第一章 半导体器件 (2)..

课程介绍•《模拟电子技术》是电子专业的一门专业基础理论课程。•前续课程：电工学。在模电中应用了许多电工学课程的基本概念和方法，比如：叠加原理、戴维南定理、二端口网络等等。•后续课程：数电•一、本课程教学目的和课程性质本课程教学目的是：通过本课程的学习，使学生了解模拟电子技术的发展情况，获得必要的基础理论、基本知识和基本技能，启发学生的创新意识，培养学生的创新能力和综合素质，为学习后续课程及从事与本专业有关的工程技术工作和科学研究工作打下基础。课程安排•理论讲授：32课时•实验课时：12课时课程考核•平时成绩：15%•实验成绩：15%•期中成绩：30%•期末成绩：40%→测量技术、计算技术、自动控制技术◆20世纪四十年代：晶体管◆晶体管与电子管相比:体积小、重量轻、功耗低、寿命长。◆20世纪六十年代：集成电路SSI→MSI→LSI→VLSI里程碑！真空管→通信技术、◆20世纪初：（3亿个晶体管）（4个晶体管）•电子技术是在19世纪末叶无线电发明之后才发展起来的一门重要学科。发展史第一章半导体器件1.1半导体特性1.3双极结型三极管1.2半导体二极管1.导体：电阻率10-4·cm的物质。如铜、银、铝等金属材料。2.绝缘体：电阻率109·cm物质。如橡胶、塑料等。3.半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。半导体导电性能是由其原子结构决定的。1.1半导体的特性(a)硅的原子结构图价电子硅原子结构最外层电子称价电子锗原子也是4价元素图1硅原子结构4价元素的原子常常用+4电荷的正离子和周围4个价电子表示。+4(b)简化模型半导体共价键半导体的定义：将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体。大多数半导体器件所用主要材料是硅和锗价电子在硅(或锗)的晶体中,原子在空间排列成规则的晶格。晶体中的价电子与共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+4半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体。在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强，在热力学温度零度（即T=0K，相当于-273℃）时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，晶体中不存在能够导电的载流子，半导体不能导电，如同绝缘体一样。1.1.1、本征半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4带负电的自由电子带正电的空穴如果温度升高，少数价电子将挣脱共价键束缚成为自由电子。在原来的共价键位置留下一个空位，称之为空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+41、半导体中存在两种载流子：4、在一定温度下电子-空穴对的产生和复合达到动态平衡。2、热运动激发所产生的电子和空穴总是成对出现的称为电子–空穴对。而这种现象称为本征激发本征载流子的浓度对温度十分敏感电子-空穴对3、两种载流子浓度相等带负电的自由电子带正电的空穴1.N型（或电子型）半导体(N-typesemiconductor)1.1.2、杂质半导体则原来晶格中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子与周围四个硅原子组成共价键时多余一个电子。这个电子只受自身原子核吸引，在室温下可成为自由电子。在4价的硅或锗中掺入少量的5价杂质元素，在本征半导体中掺入某种特定的杂质，就成为杂质半导体。+5+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子+5+4+4+4+4+4+4+4+4失去自由电子的杂质原子固定在晶格上不能移动，并带有正电荷，称为正离子。在这种杂质半导体中，电子的浓度大大高于空穴的浓度。因主要依靠电子导电，故称为电子型半导体。多数载流子Majoritycarrier少数载流子Minoritycarrier+3+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗晶体中掺入少量的3价杂质元素，空穴2.P型半导体(P-typesemiconductor)当它与周围的硅原子组成共价键时，将缺少一个价电子，产生了一个空穴。硅原子外层电子由于热运动填补此空位时，杂质原子成为负离子，硅原子的共价键中产生一个空穴。在这种杂质半导体中，空穴的浓度远高于自由电子的浓度。+3+4+4+4+4+4+4+4+4空穴在室温下仍有电子-空穴对的产生和复合。多数载流子P型半导体主要依靠空穴导电，所以又称为空穴型半导体。少数载流子在杂质半导体中：杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构，多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度。杂质半导体的优点：掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体以不同方式组合，可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。总结2.杂质半导体总体上保持电中性。3.杂质半导体的表示方法如下图所示。1.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N型半导体(b)P型半导体图杂质半导体的的简化表示法说明：-++++++++++++-----------1.2.1.PN结及其单向导电性-++++++++++++-----------空间电荷区内电场Uho又称耗尽层，即PN结。最终扩散(diffusion)运动与漂移(drift)运动达到动态平衡，PN结中总电流为零。内电场又称阻挡层，阻止扩散运动，却有利于漂移运动。硅约为（0.6~0.8）V锗约为（0.2~0.3）V1.2半导体二极管扩散漂移正向电流外电场削弱了内电场有利于扩散运动，不利于漂移运动。空间电荷区变窄2.PN结的单向导电性☻加正向电压+-U-++++++++++++-----------RE耗尽层内电场Uho-U外电场I称为正向接法或正向偏置（简称正偏）forwardbiasPN结处于正向导通(on)状态，正向等效电阻较小。