半导体的基本知识.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1.1,半导体的基本知识,1.6,*,集成电路中的元件,1.2,半导体二极管,1.5,*,单结晶体管和晶闸管,内容简介,习题解答,1.3,双极性晶体管,1.4,场效应管,半导体器件是现代电子电路的重要组成部分。本章简要地介绍半导体的基础知识，讨论半导体的核心环节,PN,结，阐述了半导体二极管、双极性晶体管（,BJT,）,和场效应管（,FET,）,的工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路和分析方法。对晶闸管和集成电路中的元件也进行了简要介绍。,内容简介,1.,半导体材料,根据物体导电能力,(,电阻率,),的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。,导 体,：,10,9,cm,半导体,：导电性能介于导体和绝缘体之间。,2.,半导体的晶体结构,典型的元素半导体有,硅,Si,和,锗,Ge,，,此外，还有化合物半导体,砷化镓,GaAs,等。,1.1 半导体的基本知识,3.,本征半导体,本征半导体,：,化学成分纯净、结构完整的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。,半导体的导电性能是由其原子结构决定的，,就元素半导体硅和锗而言，其,原子序数分别为,14,和,32,，但它们有一个共同的特点：即原子最外层的电子（价电子）数均为,4,，其原子结构和,晶体结构如,图,1.1.1,所示。,Home,Next,Back,本征激发,(,热激发）,:,受温度、光照等环境因素的影响，半导体共价键中的价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象，称之为本征激发（热激发）（,见图,1.1.2,）。,电子空穴对,：由本征激发（热激发）而产生的自由电子和空穴总是成对出现的，称为电子空穴对。所以，在本征半导体中：,n,i,=,p,i,（,n,i,自由电子的浓度；,p,i,空穴的浓度）。,空穴,：共价键中的空位。,K,1,常数，硅为,3.87,10,-6,K,-3/2,/cm,3,，,锗为,1.76,10,-6,K,-3/2,/cm,3,；,T,热力学温度；,E,GO,禁带宽度，,硅为,1.21,eV,，,锗为,0.785,eV,；,k,波耳兹曼常数，,8.63 10,-5,eV,/K,。（,e,单位电荷，,eV,=J,）,载流子,：能够参与导电的带电粒子。,空白,半导体中载流子的移动,：如图,1.1.3,所示。从图中可以看出，空穴可以看成是一个带正电的粒子，和自由电子一样，可以在晶体中自由移动，在外加电场下，形成定向运动，从而产生电流。所以，,在半导体中具有两种载流子：自由电子和空穴。,（,1,）两种载流子的产生与复合，在一定温度下达到动态平衡，则,n,i,=,p,i,的值一定；,（,2,）,n,i,与,p,i,的值与温度有关，对于硅材料，大约温度每升高,8,o,C,，,n,i,或,p,i,增加一倍；对于锗材料，大约温度每升高,12,o,C,，,n,i,或,p,i,增加一倍。,4.,杂质半导体,杂质半导体,：,在本征半导体中参入微量的杂质形成的半导体。根据参杂元素的性质，杂质半导体分为,P,型（空穴型）半导体和,N,型（电子型）半导体。由于参杂的影响，会使半导体的导电性能发生显著的改变。,：,在本征半导体中参入微量三价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图,1.1.4,所示。常用的三价元素的杂质有硼、铟等。,P,型半导体,受主杂质,：,因为三价元素的杂质在半导体中能够接受电子，故称之为受主杂质或,P,型杂质。,多子与少子,：,P,型半导体在产生空穴的同时，并不产生新的自由电子，所以控制参杂的浓度，便可控制空穴的数量。在,P,型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，称之为,多数载流子,，简称,多子,；而自由电子为,少数载流子,，简称,少子,。