第一章常用半導(dǎo)體器件.ppt

1、第1章普通半導(dǎo)體器件，1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.2半導(dǎo)體二極管1.3雙極晶體管1.4場效應(yīng)晶體管，本征半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體，與半導(dǎo)體有關(guān)的基本概念，自由電子，空穴，N型半導(dǎo)體，P型半導(dǎo)體，多數(shù)載流子，少數(shù)載流子，施主雜質(zhì)，受主雜質(zhì)，和自然物質(zhì)可根據(jù)其導(dǎo)電性分為導(dǎo)體，半導(dǎo)體和絕緣體。常用的半導(dǎo)體材料是硅和鍺。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間。半導(dǎo)體器件是電子電路的基本元件，其材料是經(jīng)過特殊加工的具有可控性質(zhì)的半導(dǎo)體材料。從導(dǎo)電性的角度來看，半導(dǎo)體既不能很好地傳導(dǎo)電流，也不能可靠地隔離電流。半導(dǎo)體主要有以下重要特性：(1.1)半導(dǎo)體的基本知識，熱敏特性，(2)光敏特性，和(3)摻雜特性。電子元件由半

2、導(dǎo)體材料制成，不是因?yàn)樗膶?dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而是因?yàn)樗膶?dǎo)電性會(huì)隨著溫度、光照或摻雜雜質(zhì)的變化而顯著變化，這就是半導(dǎo)體的熱敏性、光敏性和摻雜特性。例如，純半導(dǎo)體硅，當(dāng)溫度從30升高到40時(shí)，電阻率降低一半；然而，當(dāng)溫度從30上升到100時(shí)，銅的電阻率不到一倍。在另一個(gè)例子中，室溫下純硅的電阻率為2.14105厘米。如果將濃度為百萬分之一的磷原子摻雜到純硅中，硅的純度仍然可以達(dá)到99.9999，但是其電阻率下降到0.2厘米，幾乎是原來的百萬分之一。可以看出，當(dāng)半導(dǎo)體被加熱或摻雜有雜質(zhì)時(shí)，電導(dǎo)率將改變。人們可以利用半導(dǎo)體的熱敏和光敏特性制作各種熱敏元件和光敏元件，利用摻雜特性制作的P結(jié)是

3、各種半導(dǎo)體器件的主要組成部分。本征半導(dǎo)體具有晶體結(jié)構(gòu)的純半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上是單晶。在現(xiàn)代電子學(xué)中，最常用的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子(價(jià)電子)都是四個(gè)。1.本征半導(dǎo)體，本征硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，圖1-1硅和鍺(a)硅的原子結(jié)構(gòu)模型；鍺；(c)原子簡化模型，共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子在共價(jià)鍵中緊密結(jié)合，這稱為結(jié)合電子。常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵而成為自由電子，所以本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性很差，這與環(huán)境溫度密切相關(guān)。半導(dǎo)體材料特性對溫度的敏感性使得制造熱敏和光敏器件成為可能，這也是半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性差的原因。共價(jià)鍵形成后，每個(gè)原子最外層的電子是八個(gè)，形成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)

4、。共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子排列規(guī)則并形成晶體。圖1.1.2電子-空穴對的產(chǎn)生和空穴的運(yùn)動(dòng)，本征半導(dǎo)體中的兩種載流子：自由電子和空穴，空穴共價(jià)鍵中的空位。空穴的運(yùn)動(dòng)是通過相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次填充空穴來實(shí)現(xiàn)的。空穴的定向運(yùn)動(dòng)形成空穴流。本征半導(dǎo)體中的電流是電子電流和空穴電流的總和(而只有自由電子在導(dǎo)體中傳導(dǎo))。固有激發(fā)半導(dǎo)體在熱沖擊下產(chǎn)生自由電子-空穴對。復(fù)合自由電子來填充空穴，同時(shí)使它們消失。在本征半導(dǎo)體中，有兩個(gè)相反的激發(fā)和復(fù)合過程。當(dāng)溫度不變時(shí)，這兩種狀態(tài)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即本征激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對的數(shù)量等于復(fù)合電子-空穴對的數(shù)量。這種狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)(熱平衡)。半導(dǎo)體中自由電子

