第6章半导体器件基础.pptx
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1、21212121世纪高职、高专计算机类教材系列世纪高职、高专计算机类教材系列世纪高职、高专计算机类教材系列世纪高职、高专计算机类教材系列 电路与模拟电子技术教程(第三版)第六章 半导体器件基础左全生 主编Publishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics Industry第6章 半导体器件基础本本章章要要点点uu半导体基本知识半导体基本知识半导体
2、基本知识半导体基本知识uu半导体二极管半导体二极管半导体二极管半导体二极管uu半导体三极管半导体三极管半导体三极管半导体三极管uu绝缘栅场绝缘栅场绝缘栅场绝缘栅场Publishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics Industry第6章 半导体器件基础 6.1 6.1 6.1 6.1 半导体基本知识半导体基本知识半导体基本知识半导体基本知识6.1.1 6.1.1 6.1.1 6.1.1 半导体及其特点半导体及其特点半导体及其特点半导体及其特点 热敏性热敏性 光敏性光敏性 杂敏性杂敏性6.1.2 6.1.
3、2 6.1.2 6.1.2 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体就是纯净就是纯净(不含杂质不含杂质)且具有完整晶体结构的半导体。且具有完整晶体结构的半导体。对共有价电子所形成的束缚作用叫做对共有价电子所形成的束缚作用叫做共价键共价键共价键共价键。Publishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics Industry第6章 半导体器件基础 可以参与导电的带电粒子,称为载流子。可以参与导电的带电粒子,称为载流子。图图6.1.1 6.1.1 硅晶体平面结构示意图硅晶
4、体平面结构示意图 图图6.1.2 6.1.2 自由电子自由电子-空穴对的产生空穴对的产生 自由电子和空穴总是相伴而生、成对出现的,称为自由电子和空穴总是相伴而生、成对出现的,称为自由电子自由电子-空穴对。空穴对。Publishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics Industry第6章 半导体器件基础6.1.3 N6.1.3 N6.1.3 N6.1.3 N型半导体型半导体型半导体型半导体 N N 型半导体是在本征半导体硅晶体内掺入微量的五价型半导体是在本征半导体硅晶体内掺入微量的五价元素磷构成。元素磷构
5、成。自由电子数远超过空穴数,以电子导电为主的杂质自由电子数远超过空穴数,以电子导电为主的杂质半导体为电子型半导体半导体为电子型半导体(N N N N型半导体型半导体型半导体型半导体)。自由电子是多数载流子,简称自由电子是多数载流子,简称多子多子多子多子。空穴是少数载流子,简称空穴是少数载流子,简称少子少子少子少子。在在N N型半导体中,整个晶体呈电中性。型半导体中,整个晶体呈电中性。Publishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics Industry第6章 半导体器件基础6.1.4 P6.1.4 P6.
6、1.4 P6.1.4 P型半导体型半导体型半导体型半导体 P P型半导体是在本征半导体硅晶体内掺入微量的三价元素硼构成。型半导体是在本征半导体硅晶体内掺入微量的三价元素硼构成。以空穴导电为主的半导体,称为空穴型半导体以空穴导电为主的半导体,称为空穴型半导体(P(P型半导体型半导体)。空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。整个晶体呈电中性。空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。整个晶体呈电中性。图图6.1.3 N6.1.3 N型半导体结构示意图型半导体结构示意图 图图6.1.4 P6.1.4 P型半导体结构示意图型半导体结构示意图 Publishing House of Electronic
7、s IndustryPublishing House of Electronics Industry第6章 半导体器件基础 6.2 PN6.2 PN6.2 PN6.2 PN结与半导体二极管结与半导体二极管结与半导体二极管结与半导体二极管6.2.1 PN6.2.1 PN6.2.1 PN6.2.1 PN结的形成结的形成结的形成结的形成 通过掺杂工艺,使一块完整的半导体晶片的一边为通过掺杂工艺,使一块完整的半导体晶片的一边为P P型半导体,型半导体,另一边为另一边为N N型半导体,两种半导体的交界处形成一个具有特殊物理性型半导体,两种半导体的交界处形成一个具有特殊物理性质的带电薄层,称为质的带电薄层