,：既然,P,型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，所以，,P,型半导体带正电。此说法正确吗？,思考题,：,在本征半导体中参入微量五价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图,1.1.5,所示。常用的三价元素的杂质有磷、砷和锑等。,N,型半导体,施主杂质,：,因为五价元素的杂质在半导体中能够产生多余的电子，故称之为施主杂质或,N,型杂质。,在,N,型半导体中，自由电子为多数载流子，而空穴为少数载流子。,综上所述，在杂质半导体中，因为参杂，载流子的数量比本征半导体有相当程度的增加，尽管参杂的含量很小，但对半导体的导电能力影响却很大，使之成为提高半导体导电性能最有效的方法。,掺杂 对本征半导体的导电性的影响，其典型数据如下,:,T,=300 K,室温下,本征硅的电子和空穴浓度,:,n,i,=,p,i,=1.410,10,/cm,3,掺杂后,N,型半导体中的自由电子浓度,:,n,i,=510,16,/cm,3,本征硅的原子浓度,:,4.9610,22,/cm,3,以上三个浓度基本上依次相差,10,6,/cm,3,。,Home,Next,Back,小 结,本讲主要介绍了下列半导体的基本概念：,本征半导体,本征激发、空穴、载流子,杂质半导体,P,型半导体和,N,型半导体,受主杂质、施主杂质、多子、少子,二,.PN,结的单向导电性,正偏与反偏,：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；反之,称为加反向电压，,简称反偏。,一,.PN,结的形成,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成,P,型半导体和,N,型半导体。此时将在,P,型半导体和,N,型半导体的结合面上形成的物理过程示意图如,图,1.1.6,所示。,5.PN,结,PN,结加正向电压,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,结导通。其示意图如,图,1.1.7,所示。,Home,2.PN,结加反向电压,PN,结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，,PN,结截止。其示意图如,图,1.1.8,所示。,3.PN,结的单向导电性,PN,结加正向电压（正偏）时导通；加反向电压（反偏）时截止的特性，称为,PN,结的单向导电性,。,三,.PN,结的特性曲线,1.PN,结的,V-I,特性表达式,式中，,I,S,反向饱和电流；,n,发射系数，与,PN,结的的,尺寸、材料等有关，其值为,12,；,V,T,温度的电压当量，且在常温下（,T,=300K,）,:,V,T,=,kT/q,=,0.026V,=,26,m,V,2.PN,结的,正向特性,Home,Next,Back,死区电压,V,th,硅材料为,0.5V,左右；锗材料为,0.1V,左右。,导通电压,V,on,硅材料为,0.60.7V,左右；锗材料为,0.20.3V,左右。,I,s,=,10,-8,A,V,T,=26mV,n,=2,死区电压,导通电压,图,1.1.9 PN,结的正向特性,3.PN,结的,反向特性,Home,Next,Back,反向电流：,在一定温度下，少子的浓度一定，当反向电压达到一定值后，反向电流,I,R,即为反向饱和电流,I,S,，,基本保持不变。,反向电流受温度的影响大。,-,I,S,图,1.1.10 PN,结的反向特性,锗管,硅管,4.PN,结的,反向击穿特性,Home,Next,Back,反向击穿,：,当反向电压达到一定数值时，反向电流急剧增加的现象称为反向击穿（,电击穿,）。若不加限流措施，,PN,结将过热而损坏，此称为,热击穿,。电击穿是可逆的，而热击穿是不可逆的，应该避免。,图,1.1.11 PN,结的反向击穿特性,V,BR,Home,Next,Back,反向击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。,雪崩击穿,：,当反向电压增加时，空间电荷区的电场随之增强，使通过空间电荷区的电子和空穴获得的能量增大，当它们与晶体中的原子发生碰撞时，足够大的能量将导致碰撞电离。