5、和空穴的數(shù)量分別用ni和pi的濃度(單位體積的載流子數(shù)量)表示。處于熱平衡的本征半導(dǎo)體具有一定的載流子濃度和自由電子濃度雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻雜雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。n型半導(dǎo)體是摻雜有五價(jià)雜質(zhì)元素(如磷)的半導(dǎo)體。(主要載流子是電子和電子半導(dǎo)體)P型半導(dǎo)體是摻雜有三價(jià)雜質(zhì)元素(如硼)的半導(dǎo)體。(主要載流子是空穴和空穴半導(dǎo)體)，(1)N型半導(dǎo)體，因?yàn)槲鍍r(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而額外的價(jià)電子因?yàn)椴皇芄矁r(jià)鍵的束縛而容易形成自由電子。在n型半導(dǎo)體中，自由電子是主要由雜質(zhì)原子提供的多數(shù)載流子；空穴是由熱激發(fā)形成的少數(shù)載流子。氮型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

6、主要取決于自由電子。摻雜的雜質(zhì)越多，多重態(tài)(自由電子)的濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子由于帶正電荷而變成正離子，所以五價(jià)雜質(zhì)原子也被稱為施主原子。圖1.1.3氮型半導(dǎo)體，多余電子，硅原子，磷原子，(2)磷型半導(dǎo)體，因?yàn)槿齼r(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)缺少價(jià)電子，在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。在p型半導(dǎo)體中，空穴是主要通過摻雜形成的多數(shù)載流子；自由電子是由熱激發(fā)形成的少數(shù)載流子。p型半導(dǎo)體主要通過空穴導(dǎo)電。摻雜的雜質(zhì)越多，多重態(tài)(空穴)的濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。雜質(zhì)原子中的空穴很容易捕獲電子，使雜質(zhì)原子變成負(fù)離子。因此，三價(jià)雜質(zhì)原子也稱為受體原子。圖1.1.4 P型半導(dǎo)體、硼原子、硅

7、原子和空穴被認(rèn)為具有一個(gè)單位的正電荷，可以移動(dòng)。對于雜質(zhì)半導(dǎo)體，多重態(tài)的濃度越高，少數(shù)載流子的濃度越低。多形性物質(zhì)的濃度大約等于摻雜物質(zhì)的濃度，因此它幾乎不受溫度的影響；少數(shù)載流子是由本征激發(fā)形成的，因此雖然其濃度很低，但對溫度非常敏感，這將影響半導(dǎo)體器件的性能。摻雜雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大影響。一些典型數(shù)據(jù)如下：上述三種濃度依次相差106/cm3。(3)雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響；(1)PN結(jié)的形成：在同一半導(dǎo)體襯底上制作P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，通過載流子的擴(kuò)散和漂移在它們的界面形成pn結(jié)。1.1.3 PN結(jié)，半導(dǎo)體器件的核心是PN結(jié)。半導(dǎo)體二極管是單個(gè)PN結(jié)；半導(dǎo)體三極管有兩個(gè)PN結(jié)；

8、場效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu)也是PN結(jié)。圖1 . 1 . 5pn結(jié)的形成。在動(dòng)態(tài)平衡中，內(nèi)部電場產(chǎn)生的電位差稱為內(nèi)置電位差Uho。在室溫下，鍺的超高值為0.20.3伏，硅的超高值為0.50.7伏。在本征半導(dǎo)體的兩側(cè)，不同的雜質(zhì)被擴(kuò)散以分別形成氮型半導(dǎo)體和磷型半導(dǎo)體。此時(shí)，將在氮型半導(dǎo)體和磷型半導(dǎo)體的接合表面上形成以下物理過程：由于濃度差，空間電荷區(qū)形成內(nèi)部電場，這促進(jìn)了少數(shù)載流子漂移并防止多載流子擴(kuò)散。最后，多載流子擴(kuò)散和少數(shù)載流子漂移實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)平衡。多重態(tài)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)通過雜質(zhì)離子形成一個(gè)空間電荷區(qū)。第二，PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫驅(qū)ê头聪蚪刂?。圖1.1.6當(dāng)PN結(jié)在直流電壓下導(dǎo)通時(shí)，內(nèi)部電場減弱，使

