半导体器件课件

第一节半导体的特性本征半导体杂质半导体下页总目录1.半导体(semiconductor)共价键covalentbond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一、本征半导体(intrinsicsemiconductor)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下页首页上页2.本征半导体(intrinsicsemiconductors)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）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。下页上页首页+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体中的载流子带负电的自由电子freeelectron带正电的空穴hole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。下页上页首页+4+4+4+4+4+4+4+4+4半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。在一定温度下电子–空穴对的产生和复合达到动态平衡。在本征半导体中，两种载流子总是成对出现称为电子–空穴对本征载流子的浓度对温度十分敏感电子–空穴对两种载流子浓度相等下页上页首页1.N型（或电子型）半导体(N-typesemiconductor)二、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，下页上页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自由电子首页+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下页上页5价的杂质原子可以提供电子，所以称为施主原子。首页+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，空位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，产生了一个空位。空位为电中性。下页上页首页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。下页上页3价的杂质原子产生多余的空穴，起着接受电子的作用，所以称为受主原子。少数载流子首页在杂质半导体中：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。总结上页首页第二节半导体二极管PN结及其单向导电性二极管的伏安特性二极管的主要参数稳压管总目录下页-++++++++++++-----------PN1.PN结中载流子的运动-++++++++++++-----------空间电荷区内电场UD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）V一、PN结及其单向导电性扩散漂移下页上页首页NP-++++++++++++-----------RV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耗尽层内电场UD-U外电场I称为正向接法或正向偏置（简称正偏，forwardbias)PN结处于正向导通(on)状态，正向等效电阻较小。下页上页首页+-U-++++++++++++-----------RV称为反向接法或反向偏置（简称反偏）一定温度下，V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UD+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。下页上页首页动画PN二、二极管的伏安特性阳极从P区引出，阴极从N区引出。1.二极管的类型从材料分：硅二极管和锗二极管。从管子的结构分：对应N区对应P区点接触型二极管，工作电流小，可在高频下工作，适用于检波和小功率的整流电路。面接触型二极管，工作电流大，只能在较低频率下工作，可用于整流。开关型二极管，在数字电路中作为开关管。

二极管的符号阳极anode阴极cathode下页上页首页302010I/mAUD/V0.51.01.5201024-I/μАO正向特性死区电压IsUBR反向特性+-UDI2.二极管的伏安特性下页上页首页动画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/mA0

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：正向特性下页上页首页反偏时，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若|U|>>UT则I≈-

IS

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。反向特性-2-4-I/μAI/mAU/V-20-100若U

>>UT

则下页上页首页三、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。

最高反向工作电压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

。下页上页首页室温条件下，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fMfM值主要决定于PN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。下页上页反向电流IR首页二极管除了具有单向导电性以外，还具有一定的电容效应。势垒电容Cb由PN结的空间电荷区形成，又称结电容，反向偏置时起主要作用。扩散电容Cd由多数载流子在扩散过程中的积累引起，正向偏置时起主要作用。下页上页首页[例1.2.1]已知uI=

Umsinωt，画出uO和uD的波形VDR+-+-uIuO+-uDiOUmωtuoOωtuDOuI＞0

时二极管导通，uO=

uIuD

=

0uI

＜0

时二极管截止，uD

=

uIuO=

0-UmioUmωtuIO下页上页首页[例1.2.2]二极管可用作开关VVDVSVVDVS正向偏置，相当于开关闭合。反向偏置，相当于开关断开。下页上页首页四、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下页上页首页1.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.动态内阻rZ

：稳压管两端电压和电流的变化量之比。

rZ=ΔU/ΔI4.电压的温度系数αU：稳压管电流不变时，环境温度对稳定电压的影响。5.额定功耗PZ

：电流流过稳压管时消耗的功率。主要参数：下页上页首页使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：UORLVDZRUIIRIOIZ++--

稳压管电路稳压管必须工作在反向击穿区。稳压管应与负载RL并联。必须限制流过稳压管的电流IZ。下页上页首页[例1.2.3]电路如图所示，已知UImax=15V，UImin=10VIZmax=50mA，IZmin=5mA，RLmax=1kΩ，RLmin=600ΩUZ=6V,

对应ΔUZ=0.3V。求rZ，选择限流电阻RO下页上页首页UORLVDZRUIIRIOIZ++--+-UZ解：IZ=IR

-IO=UI-UZR-UZRLIZmax＞UImax-UZR-UZRLmaxIZmin

＜UImin-UZR-UZRLminrZ

=ΔIZΔUZ=6.7Ω15

-

650

+61kΩ=161ΩR＞R＜10

-

65

+60.6kΩ=267ΩΔIZ=IZmax-IZmin=45mA下页上页首页UORLVDZRUIIRIOIZ++--+-UZ+-VD1VD2U+-U+-U+-UVD1VD2VD1VD2VD1VD2[例1.2.4]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=0.6