8、,称为PNPN结。结。交界处两侧,因浓度差作用产生的定向运动称为多子的扩散运动。交界处两侧,因浓度差作用产生的定向运动称为多子的扩散运动。带异性电荷的薄层,称为空间电荷区,或称为带异性电荷的薄层,称为空间电荷区,或称为PNPN结。结。空间电荷区内部电荷产生一个电场,称为内电场。空间电荷区内部电荷产生一个电场,称为内电场。Publishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics Industry第6章 半导体器件基础图图6.2.1 6.2.1 多数载流子的扩散运动多数载流子的扩散运动图图6.2.2 6.2.2
9、空间电荷区空间电荷区 Publishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics Industry第6章 半导体器件基础6.2.2 PN6.2.2 PN6.2.2 PN6.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性图图6.2.3 PN6.2.3 PN结加正向电压结加正向电压图图6.2.4 PN6.2.4 PN结加反向电压结加反向电压 PN PN结外加正向电压时结外加正向电压时(又称正向偏置又称正向偏置),正向电阻较小,正向电流,正向电阻较小,正向电流较大,处于导通状态;较大,处于导通状
10、态;PNPN结外加反向电压时结外加反向电压时(又称反向偏置又称反向偏置),反向,反向电阻很大,反向电流很小,处于截止状态。电阻很大,反向电流很小,处于截止状态。PNPN结的这种特性称为结的这种特性称为单单单单向导电性向导电性向导电性向导电性,它是,它是PNPN结最重要的特性。结最重要的特性。Publishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics Industry第6章 半导体器件基础6.2.3 PN6.2.3 PN6.2.3 PN6.2.3 PN结电容结电容结电容结电容 PN PN结有一定的电容效应。结有一
11、定的电容效应。外加电压改变时,空间电荷区的电荷量将随着改变,外加电压改变时,空间电荷区的电荷量将随着改变,这些现象都和电容器的作用类似,称之为这些现象都和电容器的作用类似,称之为结电容结电容结电容结电容。PN PN结外加电压的变化,电子浓度和结外加电压的变化,电子浓度和N N型半导体区的空型半导体区的空穴扩散运动变化,这和电容的充、放电作用类似,称为穴扩散运动变化,这和电容的充、放电作用类似,称为扩散电容扩散电容扩散电容扩散电容。Publishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics Industry第6章
12、 半导体器件基础6.2.4 6.2.4 6.2.4 6.2.4 二极管的基本结构二极管的基本结构二极管的基本结构二极管的基本结构 半导体二极管是将半导体二极管是将PNPN结外加封装、引线构成结外加封装、引线构成(图图6.2.5)6.2.5)。从。从P P区引出区引出的电极称为正极或阳极,从的电极称为正极或阳极,从N N区引出的电极称为负极或阴极。二极管的区引出的电极称为负极或阴极。二极管的电路符号如图电路符号如图6.2.66.2.6,表示二极管具有单向导电性。,表示二极管具有单向导电性。图图6.2.5 6.2.5 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 图图6.2.6 6.2.6 二极管的电路符
13、号二极管的电路符号 二极管的种类:按材料分有硅二极管和锗二极管;按结构分有点二极管的种类:按材料分有硅二极管和锗二极管;按结构分有点接触型和面接触型二极管。接触型和面接触型二极管。点接触型二极管结面积小,结电容也小,高频性能好,允许通过点接触型二极管结面积小,结电容也小,高频性能好,允许通过的电流较小。的电流较小。面接触型二极管结面积较大,结电容也大,可通过较大的电流。面接触型二极管结面积较大,结电容也大,可通过较大的电流。Publishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics Industry第6章 半导
14、体器件基础6.2.5 6.2.5 6.2.5 6.2.5 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线是流过二极管的电流随外加偏置电压变化二极管的伏安特性曲线是流过二极管的电流随外加偏置电压变化的关系曲线,它定量表示了二极管的单向导电性。的关系曲线,它定量表示了二极管的单向导电性。图图6.2.7 6.2.7 二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线Publishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics Industry第6章 半导体器件基础6.2.6 6.2.6 6
