《半导体器件 半导体的基础知识.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体器件 半导体的基础知识.docx（12页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持 1、1半导体的基础知识我们这一章要了解的概念有：本征半导体、P型半导体、N型半导体及它们各自的特征。物质为什麽会导在学习半导体之前我们还要了解一些物质导电性的基础知识: 电.物质为什麽会导电？物质的导电性是由原子结构决定的，一般只有低价元素才导电，像：铁、铜、铝等金属。它们的最外层电子受原子核的束缚力很小，因而很容易脱离原子核的束缚变成自由电 子。在外电场的作用下，这些自由电子会产生定向移动，就会产生电流，这 样物质就具有了导电性。高价元素的最外层电子受原子核的束缚力很强，不容易成为自由电子， 因此它们的导电性很差。 经常被作为绝缘
2、体。半导体的导电性介于导体与绝缘体之间。：本征半导体纯净晶体结构的半导体我们称之为本征半导体。常用的半导体材料有：硅和错。它们都是四价元素，原子结构的最外层轨道上有四个价电 子，当把硅或错制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量， 从而摆脱共价键 的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为 空 穴，它带正电。我们用晶体结构示意图来描述一下；如图（1）所示： 图中的虚线代表共价键。在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴 电流。因此，在晶体中存在
3、两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成 对出现的。：杂质半导体文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性， 这种半导体被称为杂质半导体 。1 .N 型半导体在本征半导体中，掺入 5 价元素，使晶体中某些原子被杂质原子所代替， 因为杂质原子最外层有5 各价电子， 它与周围原子形成共价键后，还多余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子的浓度。但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，与掺杂无关。在 N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流
4、子。2 .P 型半导体在本征半导体中，掺入 3 价元素，晶体中的某些原子被杂质原子代3 ， 但是杂质原子的最外层只有3 个价电子， 它与周围的原子形成共价键后， 还多余一个空穴， 因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。在 P 型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴使多数载流子。 1、 2PN 结（第一页 ）我们通过现代工艺， 把一块本征半导体的一边形成 P 型半导体， 另一边形成N 型半导体，于是这两种半导体的交界处就形成了PN 结，它是构成其它半导体的基础，我们要掌握好它的特性！一：异形半导体接触现象在形成的PN 结中，由于两侧的电子和空穴的浓度相差很大， 因此它们会产生扩散运动：电子从
5、N区向P区扩散；空穴从P去向N区扩散。因为它们都是带电粒子，它们向另一侧扩散的同时在N 区留下了带正电的空穴， 在 P 区留下了带负电的杂质离子，这样就形成了空间电荷区，也就是形成了电场（ 自建场 ）.它们的形成过程如图（ 1），（2）所示在电场的作用下，载流子将作漂移运动，它的运动方向与扩散运动的方向相反，阻止扩散运动。电场的强弱与扩散的程度有关，扩散的越多，电场越强，同时对扩散运动的阻力也越大， 当扩散运动与漂移运动相等时， 通过界面的载流子为0。此时，PN结的交界区就形成一个缺少载流子的高阻区，我们又把它称为阻 挡层或耗尽层。 1、 2PN 结（第二页 ）二： PN 结的单向导电性我们在
6、 PN 结两端加不同方向的电压， 可以破坏它原来的平衡， 从而使它呈现 出单向导电性。1 .PN 结外加正向电压PN结外加正向电压的接法是P区接电源的正极，N区接电源的负极。这时外加电压形成电场的方向与自建场的方向相反，从而使阻挡层变窄，扩散作用大于漂移作用，多数载流子向对方区域扩散形成正向电流，方向是从P 区指向 N 区。如图（ 1）所示这时的PN结处于导通状态，它所呈现的电阻为正向电阻，正向电压越大，电流也越大。它的关系是指数关系：其中：Id为流过PN结的电流，U为PN结两端的电压，UT=kT/q 称为温度电压当量，其中， k 为波尔兹曼常数， T 为绝对温 度，q为电子电量，在室温下（3
7、00K）时UT=26mv Is为反向饱和电流。 这个公式我们要掌握好！2.PN 结外加反向电压它的接法与正向相反，即P区接电源的负极，N区接电源的正 极。此时的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相同，从而使阻挡层变宽，漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场的作用下，形成漂移电流，它的方向与正向电压的方向相反，所以又称为反向电流。因反向电流是少数载流子形成，故反向电流很小，即使反向电压再增加，少数载流子也不会增加，反向电压也不会增加，因此它又被称为反向饱和电流。即： I D=-I S此时， PN 结处于截止状态，呈现的电阻为反向电阻，而且阻值很高。由以上我们可以看出：PN结在正向电压作用下，处