+-U-++++++++++++-----------RE称为反向接法或反向偏置（简称反偏）一定温度下，E超过某一值后I饱和，称为反向饱和电流IS。结论：PN结具有单向导电性：正向导通，反向截止。内电场外电场Uho+U空间电荷区外电场增强了内电场有利于漂移运动，不利于扩散运动。反向电流非常小，PN结处于截止(cut-off)状态。☻加反向电压I反向电流IS对温度十分敏感。1.2.2二极管的伏安特性将PN结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从P区和N区分别焊出两根引线作正、负极。二极管的几种常见结构：(a)外形图半导体二极管又称晶体二极管。(b)符号二极管的外形和符号半导体二极管的类型：按PN结结构分：有点接触型和面接触型二极管。点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。面接触型二极管PN结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I=f(U)之间的关系曲线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性–50I/mAU/V0.20.4–2551015–0.01–0.02锗管的伏安特性0二极管的伏安特性当正向电压超过死区电压后，二极管导通,电流与电压关系近似指数关系。硅二极管为0.7V左右锗二极管为0.2V左右死区电压正向特性0.51.01.5102030U/VI/mAO二极管正向特性曲线硅二极管为0.5V左右锗二极管为0.1V左右死区电压：导通压降：1、正向特性反偏时，反向电流值很小，反向电阻很大，反向电压超过UBR则被击穿。IS反向特性UBR结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管方程：反向饱和电流反向击穿电压式中：IS为反向饱和电流；UT是温度电压当量，常温下UT近似为26mV。2、反向特性)1(TS-UUeII24-I/μAI/mAU/V2010O击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。结论：二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。1.2.3二极管的主要参数♥最大整流电流IF指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。IF的数值是由二极管允许的温升所限定。♥反向工作峰值电压UR工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR。室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值愈小愈好。IR受温度的影响很大。♥最高工作频率fM值主要决定于结结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。♥反向峰值电流IR[例]二极管可用作开关EVDESEVDES正向偏置，相当于开关闭合。反向偏置，相当于开关断开。1.2.4稳压管稳压管是一种面接触型二极管，与二极管不同之处：1.采用特殊工艺，击穿状态不致损坏；2.击穿是可逆的。符号及特性曲线如下图所示：ΔUΔI+-IUO稳压管的伏安特性和符号ΔUΔI值很小有稳压特性阴极阳极minZImaxZI1.稳定电压UZ，稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。2.稳定电流Iz，稳压管正常工作时的参考电流。3.额定功耗Pz，电流流过稳压管时消耗的功率。4.动态内阻rz，稳压管两端电压和电流的变化量之比。rz=ΔU/ΔI主要参数：使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：UoRLVDZRUiIRIoIZ++--稳压管电路1.稳压管必须工作在反向击穿区，2.稳压管应与负载RL并联，3.必须限制流过稳压管的电流IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。+-VD1VD2U+-U+-U+-UVD1VD2VD1VD2VD1VD2[例]有两个稳压管VD1和VD2，它们的稳压值为UZ1=6V，UZ2=8V，正向导通压降均为UD=0.6V，将它们串联可得到几种稳压值。U=UD+UD=1.2VU=UZ1+UD=6.6VU=UZ1+UZ2=14VU=UD+UZ2=8.6V1发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。其他类型的二极管2光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加三极管的外形如下图所示。三极管的外形1.3双极结型三极管1.3.1三极管的结构及类型半导体三极管晶体管(transistor)双极型三极管或简称三极管制作材料：分类：它们通常是组成各种电子电路的核心器件。双极结型又称为：硅或锗NPN型PNP型一、三极管的结构三个区发射区：杂质浓度很高基区：杂质浓度低且很薄集电区：大面积发射结集电结集电区基区发射区cbeNPN型三极管的结构和符号两个PN结发射结集电结三个电极发射极e基极b集电极c集电极ccollector基极bbase发射极eemitterNPN常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。三极管的结构图(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)NecNPb二氧化硅becPNPe发射极，b基极，c集电极。平面型(NPN)三极管制作工艺NcSiO2b硼杂质扩散e磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散PN在N型硅片(集电区)氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成P型(基区)，再在P型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散形成N型的发射区。引出三个电极即可。合金型三极管制作工艺：在N型锗片(基区)两边各置一个铟球，加温铟被熔化并与N型锗接触，冷却后形成两个P型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。以NPN型三极管为例讨论三极管中的两个PN结cNNPebbec表面看三极管若实现放大，必