1、 第一章第一章 常用半導體器件常用半導體器件第一章第一章 常用常用 器件器件半導體半導體 類別類別項目項目 導體導體絕緣體絕緣體代表物質代表物質 一般最外層電子數一般最外層電子數外層電子受原子核的外層電子受原子核的束縛力束縛力 導電性導電性 金屬金屬惰性氣體惰性氣體硅、鍺硅、鍺 4 44=4=4小小易易大大二者之間二者之間不易不易二者之間二者之間半導體半導體1.1.1 1.1.1 本征半導體本征半導體1.1 1.1 半導體基礎知識半導體基礎知識純凈的晶體結構的半導體純凈的晶體結構的半導體無雜質無雜質?gesi半導體硅和鍺的最外層電子（半導體硅和鍺的最外層電子（價電子價電子）都是四個。）都是四個

2、。結構特點結構特點通過一定的工藝過程，可將其制成通過一定的工藝過程，可將其制成晶體晶體。即為本征半導體即為本征半導體 本征半導體的結構示意圖本征半導體的結構示意圖+4+4+4+4 形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩定結構。構成穩定結構。共用電子共用電子常溫下價電子常溫下價電子很難脫離共價鍵很難脫離共價鍵成為成為自由電子自由電子導電能力很弱導電能力很弱+4+4+4+4熱和光的作用熱和光的作用 自由電子自由電子 空穴空穴一些價電子獲得足夠的一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵束縛能量而脫離共價鍵束縛電子空穴對電子空穴對本征激發本征激發 （熱激

3、發）（熱激發）帶正電帶正電帶負電帶負電游離的部分自由電子游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，也可能回到空穴中去，稱為稱為復合復合+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移。相當于空穴的遷移。空穴的遷移相當于正空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可電荷的移動，因此可以認為空穴是以認為空穴是載流子載流子。本征半導體的兩種載流子本征半導體的兩種載流子溫度越高，載流子的濃度越高，導電能力越強。溫度越高，載流子的濃度越高，導電能力越強。溫溫度度是影響半導體性能的一個重要的外部因素。這是是影響半導體性能的一個

4、重要的外部因素。這是半導體的一大特點。半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成：本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 1. 自由電子移動產生的電流。自由電子移動產生的電流。 2. 2. 空穴移動產生的電流。空穴移動產生的電流。 在本征半導體中摻入在本征半導體中摻入少量合適的雜質少量合適的雜質，就會，就會使半導體的導電性能發生顯著變化。使半導體的導電性能發生顯著變化。1.1.2 1.1.2 雜質半導體雜質半導體 n 型半導體型半導體+4+4+5+4磷原子磷原子多余多余電子電子摻入少量的五價元素磷（或銻）摻入少量

5、的五價元素磷（或銻）取代，形成共價鍵取代，形成共價鍵多出一個電子多出一個電子磷原子成為不能移動磷原子成為不能移動的正離子的正離子施主施主原子原子+4+4+5+4n 型半導體中的型半導體中的載流子是什么？載流子是什么？1 1、由、由施主原子施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。提供的電子，濃度與施主原子相同。2 2、本征半導體中成對產生的電子和空穴。、本征半導體中成對產生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數載流多數載流子子（多子多子），空穴稱為）

6、，空穴稱為少數載流子少數載流子（少子少子）。）。negative+4+4+3+4空位空位硼原子硼原子空穴空穴p 型半導體型半導體摻入少量的三價元素硼（或銦）摻入少量的三價元素硼（或銦）取代，形成共價鍵取代，形成共價鍵產生一個空位產生一個空位吸引束縛電子來填補吸引束縛電子來填補受主受主原子原子硼原子成為不能移動硼原子成為不能移動的負離子的負離子空穴是多子，電子是少子空穴是多子，電子是少子positive(3)、雜質半導體的示意表示法、雜質半導體的示意表示法p 型半導體型半導體+n 型半導體型半導體雜質雜質型半導體型半導體多子多子和和少子少子的移動都能形成電流。的移動都能形成電流。但由于數量的關系