而新产生的电子,-,空穴对在电场的作用下，同样会与晶体中的原子发生碰撞电离，再产生新的电子,-,空穴对，形成载流子的,倍增效应,。当反向电压增加到一定数值时，这种情况就象发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增加，于是导致了,PN,结的雪崩击穿。,齐纳击穿,：,齐纳击穿的机理与雪崩击穿不同。在较高的反向电压作用下，空间电荷区的电场变成强电场，有足够的能力破坏共价键，使束缚在共价键中的电子挣脱束缚而形成电子,-,空穴对，造成载流子数目的急剧增加，从而导致了,PN,结的齐纳击穿。,四,.PN,结的,电容效应,Home,Next,Back,1.,势垒电容,C,b,图,1.1.12,势垒电容示意图,PN,结外加电压变化，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压增加或减少，呈现出电容充放电的性质，其等效的电容称之为势垒电容,C,b,。当,PN,结加反向电压时，,C,b,明显随外加电压变化，利用该特性可以制成各种变容二极管。,2.,扩散电容,C,d,图,1.1.13,扩散电容示意图,Home,Next,Back,PN,结外加正向电压变化，扩散区的非平衡少子的数量将随之变化，扩散区内电荷的积累与释放过程，呈现出电容充放电的性质，其等效的电容称之为扩散电容,C,d,。,结电容,Cj,=,Cb,+,Cd,反偏时，势垒电容,Cb,为主；正偏时，扩散电容,Cd,为主。低频时忽略，只有频率较高时才考虑结电容的作用。,本 讲 小 结,本讲主要介绍了以下基本内容：,PN,结形成：扩散、复合、空间电荷区（耗尽层、势垒区、阻挡层、内建电场）、动态平衡,PN,结的单向导电性：正偏导通、反偏截止,PN,结的特性曲线：,正向特性：死区电压、导通电压,反向特性：反向饱和电流、温度影响大,击穿特性：电击穿（雪崩击穿、齐纳击穿）、热击穿,PN,结的电容效应：势垒电容、扩散电容,Home,Next,1.,半导体二极管的结构,在,PN,结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分,有点接触型、面接触型和平面型,三大类。,一,.,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,图,1.2.1,二极管的结构示意图,Home,Next,二,.,面接触型二极管,PN,结面积大，用于工频大电流整流电路。,(b),面接触型,图,1.2.1,二极管的结构示意图,Back,Home,Next,三,.,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。,(c),平面型,图,1.2.1,二极管的结构示意图,阴极,引线,阳极,引线,P,N,P,型支持衬底,Back,Home,Next,四,.,二极管的图形符号,Back,图,1.2.2,二极管的符号,k,阴极,阳极,a,2.,半导体二极管的,V-I,特性,二极管的特性与,PN,结的特性基本相同，也分正向特性、反向特性和击穿特性。其差别在于二极管存在体电阻和引线电阻，在电流相同的情况下，其压降大于,PN,结的压降。在此不再赘述,。,Home,Next,Back,图,1.2.3,半导体二极管图片,3.,半导体二极管的参数,最大整流电流,IF,反向击穿电压,V,BR,和最大反向工作电压,V,R,反向电流,I,R,(4),正向压降,V,F,(5),最高工作频率,f,M,(6),结电容,C,j,图,1.2.4,二极管的高频,等效道路,Home,Next,Back,：如何用万用表的“,”档来辨别一只二极管的阳极、阴极以及二极管的好坏,？,思考题,4.,二极管的等效模型电路,（,1,）理想模型,图,1.2.5,二极管的理想等效模型,正偏时：,u,D,=0,R,D,=0;,反偏时：,i,D,=0,R,D,=,。,相当于一理想电子开关。,Home,Next,Back,Home,Next,（,2,）恒压降模型,Back,正偏时：,u,D,=,U,on,R,D,=0;,反偏时：,i,D,=0,R,D,=,。