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1、N型半导体和P型半导体,1.1.3 PN结,PN结的单向导电性,半导体的导电特性,1.1 半导体基础知识和PN结,第1章,上页,下页,返回,本征半导体,完全纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。它具有共价键结构。,锗和硅的原子结构,单晶硅中的共价键结构,价电子,硅原子,第1章,上页,下页,翻页,返回,半导体的导电特性,在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电。空穴和自由电子都称为载流子。它们成对出现，成对消失。,在常温下自由电子和空穴的形成,复合,自由电子,本征激发,第1章,上页,下页,翻页,返回,在通常情况下，本征半导体中载流子的数量是极其微弱的，其导电能力很差。当温度增加，或受其他能量
2、的激励（如光照），电子的运动加剧，载流子的数目增加，导电性能也就愈好，所以温度对半导体器件的性能影响很大。,1.1.2 N型半导体和P型半导体,原理图,P,自由电子,结构图,磷原子,正离子,P+,在硅或锗中掺入少量的五价元素，如磷或砷、锑，则形成N型半导体。,多余价电子,在N型半导体中，电子是多子，空穴是少子。电子带负电：Negative,第1章,上页,下页,翻页,返回,P型半导体,在硅或锗中掺入三价元素，如硼或铝、镓，则形成P型半导体。,原理图,B,B-,硼原子,负离子,空穴,填补空位,结构图,在P型半导体中，空穴是多子，电子是少子。,第1章,上页,下页,翻页,返回,空穴带正电：Posoti
3、ve,用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成P型半导体区域和N型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成一个PN结。,P 区,N 区,P区的空穴向N区扩散并与电子复合,N区的电子向P区扩散并与空穴复合,空间电荷区,内电场方向,1.1.3 PN结的形成,第1章,上页,下页,翻页,返回,空间电荷区,内电场方向,在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡。,P区,N区,多子扩散,少子漂移,第1章,上页,下页,翻页,返回,在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定。,内电场阻挡多子的扩散运动，推动少子的漂移运动。,结 论：,在PN结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移
4、运动。,第1章,上页,下页,翻页,返回,1.1.4 PN结的单向导电性,P区,N区,内电场,外电场,E,I,空间电荷区变窄,P区的空穴进入空间电荷区和一部分负离子中和,N区电子进入空间电荷 区和一部分正 离子中和,扩散运动增强，形成较大的正向电流。,第1章,上页,下页,翻页,返回,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,空间电荷区变宽,内电场,外电场,少子越过PN结形成很小的反向电流,IR,E,第1章,上页,下页,翻页,N区,P区,返回,由上述分析可知：,PN结具有单向导电性,即在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大。（PN结处于导通状态）,加反向电压时，PN结电阻很高，反
5、向电流很小。（PN结处于截止状态）,切记,第1章,上页,下页,翻页,返回,1.2 半导体二极管,表示符号,面接触型,点接触型,引线,触丝,外壳,N型锗片,N型硅,阳极引线,PN结,阴极引线,金锑合金,底座,铝合金小球,第1章,上页,下页,翻页,返回,1.2.1 基本结构,第1章,上页,下页,翻页,返回,1.2.2 二极管的伏安特性,-40,-20,O,U/V,I/mA,60,40,20,-50,-25,0.4,0.8,正向,反向,击穿电压,死区电压,U(BR),硅管的伏安特性,I/A,第1章,上页,下页,翻页,返回,-20,-40,-25,0.4,0.2,-50,10,O,15,5,I/mA,
6、U/V,锗管的伏安特性,I/A,死区电压,1.2 晶体三极管(BJT)Bipolar Junction Transistor,1.2.1 基本结构,1.2.2 电流分配和电流放大原理,1.2.3 特性曲线,第1章,上页,下页,返回,1.2.4 主要参数,1.2.1 基本结构,NPN型,PNP型,第1章,上页,下页,翻页,返回,集电极:Collector,基极:base,发射极:Emission,1.2.2 电流分配和电流放大原理,IE,IB,RB,UBB,IC,UCC,输入电路,输出电路,公共端,晶体管具有电流放大作用的外部条件：,发射结正向偏置,集电结反向偏置,NPN 管：UBE0 UBCV
7、BVE,RC,B,C,E,共发射极放大电路,第1章,上页,下页,翻页,返回,三极管的电流控制原理,UBB,RB,IB,IC,UCC,RC,N,P,IE,N,发射区向基区扩散电子,电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IE,电子在基区的扩散与复合,集电区收集电子,电子流向电源正极形成IC,EB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IB,第8章,上页,下页,翻页,返回,由上所述可知:,由于基区很薄且掺杂浓度小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。即：,ICIB 或 ICIB,第1章,上页,下页,翻页,返回,当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的微小变化时，必定使IC发生较大的变化。即三极管
8、的基极电流对集电极电流具有控制作用。,特性曲线,1.输入特性曲线,IB=f(UBE),UC E=常数,UCE1V,第1章,上页,下页,翻页,返回,UBE,/V,IB/,A,O,O,2.晶体管输出特性曲线,IC=f(UCE)|IB=常数,IB 减小,IB增加,UCE,IC,IB=20A,IB=60A,IB=40A,第1章,上页,下页,翻页,返回,晶体管输出特性曲线分三个工作区,UCE/V,IC/mA,80,60,40,0,IB=20 A,O,2,4,6,8,1,2,3,4,截止区,饱和区,放大区,第1章,上页,下页,翻页,返回,晶体管三个工作区的特点:,放大区:,截止区:,饱和区:,发射结正偏,
9、集电结反偏,有电流放大作用,IC=IB,输出曲线具有恒流特性,发射结、集电结处于反偏,失去电流放大作用,IC0,晶体管C、E之间相当于开路,发射结、集电结处于正偏,失去放大作用,晶体管C、E之间相当于短路,第1章,上页,下页,翻页,返回,取一块P型半导体作为衬底，用B表示。,用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘层。,用光刻工艺腐蚀出两个孔。,扩散两个高掺杂的N型区。从而形成两个PN结。（绿色部分）,从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。,在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。,N沟道增强型MOSFET的结构和符号,G：gate；D：drain；S：source,9,1 UD
10、S=0，UGS0,UGS0将在绝缘层产生电场，该电场将SiO2绝缘层下方的空穴推走，同时将衬底的电子吸引到下方，形成导电沟道。,反型层,产生有漏极电流ID。这说明UGS对ID的控制作用。,N沟道增强型MOSFET的工作原理,2 UDS0，UGS0,同时P型衬底中的少子（电子）被吸引到栅极下的衬底表面。但正的栅源电压达到一定数值时，这些电子在栅极附近的P型硅表面便形成了一个N型薄层，称之为反型层。,10,NMOS管和PMOS管的通断条件,NMOS,当UGSVT时导通,当UGSVT时截止,PMOS,当UGSVT时导通,当UGSVT时截止,MOS管的工作原理,VT称为开启电压（T=Threshold,阈值）,11,（1）当UGS=0时，RDS可达到106。当UGS增加时，RDS减小，最小可达到10左右，因此，MOS管可看成由电压控制的电阻。,（2）MOS管的门极有非常高的输入阻抗。,MOS管的工作原理,MOS管的电路模型,12,