7、，起導電作用的主要是多子但由于數量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等近似認為多子與雜質濃度相等。小結小結4 4、p型半導體中型半導體中空穴空穴是多子，是多子，自由電子自由電子是少子。是少子。 n型型半導體中半導體中自由電子自由電子是多子，是多子，空穴空穴是少子。是少子。 5、半導體的導電能力與、半導體的導電能力與溫度溫度、光強、雜質濃度、光強、雜質濃度 和材料性質有關。和材料性質有關。 1、半導體半導體的導電能力介于導體與絕緣體之間。的導電能力介于導體與絕緣體之間。 2、在一定溫度下，本征半導體因、在一定溫度下，本征半導體因本征激發本征激發而產生自由而產生自由 電子和空

8、穴對，故其有一定的導電能力。電子和空穴對，故其有一定的導電能力。 3、本征半導體的導電能力主要由、本征半導體的導電能力主要由溫度溫度決定；決定； 雜質半導體的導電能力主要由雜質半導體的導電能力主要由所摻雜質所摻雜質的濃度決定。的濃度決定。一、一、pn 結的形成結的形成利用摻雜工藝，將利用摻雜工藝，將p 型半導體和型半導體和n 型半導體制作型半導體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面處就形成了在同一塊硅片上，在它們的交界面處就形成了pn 結。結。1.1.3 pn結結n 型半導體型半導體p 型半導體型半導體+pn結結+物質因濃度差會產生擴散運動物質因濃度差會產生擴散運動n區自由電區自由電子濃度遠高子

9、濃度遠高于于p區。區。p區空穴區空穴濃度遠高濃度遠高于于n區。區。自由電子自由電子空穴空穴空間電荷區，空間電荷區，也稱耗盡層。也稱耗盡層。擴散的結果是產生擴散的結果是產生空間電荷區。空間電荷區。+內電場內電場e+-在電場力作用下，載流子產生的運動稱為漂移運動在電場力作用下，載流子產生的運動稱為漂移運動自由電子自由電子空穴空穴電位電位vv0最終擴散和漂移這一對相反的運動達到平衡，相當最終擴散和漂移這一對相反的運動達到平衡，相當于兩個區之間沒有電荷運動，空間電荷區的厚度固于兩個區之間沒有電荷運動，空間電荷區的厚度固定不變。定不變。多子的擴散運動多子的擴散運動空間電荷區形成內電場空間電荷區形成內電場

10、 內電場促使少子漂移內電場促使少子漂移 內電場阻止多子擴散內電場阻止多子擴散 總結總結 因濃度差因濃度差 由由雜質離子形成空間電荷區雜質離子形成空間電荷區達到平衡，空間電荷區寬度固定不變達到平衡，空間電荷區寬度固定不變 二、二、 pn結的單向導電性結的單向導電性+repn 結正向偏置結正向偏置內電場內電場外電場外電場變變薄薄pn+_外加電源將使擴散運外加電源將使擴散運動源源不斷的進行，動源源不斷的進行，形成正向電流，形成正向電流，pn結結導通導通pn 結反向偏置結反向偏置+內電場內電場外電場外電場變厚變厚np+_內電場被被加強，多子內電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂的擴散受抑制。少子漂移

11、加強，但少子數量有移加強，但少子數量有限，只能形成較小的反限，只能形成較小的反向電流。向電流。pn結截止結截止re pn結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；向擴散電流； 由此可以得出結論：由此可以得出結論：pn結具有單向導電性。結具有單向導電性。 pn結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流，反向漂移電流， pn結截止。結截止。總結總結三、三、pn結結vcr方程方程) 1(tuuseiipn結兩端的外電壓結兩端的外電壓u與流過與流過pn結的電流結的電流i之間的關系之間的關系ut: 溫度電壓當

12、量，溫度電壓當量， = kt/q，一般取值為，一般取值為26mv； k為玻耳曼常數為玻耳曼常數 t為熱力學溫度為熱力學溫度 q為電子電荷量為電子電荷量is：反向飽和電流反向飽和電流) 1(tuuseiiabc四、四、pn結的電容效應結的電容效應1. 勢壘電容勢壘電容 pn結外加電壓變化時，空間電荷區的寬度將發結外加電壓變化時，空間電荷區的寬度將發生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容放電相同，其等效電容稱為勢壘電容cb。2. 擴散電容擴散電容 pn結外加的正向電壓變化時，在擴散過程中載結外加的正向電壓變化時，在擴