,相当于一理想电子开关和恒压源的串联。,图,1.2.6,二极管的恒压降等效模型,Home,Next,（,3,）折线型模型,Back,正偏时：,u,D,=,i,D,r,D,+,U,TH,;,反偏时：,i,D,=0,R,D,=,。,相当于一理想电子开关、恒压源和电阻的串联。,图,1.2.7,二极管的折线型等效模型,Home,Next,（,4,）小信号模型,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。,Back,即,根据,得,Q,点处的微变电导,则,常温下（,T,=300K,）,图,1.2.8,二极管的小信号等效模型,Home,Next,5.,二极管基本电路及模型分析法,（,1,）,二极管的静态工作情况分析,Back,I,D,+,V,D,-,R,10K,+,V,DD,20V,I,D,+,V,D,-,R,10K,+,V,DD,20V,I,D,+,V,D,-,R,10K,+,V,DD,20V,+,V,on,(a),原电路,(b),理想模型电路,(c),恒压降模型电路,图,1.2.9,例,1.2.1,的电路图,解：,（,1,）理想模型，,V,D,=0,，,则,（,2,）恒压降模型，,V,D,=0.7V,，,则,例,1.2.1,求图,1.2.9,（,a,）,所示电路的硅二极管电流,I,D,和电压,V,D,。,Home,Next,（,2,）,二极管限幅电路,Back,解：请观看仿真波形,!,I,D,+,v,o,-,R,10K,+,v,i,20V,图,1.2.10,例,1.2.2,电路图,V,REF,例,1.2.2,如图,1.2.10,所示电路。,试画出,V,REF,分别为,0,、,10V,时,的波形,。,其中,v,i,=10,sin,t,V,。,（,3,）,二极管开关电路,例,1.2.3,如图,1.2.11,所示电路。,试求,V,I1,、,V,I2,为,0,和,+5V,时,V,0,的值,。,R,10K,V,0,V,cc,+,5V,图,1.2.11,例,1.2.3,电路图,V,I1,V,I2,D,1,D,2,0,0,0,+5V,0 0,0 +5V,+5V 0,+5V +5V,V,0,V,I1,V,I2,Home,Next,（,1,）,稳压二极管的伏安特性,Back,稳定电压,V,Z,稳定电流,I,Z,（,I,Zmin,、,I,Zmin,）,额定功耗,P,ZM,动态电阻,r,Z,温度系数,图,1.2.12,稳压管的 伏安特性,6.,稳压二极管,（,2,）稳压二极管的主要参数,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。其伏安特性如图,1.2.12,所示。,Home,Next,（,3,）,稳压二极管构成的稳压电路,Back,例,1.2.4,设计如图,1.2.13,所示稳压管稳压电路，已知,V,O,=,6,V,，,输入电压,V,I,波动,10%,，,R,L,=1k,。,图,1.2.13,稳压管稳压电路,解：,（,1,）选择,D,Z,：,查手册，,选择,D,Z,为,2CW13,，,V,Z,=,(56.5,V,),，,I,Zmax,=38mA,I,Zmin,=5mA,Home,Next,Back,（,2,）选择限流电阻,R,：,Home,Next,（,1,）,发光二极管,Back,外加反向电压，无光照时的反向电流称之为暗电流；有光照时的反向电流称之为光电流，光照越强，光电流越大。,7.,其它类型的二极管,（,2,）,光电二极管,工作电压一般在,1.52.5V,之间，工作电流在,530mA,之间，电流越大，发光越强。,图,1.2.14,其它二极管,（,3,）,变容二极管,（,4,）激,光二极管,（,5,）,隧道二极管和肖特基二极管,Home,Back,作业：,P97,99,：,3.2.1,3.5.4,小 结,本讲主要介绍了以下基本内容：,半导体二极管的构成和类型：点接触型、面接触型、平面型；硅管、锗管；整流管、开关管、检波管、发光管、光敏管、稳压管等。,半导体二极管的特性：与,PN,结基本相同。,半导体二极管的参数,半导体二极管的等效模型：理想模型、恒压降模型、折线模型和小信号模型,应用二极管等效模型分析和计算半导体二极管电路的基本方法,简要介绍了其它类型的二极管。,