15、.2.6 6.2.6 二极管的参数二极管的参数二极管的参数二极管的参数 最大整流电流最大整流电流I IVDMVDM,是指二极管长时间使用时所允许通过的,是指二极管长时间使用时所允许通过的最大正向平均电流值。最大正向平均电流值。最高反向工作电压最高反向工作电压U URMRM,是指二极管上允许外加的最大反向,是指二极管上允许外加的最大反向电压瞬时值。电压瞬时值。最大反向电流最大反向电流I IRMRM,是指在一定的环境温度下,二极管上外,是指在一定的环境温度下,二极管上外加最高反向工作电压时流过的电流,常称为反向饱和电流。加最高反向工作电压时流过的电流,常称为反向饱和电流。最高工作频率,当二极管的工
16、作频率超过这个数值时,二最高工作频率,当二极管的工作频率超过这个数值时,二极管将失去单向导电性。极管将失去单向导电性。Publishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics Industry第6章 半导体器件基础6.2.7 6.2.7 6.2.7 6.2.7 特种二极管特种二极管特种二极管特种二极管 肖特基二极管肖特基二极管肖特基二极管肖特基二极管 变容二极管变容二极管变容二极管变容二极管 发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管 光电二极管光电二极管光电二极管光电二极管 光电池光电池光电池光电池 稳压二极
17、管稳压二极管稳压二极管稳压二极管Publishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics Industry第6章 半导体器件基础 6.3 6.3 6.3 6.3 半导体三极管半导体三极管半导体三极管半导体三极管6.3.1 6.3.1 6.3.1 6.3.1 半导体三极管的基本结构半导体三极管的基本结构半导体三极管的基本结构半导体三极管的基本结构 3 3个区:发射区、基区、集电区;个区:发射区、基区、集电区;3 3个电极:发射极、基极、集电极。个电极:发射极、基极、集电极。发射区与基区间的发射区与基区间的PNP
18、N结叫发射结,集电区与基区间的结叫发射结,集电区与基区间的PNPN结叫集电结。结叫集电结。3 3个半导体区的不同组合方式,三极管又可分为个半导体区的不同组合方式,三极管又可分为NPNNPN型和型和PNPPNP型。型。图图6.3.1 NPN6.3.1 NPN型晶体管型晶体管 图图6.3.2 PNP6.3.2 PNP型晶体管型晶体管 Publishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics Industry第6章 半导体器件基础 三极管的内部结构的特点:三极管的内部结构的特点:三极管的内部结构的特点:三极管的内部
19、结构的特点:基区很薄,一般只有几微米的宽度,而且杂质浓度基区很薄,一般只有几微米的宽度,而且杂质浓度很低。很低。发射区的杂质浓度远高于基区的杂质浓度,以便于发射区的杂质浓度远高于基区的杂质浓度,以便于有足够的载流子供有足够的载流子供“发射发射”。集电区的面积较大,以利于收集载流子。集电区的面积较大,以利于收集载流子。Publishing House of Electronics IndustryPublishing House of Electronics Industry第6章 半导体器件基础6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2 三极管的电流放大原理三极管的电流放大原理三极管的电流
20、放大原理三极管的电流放大原理 多数载流子的运动多数载流子的运动多数载流子的运动多数载流子的运动 由于发射结正偏,发射区多数载流子越过发射结向基区扩由于发射结正偏,发射区多数载流子越过发射结向基区扩散,形成发射极电流散,形成发射极电流I IE E。进入基区的电子,向集电结方向扩散,由于集电结反偏,进入基区的电子,向集电结方向扩散,由于集电结反偏,在内电场作用下,大量漂移到集电区,形成集电极电流在内电场作用下,大量漂移到集电区,形成集电极电流I IC C。在基区中,扩散到集电区的电子数与复合的电子数的比例在基区中,扩散到集电区的电子数与复合的电子数的比例决定晶体管的放大能力。复合电子数只占很小的一
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