电子技术-半导体器件课件.ppt

1、第第1讲讲第第10章章 半导体器件半导体器件10.1半导体的基础知识，半导体的基础知识，P型硅，型硅，N型硅型硅10.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管10.3 稳压二极管稳压二极管10.4 半导体三极管半导体三极管10.5 场效应管场效应管10.1.1 本征半导体本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。Si硅原子硅原子Ge锗原子锗原子10.1 半导体的基本知识半导体的基本知识通过一定的工艺过程，可以将半导体通过一定的工艺过程，可以将半导体制成制成晶体晶体。完全纯净的

2、、结构完整的半导体晶体，完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为称为本征半导体本征半导体。在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子之间形成子之间形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电子。硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难，常温下束缚电子很难脱离共价键成为脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体，因此本征半导体中的自由电子很少

3、，所以本征半导体的导电中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+410.1.2杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。载流子：电子，空穴大大增加。载流子：电子，空穴

4、N型半导体型半导体（主要载流子为电子，电子半导体）（主要载流子为电子，电子半导体）P型半导体型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）（主要载流子为空穴，空穴半导体）N型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，电子几乎不受束缚，很容易被激发而

5、成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为磷原子给出一个电子，称为施主原子施主原子。硅或锗硅或锗+少量磷少量磷 N型半导体型半导体N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表示型硅表示SiPSiSiP型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，

6、产生一个空穴。这个空穴可能吸子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主受主原子原子。硅或锗硅或锗+少量硼少量硼 P型半导体型半导体空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动可以移动杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体10.2.1 PN 结的形成结的形成在同

7、一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型型半导体和半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了在它们的交界面处就形成了PN结。结。10.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂内电场越

8、强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动，没有电荷运动，空间电荷区的空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。10.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意的意思都是：思都是：P区加正、区加正、N区加负电压。区加负电压。PN结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向

9、偏置的意的意思都是：思都是：P区加负、区加负、N区加正电压。区加正电压。PN结正向偏置结正向偏置+内电场减弱，使扩散加强，内电场减弱，使扩散加强，扩散扩散 飘移，正向电流大飘移，正向电流大空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+_正向电流正向电流PN结反向偏置结反向偏置+空间电荷区变厚空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流反向饱和电流很小，很小，A级级10.2.3 半导体二极管半导体二极管(1)、基本结构、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PNPN符号符

10、号阳极阳极阴极阴极(2)、伏安特性、伏安特性UI导通压降导通压降:硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿电反向击穿电压压U(BR)死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.2V。UIE+-反向漏电流反向漏电流（很小，（很小，A级）级）（3）静态电阻）静态电阻Rd，动态电阻，动态电阻 rDUQIQUS+-R静态工作点静态工作点Q（UQ，IQ）（3）静态电阻）静态电阻Rd，动态电阻，动态电阻 rDiuIQUQQ IQ UQ静态电阻静态电阻：Rd=UQ/IQ （非线性）（非线性）动态电阻：动态电阻：rD=UQ/IQ在工作点在工作点Q附近，动态电附近，动态电阻近似为线性，故动态

11、电阻近似为线性，故动态电阻又称为阻又称为微变等效电阻微变等效电阻例例1：二极管：死区电压：二极管：死区电压=0.5V，正向压降，正向压降 0.7V(硅二极管硅二极管)理想二极管：死区电压理想二极管：死区电压=0，正向压降，正向压降=0 RLuiuOuiuott二极管半波整流二极管半波整流例例2：二极管的应用：二极管的应用RRLuiuRuotttuiuRuo10.3 稳压二极管稳压二极管IZmax+-稳压二极管符号稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲线稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作当稳压二极管工作在反向击穿状态下在反向击穿状态下,当工作电流当工作电流IZ在在Izmax和和 I

12、zmin之间时之间时,其两端电压近似为其两端电压近似为常数常数正向同正向同二极管二极管稳定稳定电流电流稳定稳定电压电压例：稳压二极管的应用例：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻，负载电阻RL=2k，输入电，输入电压压ui=12V，限流电阻，限流电阻R=200 。若。若负载电阻负载电阻变化范围变化范围为为1.5 k 4 k ，是否还能稳压？，是否还能稳压？RLuiuORDZiiziLUZUZW=10V ui=12VR=200 Izmax=12mAIzmin=2m

13、ARL=2k (1.5 k 4 k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5 k ,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4 k ,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化负载变化,但但iZ仍在仍在12mA和和2mA之间之间,所以稳所以稳压管仍能起稳压作用压管仍能起稳压作用10.4 半导体三极管半导体三极管10.4.1 基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极