9、擴(kuò)散加強(qiáng)，擴(kuò)散漂移，正向電流大。圖1.1.7當(dāng)PN結(jié)在反向電壓下關(guān)閉時(shí)，內(nèi)部電場增強(qiáng)并阻止擴(kuò)散進(jìn)行，有少量漂移，反向電流非常小。PN結(jié)加直流電壓時(shí)，電阻低，正向擴(kuò)散電流大。當(dāng)反向電壓施加到PN結(jié)時(shí)，它具有高電阻和小的反向漂移電流?？梢缘贸鼋Y(jié)論，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?.PN j的電流方程V.PN結(jié)的電容效應(yīng)：當(dāng)改變施加到PN結(jié)的電壓時(shí)，PN結(jié)將呈現(xiàn)電容效應(yīng)。(當(dāng)電壓變化時(shí)，有一個(gè)電荷積累和放電的過程。)勢壘電容：相當(dāng)于耗盡層寬度變化的電容。Cb是由空間電荷的積累引起的。在正向偏置中，勢壘電容Cb是主要因素。當(dāng)直流電壓增加時(shí)，PN結(jié)變窄，空間電荷量減少，相當(dāng)于PN結(jié)放電；當(dāng)施加的直流電壓降低時(shí)，

10、PN結(jié)變寬，空間電荷量增加，這相當(dāng)于PN結(jié)充電；變?nèi)荻O管，圖1 . 1 . 12 p區(qū)少數(shù)載流子濃度分布曲線，這在反向偏置電壓變化時(shí)也有同樣的效果。從理論上推導(dǎo)出，這里是介電常數(shù)，S是PN結(jié)面積，D是PN結(jié)寬度。擴(kuò)散電容CD和CD是由PN結(jié)直流電壓變化時(shí)擴(kuò)散過程中大部分載流子的積累引起的。在反向偏置中，擴(kuò)散電容Cd是主要因素。當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，大多數(shù)載流子相互擴(kuò)散，成為“少數(shù)載流子”(稱為“不平衡少數(shù)載流子”)。當(dāng)正向偏置電壓改變時(shí)，這些少數(shù)載流子也有積累和放電的過程。根據(jù)理論分析，非對稱結(jié)的臨界電壓為：臨界電壓為溫度的電壓當(dāng)量，為26mv在常溫下；是非平衡少數(shù)載流子的壽命；I是正向電流。

11、注意：1 .PN結(jié)的結(jié)電容Cj=Cb Cd。2.Cb和Cd在結(jié)構(gòu)上與PN結(jié)并聯(lián)，CdCb和Cd在正向偏置中起作用；Cb在反向偏置下工作。3.Cb和Cd的存在破壞了單向性。返回，1.2.1。幾種常見的半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)，PN結(jié)加封裝和引線，成為半導(dǎo)體二極管。1.2半導(dǎo)體二極管，幾種形狀的二極管，幾種常見的二極管結(jié)構(gòu)，二極管的物理圖片，圖1.2.3溫度對二極管伏安特性的影響，1.2.2。二極管的伏安特性，(1)最大整流電流IF指二極管長時(shí)間連續(xù)工作時(shí)允許通過的最大正向平均電流。在實(shí)際應(yīng)用中，二極管的平均電流不能超過這個(gè)值。(2)最大反向工作電壓UR UR是指二極管使用時(shí)允許施加的最大反向電壓，通常取

12、UR=1/2U(BR)。如果二極管超過這個(gè)值，就有反向擊穿的危險(xiǎn)。(3)反向電流IR指二極管未擊穿時(shí)的反向電流值。該值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩?4)最高工作頻率調(diào)頻最高工作頻率主要由PN結(jié)的電容決定。當(dāng)工作頻率超過fM時(shí)，二極管的單向?qū)щ娦詴?huì)惡化。1.2.3 .二極管的主要參數(shù)，1.2.4。二極管的等效電路，(a)理想二極管，(b)正向?qū)〞r(shí)的恒定端電壓，(c)正向?qū)〞r(shí)端電壓與電流之間的線性關(guān)系，圖2伏安特性斷線得到的等效電路。二極管的微變化等效電路，及其在小范圍正向特性下工作時(shí)的正向特性即根據(jù)獲得的Q點(diǎn)微變化電導(dǎo)，然后在常溫(T=300K)下，得到交流小信號的等效模型，例1。二極管是

