頁。4.二極管的主要參數(shù)

第二十四頁，共41頁。5.穩(wěn)壓二極管

進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流第二十五頁，共41頁。小結(jié)二極管的等效模型理想開關模型：正偏導通，電壓為零；反偏截止，電流為零。恒壓降模型：正偏一定程度導通，電壓為0.7V（硅）或0.3V（鍺）；反偏截止，電流為零；最常用模型。電阻模型：帶內(nèi)阻恒壓源。微變等效模型：交、直流混合。溫度對二極管特性的影響溫度升高，電流變大，單向?qū)щ娦宰儾罘€(wěn)壓二極管工作區(qū)域：反向擊穿區(qū)。參數(shù)：穩(wěn)定電壓、電流。第二十六頁，共41頁。

第二十七頁，共41頁。

第二十八頁，共41頁。三.晶體三極管晶體管的結(jié)構(gòu)和符號晶體管的電流放大作用晶體管的輸入特性和輸出特性溫度對晶體管特性的影響晶體管的主要參數(shù)重點：全部！第二十九頁，共41頁。1.晶體管的結(jié)構(gòu)和符號多子濃度高摻雜低，而且很薄面積大晶體管用T表示，有三個極、三個區(qū)、兩個PN結(jié)。小功率管中功率管大功率管為什么有孔？第三十頁，共41頁。2.晶體管的電流放大作用（NPN）

少子漂移：反向飽和電流發(fā)射區(qū)多子濃度高，PN結(jié)正偏時大量電子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)基區(qū)薄且多子濃度低，極少數(shù)擴散到基區(qū)的電子與空穴復合集電區(qū)面積大，外電場作用下大部分擴散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴散第三十一頁，共41頁。

第三十二頁，共41頁。3.晶體管的輸入特性和輸出特性

第三十三頁，共41頁。

飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)

第三十四頁，共41頁。3.3晶體管的三個工作區(qū)域如果是PNP型晶體管，那么處于各個狀態(tài)的條件完全相反。狀態(tài)截止放大飽和第三十五頁，共41頁。4.溫度對晶體管特性的影響

第三十六頁，共41頁。5.晶體管的主要參數(shù)

最大集電極耗散功率