14、基极基极发射极发射极BCEPNP型型BECNPN型三极管型三极管BECPNP型三极管型三极管三极管符号三极管符号NPNCBEPNPCBEBECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高发射结发射结集电结集电结BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+10.4.2 电流放大原理电流放大原理BECNNPEBRBEc发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散

15、，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。IE1进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IB ，多数扩，多数扩散到集电结。散到集电结。IBBECNNPEBRBEcIE从基区扩从基区扩散来的电散来的电子漂移进子漂移进入集电结入集电结而被收集，而被收集，形成形成IC。IC2ICIB要使三极管能放大电流，必须使发射结要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。正偏，集电结反偏。静态电流放大倍数静态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数 =IC/IBIC=IB动态电流放大倍数动态电流放大倍数IB：IB+

16、IBIC：IC+IC =IC/IB一般认为：一般认为：=，近似为一常数，近似为一常数，值范围：值范围：20100 IC=IB10.4.3 特性曲线特性曲线ICmA AVVUCEUBERBIBUSCUSB 实验线路实验线路(共发射极接法共发射极接法)CBERC IB 与与UBE的关系曲线（同二极管）的关系曲线（同二极管）（1）输入特性）输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V 死区电压，死区电压，硅管硅管0.5V工作压降：工作压降：硅管硅管UBE 0.7V（2）输出特性）输出特性(IC与与UCE的关系曲线的关系曲线)IC(mA )1234UCE(V)3691240

17、A60 AQQ =IC/IB=2 mA/40 A=50 =IC/IB=(3-2)mA/(60-40)A=50 =IC/IB=3 mA/60 A=50输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A当当UCE大于一定的数大于一定的数值时，值时，IC只与只与IB有关，有关，IC=IB,且且 IC=IB。此区域此区域称为线称为线性放大区。性放大区。此区域中此区域中UCE UBE,集集电结正偏，电结正偏，IBIC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。此区域中此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE 0.3V(3)截止区截止

18、区 UBE 死区电压，死区电压，IB=0，IC=ICEO 0 例：例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当当USB=-2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？USB=-2V，IB=0，IC=0，Q位于截止区位于截止区 USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019 mA IC=IB=50 0.019=0.95 mA ICS=2 mA，Q位于饱位于饱和区和区(实际上，此时实际上，此时IC和和IB 已不是已不是 的关系）的关系）三极管的技术数据：（自学）三极管的技术数据：（自学）（1）电流放大倍数）电流放

19、大倍数（2）集）集-射间穿透电流射间穿透电流ICEO（3）集）集-射间反向击穿电压射间反向击穿电压UCEO(BR)（4）集电极最大电流）集电极最大电流ICM（5）集电极最大允许功耗）集电极最大允许功耗PCM10.5 场效应晶体管场效应晶体管场效应管与晶体管不同，它是多子场效应管与晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。导电，输入阻抗高，温度稳定性好。结型场效应管结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种场效应管有两种:N沟道沟道P沟道沟道耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型 MOS绝缘栅场效应管（绝缘栅场效应管（N沟道）沟道）（1）结构结构

20、PNNGSDP型基底型基底两个两个N区区SiO2绝缘层绝缘层金属铝金属铝N导电沟道导电沟道未预留未预留 N沟道增强型沟道增强型预留预留 N沟道耗尽型沟道耗尽型PNNGSDGSDN沟道增强型沟道增强型（2）符号）符号N沟道耗尽型沟道耗尽型GSD栅极栅极漏极漏极源极源极耗尽型耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线IDmAVUDSUGS 实验线路实验线路(共源极接法共源极接法)GSD输出特性曲线输出特性曲线UGS=0VU DS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V夹断电压夹断电压UP=-2V固定一个固定一个U DS，画出，画出ID和和UGS的关系

21、曲线，称为转移特性的关系曲线，称为转移特性曲线曲线耗尽型耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSUP夹断电压夹断电压跨导跨导gmUGS=0VU DS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V=ID/UGS=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V UGS ID本课重点本课重点（1）二极管的特性曲线，静态电阻，）二极管的特性曲线，静态电阻，动态电阻。动态电阻。（2）稳压二极管的特性曲线及稳压计算。）稳压二极管的特性曲线及稳压计算。（3）晶体管的特性曲线，三个工作区域，）晶体管的特性曲线，三个工作区域，电流放大倍数。电流放大倍数。（4）N沟道沟道 MOS绝缘栅场效应管的特性绝缘栅场效应管的特性 曲线，跨导。曲线，跨导。