13、散過程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散電容釋放的過程，其等效電容稱為擴散電容cd。dbjccc結電容：結電容： 結電容不是常量！若結電容不是常量！若pn結外加電壓頻率高到一定結外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向導電性！程度，則失去單向導電性！np+-1.2 半導體二極管半導體二極管外殼封裝外殼封裝陰極引線陰極引線陽極引線陽極引線1.2.1 半導體二極管的結構類型半導體二極管的結構類型按按結結構構分分類類點接觸型點接觸型面接觸型面接觸型平面型平面型(1) (1) 點接觸型二極管點接觸型二極管陽極引線陽極引

14、線陰極引線陰極引線pnpn結面積小結面積小不能通過較大的電流不能通過較大的電流結電容小結電容小工作頻率高工作頻率高 適用于適用于高頻電路高頻電路和小功率整流和小功率整流陽極引線陽極引線陰極引線陰極引線(2) (2) 面接觸型二極管面接觸型二極管pnpn結面積大結面積大能通過較大的電流能通過較大的電流結電容大結電容大能在低頻下工作能在低頻下工作一般僅作為一般僅作為整流管使用整流管使用合金法合金法pnpn結面積可大可小結面積可大可小陽極引線陽極引線陰極引線陰極引線視結面積的大小視結面積的大小用于大功率整流用于大功率整流和開關電路中和開關電路中二極管的電路符號二極管的電路符號陽極陽極陰極陰極二端無源

15、元件二端無源元件(3) (3) 平面型二極管平面型二極管擴散法擴散法+-ui半導體二極管圖片1.2.2 1.2.2 半導體二極管的伏安特性曲線半導體二極管的伏安特性曲線uipn結結二極管二極管) 1(etsuuii近似分析時：近似分析時：(1) (1) 二極管和二極管和pnpn結伏安特性的區別結伏安特性的區別二極管存在半導體二極管存在半導體體電阻體電阻和和引線電阻引線電阻二極管表面二極管表面 漏電流漏電流單向導電性單向導電性ui幾點說明幾點說明二極管的正向特性二極管的正向特性陽極陽極陰極陰極+-uu00uuonuon開啟開啟電壓電壓正向電流為零正向電流為零uuon開始出現正向電流，并按指數規律

16、增長。開始出現正向電流，并按指數規律增長。) 1(etsuuii二極管的反向特性二極管的反向特性陽極陽極陰極陰極+-uuuz時作用同二極管時作用同二極管u增加到增加到uz 時，穩壓管擊穿時，穩壓管擊穿(a)2 2、穩壓管的主要參數、穩壓管的主要參數規定的穩壓管反向工作電流規定的穩壓管反向工作電流iz下，所對應的反向工作電下，所對應的反向工作電壓。壓。(1)(1)穩定電壓穩定電壓 uz穩壓管低于此值穩壓情況穩壓管低于此值穩壓情況變壞，常記作變壞，常記作izmin(2)(2)穩定電流穩定電流 iz工作在穩壓區時，端電壓變化量與其電流變化量之比工作在穩壓區時，端電壓變化量與其電流變化量之比(3)(3

17、)動態電阻動態電阻rzrz = uz / iz(4)(4)額定功耗額定功耗p pzmpzm= uz izmax最大穩定最大穩定電流電流(5)(5)溫度系數溫度系數表示溫度每變化表示溫度每變化1穩壓值的變化量穩壓值的變化量例例1 電路如圖所示，設電路如圖所示，設ui=6sint v，試繪出輸出電壓試繪出輸出電壓uo的波形。設的波形。設dz為硅穩壓二極管，穩定電壓為為硅穩壓二極管，穩定電壓為5v, 正向導正向導通壓降忽略不計。通壓降忽略不計。+ui-3v rdz+uo-解：解： ui -3v d導通導通 uo= -3v ui -3v d截止截止 uo= ui 2v 2v uid反向擊穿反向擊穿 uo= 2v ui/v t o6uo/v t o22-3-3abvb= uiva= -3v例例2 穩壓管的穩定電穩壓管的穩定電uz=6v, 最小穩定電流最