V，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=8.6V下页上页首页上页首页课堂练习第三节双极结型三极管三极管的结构三极管中载流子的运动和电流分配关系三极管的特性曲线三极管的主要参数总目录下页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。双极结型三极管又称为：硅或锗NPN型PNP型下页上页首页一、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：无特别要求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下页上页首页RbRcVBBVCCecb发射极电流二、三极管中载流子的运动和电流分配关系发射:发射区大量电子向基区发射。2.复合和扩散：电子在基区中复合扩散。3.收集：将扩散过来的电子收集到集电极。同时形成反向饱和电流ICBO。IEICIBICNIENIBNICBO集电极电流基极电流下页上页首页动画RbRcVBBVCCecbIEICIBICNIENIBNICBOIC

=

ICn+

ICBOIE

=

ICn+

IBnIC

=αIE+

ICBO当ICBO

<<IC时，可得≈ICIEαIEn

=

ICn+

IBnIE

=

IEnIE

=

IC+

IB下页上页将代入IC

=

ICn+

ICBO得ICnα=IE通常将定义为共基直流电流放大系数。首页β≈ICIBIE

=

IC+

IBIC

=αIE+

ICBO代入得IC

=αα1-

IB+α1-

1ICBOβ=αα1-令可得IC

=βIB+（1+）ICBOβIC

=βIB+ICEO当ICEO

<<

IC时，可得β称为共射直流电流放大系数。ICEO

=（

1+β）ICBOIE=IC+IBIC

≈βIBIE=（1+β）IBICEO称为穿透电流。下页上页首页各参数含义：：共基直流电流放大系数。：共射直流电流放大系数。α=ICnIEICEO=（1+）ICBOβ：集电极与发射极间穿透电流。β=ΔiCΔiBα=ΔiCΔiE：共基交流电流放大系数。：共射交流电流放大系数。β1+βα

=β=α1-αα

和β满足或β=IC-

ICEOIB≈ICIB下页上页首页三、三极管的特性曲线1.输入特性iB=f（uBE）uCE=

常数uCE=0VuCE=2V当uCE大于某一数值后，各条输入特性十分密集，通常用uCE

>1时的一条输入特性来代表。uBE/ViB/μAO

三极管的输入特性下页上页uBEiB+-uCE=0VBBRbbec

三极管的输入回路首页2.输出特性iC/mAOuCE/ViB=80μА6040200iC=f(uCE)iB=常数饱和区放大区截止区：iB

≤0的区域，iC

≈0，发射结和集电结都反偏。3.

饱和区：发射结和集电结都正偏，uCE较小，iC

基本不随iB

而变化。当uCE=uBE时，为临界饱和；当uCE<uBE

时过饱和。截止区下页上页首页动画2.

放大区：发射结正偏，集电结反偏ΔiC=βΔiB

发射结反向偏置,集电结反向偏置,三极管工作在截止区,可调换

VBB极性。发射结反向偏置,三极管工作在截止区,可调换

VCC极性,或将VT更换为PNP型。两PN结均正偏,三极管工作在饱和区。[例1.3.1]判断图示各电路中三极管的工作状态。0.7VVT0.3V下页上页RbRcVCCVBBVTRbRcVCCVT首页VBB=iBRb+uBEiBiCiB

=

46.5

μAβiB

=

2.3mA假设三极管饱和，UCES=0.3

V则ICS=VCC-UCESRc=4.85

mAβiB

<ICS假设不成立，三极管工作在放大区。或者iC=βiB

=

2.3mAuCE=VCC-iCRc=5.4

V发射结正偏集电结反偏，三极管工作在放大区。下页上页RbRcVCCVBBVT2k200k10V10Vβ=50首页VBB=iBRb+uBEiBiCiB

=

465

μAβiB

=

23mA假设三极管饱和，UCES=0.3

V则ICS=VCC-UCESRc=4.85

mAβiB

>ICS假设成立，三极管工作在饱和区。或者iC=βiB

=

23mAuCE=VCC-iCRc=-36

V发射结正偏集电结正偏，三极管工作在饱和区。下页上页RbRcVCCVBBVT2kΩ20kΩ10V10Vβ=50首页四、三极管的主要参数2.反向饱和电流β=ΔiCΔiBβ≈ICIB共基直流电流放大系数αα=ΔiCΔiE