13、理想的二極管：導(dǎo)通電壓為0，正向壓降為0。二極管半波整流，開關(guān)電路，電路如圖所示，二極管是理想的二極管。得到AO的電壓值u AO。解決方法：先斷開D，以O(shè)為參考電位，即O點(diǎn)為0V。d陽極的電位為6V，陰極的電位為12V。陽極電位高于陰極電位，當(dāng)連接時(shí)，d正向?qū)?。?dǎo)通后，D的電壓降等于零，即A點(diǎn)的電位是D陽極的電位。因此，AO的電壓值為6V。齊納二極管工作在反向擊穿狀態(tài)，當(dāng)工作電流IZ在Izmax和Izmin之間時(shí)，兩端電壓近似恒定，正向與二極管相同，工作電流，穩(wěn)定電壓，1.2.5齊納二極管，(1)穩(wěn)定電壓UZ，(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ，在穩(wěn)壓管規(guī)定的反向工作電流IZ下對應(yīng)的反向工作電壓。，rZ=U

14、Z /IZ，(3)最大耗散功率PZM，(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin，(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)：=UZ/T，2。穩(wěn)壓二極管、穩(wěn)壓電路、#的主要參數(shù)有哪些穩(wěn)壓條件？#不添加r可以嗎？#上述電路ui是振幅大于UZ的正弦波。uo的波形是什么？UO=正常電壓穩(wěn)定期間的UZ。從圖1-17可以看出，當(dāng)ui和rl改變時(shí)，UZ的電流應(yīng)該滿足IZminIZmin，也就是說，當(dāng)ui=uimax和rl=rlmax時(shí)，UZ的電流最大，應(yīng)該滿足。限流電阻r的取值范圍是，如果獲得了RminRmax，則意味著在給定的條件下，此時(shí)有必要修改使用條件或重新選擇容量較大的齊納二極管。返回，1.3晶體管

15、(BJT)，圖1.3.1晶體管的幾種常見形狀，雙極結(jié)型晶體管(BJT)，氮磷型，磷磷型，結(jié)構(gòu)和分類兩個(gè)PN結(jié)，三個(gè)引腳，兩種類型：氮磷型和磷磷磷型。1.3.1晶體管、集電極結(jié)、發(fā)射極結(jié)和BJT符號的結(jié)構(gòu)和類型。由于PN結(jié)之間的相互影響，BJT呈現(xiàn)出不同于單個(gè)PN結(jié)的特性，并具有電流放大效應(yīng)?；鶇^(qū)：薄，低摻雜濃度，集電極區(qū)：大面積，發(fā)射極區(qū)：高摻雜濃度，結(jié)構(gòu)特征，BJT放大的內(nèi)部條件，以及發(fā)射極區(qū)的最高摻雜濃度；集電極區(qū)的摻雜濃度低于發(fā)射極區(qū)的摻雜濃度，面積大；基極區(qū)非常薄，通常在幾微米到幾十微米的范圍內(nèi)，并且摻雜濃度最低。管芯結(jié)構(gòu)的截面圖發(fā)射極結(jié)被正向偏置，發(fā)射極區(qū)域中的電子連續(xù)擴(kuò)散到基極區(qū)域

16、，形成發(fā)射極電流ie。少數(shù)進(jìn)入P區(qū)的電子與基極區(qū)的空穴復(fù)合形成電流IB，大部分電子擴(kuò)散到集電極結(jié)。BJT放大的外部條件：發(fā)射極結(jié)的正向偏置，集電極結(jié)的反向偏置，Rc，1.3.2晶體管的電流放大，1。晶體管、EB、RB、Ec內(nèi)載流子的移動(dòng)，由于集電極結(jié)的反向偏置，從基極區(qū)擴(kuò)散的電子漂移到集電極結(jié)并被收集形成集成電路。三極管放大電流的必要條件是發(fā)射極結(jié)的正向偏置和集電極結(jié)的反向偏置。工業(yè)工程=工業(yè)集成電路。根據(jù)KCL IE=IB IC，Rc，II。晶體管的電流分布運(yùn)動(dòng)關(guān)系，讓=集成電路/集成電路為共基極電流放大系數(shù)1 (0.90.99)，根據(jù)KCL，集成電路=集成電路，讓=集成電路/集成電路為共發(fā)射極電流放大系數(shù)1 (10100)。一般來說，放大電路最好使用3080。第三章。晶體管的共發(fā)射極電流放大系數(shù)，因?yàn)镮C=IE，IB=IE IC=IE IE，所以=IC/IB=IE/(IE)=(1-)，即與NPN管的關(guān)系，