8、于导通状态,在反向电压的作用下，处于截止状态，因此 PN结具有单向导电性。它的电流和电压的关系通式为：它被称为伏安特性方程，如图（ 3）所示为伏安特性曲线。 1、2 P N结（第三页）三： PN 结的击穿PN结处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时， 反向电流急剧增加， 这种现象我们就称为反向击穿。击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。对于硅材料的PN结来说，击穿电压7v时为雪崩击穿，4v时为齐纳击 穿。在4v与7v之间，两种击穿都有。这种现象破坏了 PN结的单向导电性， 文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持我们在使用时要避免
9、。击穿并不意味着PN结烧坏。四：PN结的电容效应由于电压的变化将引起电荷的变化，从而出现电容效应，PN结内部有电荷的变化，因此它具有电容效应，它的电容效应有两种：势垒电容和扩散 电容。势垒电容是由阻挡层内的空间电荷引起的。,扩散电容是PN结在正向电压的作用下，多数载流子在扩散过程中引 起电荷的积累而产生的。PNS正偏时，扩散电容起主要作用，PN结反偏时，势垒电容起主要作用。 1、2 P N（第四页）这一页我们来学习二极管的一些知识，它是这门课程的基础。五：半导体二极管半导体二极管是由 PN结加上引线和管壳构成的。它的类型很多。按制造材料分：硅二极管和错二极管。按管子的结构来分有：点接触型二极管
10、和面接触型二极管。二极管的逻辑逻辑符号为：1.二极管的特性正向特性当正向电压低于某一数值时，正向电流很小，只有当正向电压高于某一值时，二极管才有明显的正向电流，这个电压被称为导通电压，我们又称它为门限电压或死区电压，一般用 UO点示，在室温下，硅管的UON约为0.6-0.8V，错管的UOn约为0.1-0.3V ，我们一般认为当正向电压大于UOn时，二极管才导通。否则截止。反向特性二极管的反向电压一定时， 反向电流很小， 而且变化不大 （反向饱和电流） ，但反向电压大于某一数值时，反向电流急剧变大，产生击穿。温度特性二极管对温度很敏感，在室温附近，温度每升高 1 度，正向压将减小2-2.5mV
11、，温度每升高10度，反向电流约增加一倍。 1、 2P N结（第五页）2.二极管的主要参数我们描述器件特性的物理量，称为器件的特性。二极管的特性有：最大整流电流I F 它是二极管允许通过的最大正向平均电流。最大反向工作电压 U R 它是二极管允许的最大工作电压， 我们一般取击穿电压的一般作 UR反向电流 I R 二极管未击穿时的电流，它越小，二极管的单向导电性越好。最高工作频率fM 它的值取决于 PN 结结电容的大小，电容越大，频率约高。二极管的直流电阻RD 加在管子两端的直流电压与直流电流之比，我们就称为直流电阻，它可表示为：RD=UF/I F 它是非线性的，正反向阻值相差越大，二极管的性能越
12、好。二极管的交流电阻rd 在二极管工作点附近电压的微变化与相应的微变化电流值之比，就称为该点的交流电阻。六：稳压二极管稳压二极管是利用二极管的击穿特性。 它是因为二极管工作在反向击穿区，反向电流变化很大的情况下，反向电压变化则很小，从而表现出很好的稳压特性。 1、 2PN 结(第六页 )七：二极管的应用我们运用二极管主要是利用它的单向导电性。 它导通时， 我们可用短线来代替它，它截止时，我们可认为它断路。1. 限幅电路当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压也随着输入电压相应的变化；当输入电压高于某一个数值时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。我们把开始不变的电压称为限幅电平。它分为上限幅和
13、下限幅。例 1.试分析图 (1)所示的限幅电路 ,输入电压的波形为图 (2), 画出它的限幅电路的波形(1) E=0 时限幅电平为0v。 ui0 时二极管导通，uo=0， ui0 时，二极管截止，uo=ui ，它的波形图为：如图(3)所示(2)当0EU时，限幅电平为+E u+E 时，二极管导通，u产E,它的波形图为 :如图 (4)所示 当-UmE1,时这两个PN结的输入特性基本重合。我们用 Uce=0和Uce=1,两条曲线表示，如图（4）所示2 .输出特性它的输出特性可分为三个区：（如图（ 5）的特性曲线）（1） 截止区： I B=0 时， 此时的集电极电流近似为零， 管子的集电极电压等于电源
14、电压，两个结均反偏（2） 饱和区：此时两个结均处于正向偏置，UCE=0.3V放大区：此时I尸?1 B, Ic基本不随UCe变化而变化，此时发射结正偏，集 电结反偏。 1、 3 半导体三极管（第三页）四：三级管主要参数1.放大系数它主要是表征管子放大能力。它有共基极的放大系数和共发射极的放大系数。它们二者的关系是：2.极间的反向电流 （它们是有少数载流子形成的） 1） 1） ：基电极-基极的反向饱和电流。 2） I CEO：穿透电流（X）, ICEO反向鲍和雷流，它与ICBO关系为：ICEO= （1+?）I cbo五：参数与温度的关系由于半导体的载流子受温度影响，因此三极管的参数受温度影响，温度上升，输入特性曲线向左移，基极的电流不变，基极与发射极之间的电压降低。输出特性曲线上移。温度升高，放大系数也增加。