共基电流放大系数αα=ICIEβ共射直流电流放大系数集电极和基极之间的反向饱和电流ICBO集电极和发射极之间的穿透电流

ICEOICEO=（1+）ICBOβ两者满足1.电流放大系数

共射电流放大系数β下页上页首页3.极限参数a.集电极最大允许电流

ICMiC/mAOuCE/V三极管的安全工作区过流区集射反向击穿电压U(BR)CEO集基反向击穿电压U(BR)CBOiCuCE=PCM过压区安全工作区ICM过损耗区U(BR)CEOc.极间反向击穿电压b.集电极最大允许耗散功率

PCM下页上页首页下页上页五、PNP型三极管PNP型三极管的放大原理与NPN型基本相同，但外加电源的极性相反。首页VBBuiRbRcVT+-uOVCCVBBuiRbRcVT+-uOVCC在由PNP型三极管组成的放大电路中，三极管中各极电流和电压的实际方向如图(a)所示，根据习惯三极管中电流和电压的规定正方向如图(b)所示。UCE

UBE

IE

IC

IB

cbe(-)

(+)

(+)

(-)

(a)UCE

UBE

IE

IC

IB

cbe(-)

(+)

(+)

(-)

(b)定量计算中，将得出PNP型三极管的UBE和UCE为负值。在PNP型三极管的输入和输出特性曲线中，电压坐标轴上将分别标注“-UBE”和“-UCE”。电流实际方向与规定方向一致，电压实际方向与规定方向相反。下页上页首页上页首页课堂练习第四节场效应三极管结型场效应管绝缘栅场效应管场效应管的主要参数下页总目录场效应三极管中参与导电的只有一种极性的载流子（多数载流子），故称为单极型三极管。分类：结型场效应管绝缘栅场效应管增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道N沟道P沟道P沟道下页上页首页一、结型场效应管1.结构N型沟道耗尽层gdsgdsP+P+N沟道结型场效应管的结构和符号栅极漏极源极下页上页首页2.工作原理uGS=0uGS<0uGS=UGS(off)⑴当uDS=0时，uGS对耗尽层和导电沟道的影响。ID=0ID=0下页上页首页N型沟道gdsP+P+N型沟道gdsP+P+gdsP+P+沟道较宽，iD

较大。iS=iDiDiSiDiSuGS=0，uGD>UGS(off)uGS<0，uGD>UGS(off)⑵当uDS＞0时，uGS对耗尽层和iD的影响。NP+P+VGGVDDgdsNP+P+VDDgds沟道变窄，

iD

较小。下页上页首页NP+P+iDiSVGGVDDP+P+iDiSVGGVDDuGS<0，uGD=UGS(off)，uGS≤

UGS(off)，uGD

<

UGS(off)，iD≈0，导电沟道夹断。iD更小，导电沟道预夹断。下页上页首页动画3.特性曲线⑴转移特性iD=f（uGS）|uDS=常数gdsmAVVIDVGGVDD场效应管特性曲线测试电路Ｎ沟道结型场效应管转移特性

IDSSUGS(off)饱和漏极电流栅源间加反向电压uGS

<

0利用场效应管输入电阻高的优点。uGS/ViD/mAO下页上页首页⑵漏极特性iD=f（uDS）|uGS=常数预夹断轨迹可变电阻区恒流区击穿区|UGS(off)|8VIDSSuGS=0-4-2-6-8iD/mAuDS/VO|uDS-uGS|=|UGS(off)|可变电阻区：iD与uDS基本上呈线性关系，但不同的uGS其斜率不同。恒流区：又称饱和区，iD几乎与uDS无关，iD的值受uGS控制。N沟道结型场效应管的漏极特性击穿区：反向偏置的PN结被击穿，

iD电流突然增大。夹断电压下页上页首页二、绝缘栅场效应管1.N沟道增强型MOS场效应管⑴结构P型衬底N+N+BsgdSiO2铝P衬底杂质浓度较低，引出电极用B表示。N+两个区杂质浓度很高，分别引出源极和漏极。栅极与其他电极是绝缘的，通常衬底与源极在管子内部连接。sgdB下页上页首页P型衬底N+sgdBN+开启电压，用uGS(th)表示⑵工作原理当uGS增大到一定值时，形成一个N型导电沟道。N型沟道uGS>UGS(th)时形成导电沟道VGG导电沟道的形成假设uDS=0，同时uGS

>0

靠近二氧化硅的一侧产生耗尽层，若增大uGS

，则耗尽层变宽。又称之为反型层导电沟道随uGS增大而增宽。下页上页首页uDS对导电沟道的影响uGS为某一个大于UGS(th)的固定值，在漏极和源极之间加正电压，且uDS<

uGS

-UGS(th)即uGD=uGS-uDS

>UGS(th)则有电流iD

产生，iD使导电沟道发生变化。当uDS

增大到uDS=uGS

-UGS(th)即uGD=uGS-uDS

=UGS(th)

时，沟道被预夹断，

iD

饱和。P型衬底N+