第1章半导体器件基础
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1、第第1 1章章 半导体器件半导体器件1.1概述概述1.2半导体二极管半导体二极管小小 结结1.3双极型晶体三极管双极型晶体三极管1.4场效应管场效应管 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.1.1半导体的导电特性半导体的导电特性1.1.2杂质半导体杂质半导体1.1.3PN结结 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体。
2、如纯净的具有晶体结构的半导体。如硅硅(Si)(Si)、锗、锗(Ge(Ge) )单晶体。单晶体。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术硅硅( (锗锗) )的原子结构的原子结构简化模型简化模型硅硅( (锗锗) )的共价键结构的共价键结构价电子价电子自自由由电电子子空空穴穴空穴可在共空穴可在共价键内移动价键内移动共价键共价键本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电，这是半导体导电的特殊性质。导电，这是半导体导电的特殊性质。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术自由电子在运动的过程中如果与空穴相自由电子
3、在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。象称为复合。在一定的温度下，本征激发所产生的自由电在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，就达到动态平衡。等，就达到动态平衡。半导体在热激发下产生自由电子和空穴半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。对的现象称为本征激发。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 结论结论：1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少； 2
4、. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关本征半导体导电能力弱，并与温度有关。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.1.2 杂质半导体杂质半导体一、一、N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体N 型型(Negative)+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由电子自由电子电子电子为为多多数载流数载流子子空穴空穴为为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术P 型型( (P Positive)ositive)+3+
5、4+4+4+4+4硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术二、杂质半导体的导电作用二、杂质半导体的导电作用IIPINI = IP + INN 型半导体型半导体 I INP 型半导体型半导体 I IP 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术三、三、P 型与型与N 型半导体的简化示意图型半导体的简化示意图负离子负离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子正离子正离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子P型型N型型 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技
6、术术1.1.3 PN 1.1.3 PN 结结一、一、PN 结结( (PN Junction) )的形成的形成1. 载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散2. 复合使交界面复合使交界面形成空间电荷区形成空间电荷区( (耗尽层耗尽层) ) 空间电荷区特点空间电荷区特点:无载流子，无载流子， 阻止扩散进行，阻止扩散进行， 利于少子的漂移。利于少子的漂移。内电场内电场3. 扩散运动和漂移运动达到动态平衡，形成扩散运动和漂移运动达到动态平衡，形成PN结结。 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 P
7、N 结移动结移动,中和部分离子中和部分离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。 IF限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 IF二、二、PN 结的单向导电性结的单向导电性1. 外加外加正向正向电压电压( (正向偏置正向偏置) ) forward bias 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术2. 外加外加反向反向电压电压( (反向偏置反向偏置) ) reverse bias P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动， 空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IRPN 结的单向导电性结的单向导电性：外加
8、正向电压时处于导通状态，外加：外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。反向电压时处于截止状态。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 IRIR = I少子少子 0 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术三、三、PN 结的伏安特性结的伏安特性) 1e (/STUuII反向饱反向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量qkTUT 电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数当当 T = 300( (27 C) )：UT = 26 mVOu /VI /mA正向特性正向特性反向击穿反向击穿加正向电压时加正向电压时加反向电压时加反向电压时iIS 电电 子子 技
9、技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.2.1 二极管的结构和类二极管的结构和类型型1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1.2.4 二极管常用电路模二极管常用电路模型型1.2.5 稳压二极管稳压二极管1.2.6 二极管的应用举例二极管的应用举例 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.2.1 二极管的结构和类型二极管的结构和类型构成：构成： PN 结结 + 引线引线 + 管壳管壳 = 二极管二极管( (Diode) )符号：符号：A ( (anode) )C ( (cathode) )分类：分类：按材料分按材料分
10、硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安
11、特性一、一、PN 结的电流方程结的电流方程)1e (/SDD TUuIi反向饱反向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量qkTUT 电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数当当 T = 300K( (27 C) )：UT = 26 mV 电电 子子 技技 术术 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V( (硅管硅管) )( (锗管锗管) )U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V 硅管硅管 0.7 V(
