《常用半导体器》PPT课件.ppt

模拟电子技术基础 童诗白 华成英 主编 第一章 常用半导体器件 1.1 半导体的基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型晶体管 1.4 场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6 集成电路中的元件 l1.1.1 本征半导体 l1.1.2 杂质半导体 l1.1.3 PN结 1.1 半导体基础知识 第一章 1.1.1 本征半导体 第一章 一、半导体 物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体 。 半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。 二、本征半导体的晶体结构 晶体中的原子在空间形成排列整齐 的点阵，称为晶 格。 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 第一章 三、本征半导体中的两种载流子 运载电荷的粒子称为 载流子。 本征半导体有两种载流 子，即自由电子和空穴 均参与导电，这是半导 体的特殊性质。 本征半导体中自由电子 和空穴数目相等。 第一章 四、本征半导体中的载流子的浓度 半导体在热激发下产生自由电子和空穴对 的现象称为本征激发。 自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇 就会填补空穴，使两者同时消失，这种现 象称为复合。 在一定的温度下，本征半导体中载流子的 浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓 度相等。 第一章 五、 半导体的特性 掺入杂质则导电率增加几百倍 （1）掺杂特性 半导体器件 温度增加使导电率大为增加 （2）温度特性 热敏器件 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势 （3）光照特性 光敏器件 光电器件 1.1.2 杂质半导体 第一章 通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少 量合适的杂质元素，便可得到杂质半导体 。 杂质半导体 N型半导体 P型半导体 一、N型半导体 在纯净的硅晶体中掺入五价 元素，使之取代晶格中硅原 子的位置，就形成了N型半 导体。 自由电子的浓度大于空穴 的浓度，故称自由电子为多 数载流子，空穴为少数载流 子。 由于杂质原子可以提供电 子，故称之为施主原子。 第一章 二、P型半导体 在纯净的硅晶体中掺入 三价元素，使之取代晶格 中硅原子的位置，就形成 了P型半导体。 自由电子的浓度小于空穴 的浓度，故称自由电子为 少数载流子，空穴为多数 载流子。 由于杂质原子可以俘获电 子，故称之为受主原子。 1.1.3 PN结 第一章 一、PN结的形成 采用不同的掺杂工艺，将P型 半导体与N型半导体制作在同 一块硅片上，在他们的交界面 就形成PN结。PN结具有单向 导电性。 一、PN结的形成 第一章 P区 N区扩散运动 载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流 内电场 内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动 扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡 Uho 内电场的建立，使PN结中产生 电位差Uho。 电位差Uho决定于材料及掺杂浓度 硅： Uho=0.7左右 锗： Uho=0.2左右 第一章 二、PN结的单向导电性 第一章 1. PN结外加正向电压时处于导通状态 外电场方向与PN结内电场方向 相反，削弱了内电场。 于是内电场对多子扩散运动的 阻碍减弱，扩散电流加大。 扩散电流远大于漂移电流，可 忽略漂移电流的影响 PN结呈现低阻性。 P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏； 内 外 第一章 2. PN结外加反向电压时处于截止状态 外电场方向与PN结内电场方 向相同，加强了内电场。阻 止扩散运动的进行，加剧漂 移运动的进行，因少子数目 极少，反向漂移电流很小。 PN结处于截止状态，呈现高 阻性 P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏； 内 外 三、结的电流方程 第一章 式中 Is 反向饱和电流; UT = kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数； T=300k（室温）时 UT= 26mv 由半导体物理可推出： 当加反向电压时： 当加正向电压时： (uUT) PN结两端的电压与 流过PN结电流的关系式 四、PN结的伏安特性 第一章 其中u大于0的部分称 为正向特性，u小于0 的部分称为反向特性 。 当反向电压超过一定 数值后，反向电流急 剧增加，称之为反向 击穿。 击穿分齐纳击穿和雪 崩击穿两种情况。 五、PN结的电容效应 第一章 1.势垒电容 耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb PN结加正向电压时， 主要体现为多子的扩散 运动，在扩散区内，电 荷的积累和释放过程与 电容器充放电过程相同 ，这种电容效应称为扩 散电容Cd 第一章 2.扩散电容 结电容Cj是Cb与Cd之和 ,即 Cj=Cb+Cd 第一章 l1.2.1 半导体二极管的几种常见结构 l1.2.2 二极管的伏安特性 l1.2.3 二极管的主要参数 l1.2.4 二极管的等效电路 l1.2.5 稳压二极管 l1.2.6 其它类型二极管 1.2 半导体二极管 1.2.1 半导体二极管的几种常见结构 第一章 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管 二极管按结构分 点接触型 面接触型 平面型 PN结面积大，用 于工频大电流整流电路 往往用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小， 用于大功率整流和开关电路中。 1.2.1 半导体二极管的几种常见结构 第一章 PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路 第一章 1.2.2 二极管的伏安特性 与PN结一样，二极管具有单向导电性 。但是，由于二极管存在半导体体电 阻和引线电阻，所以当外加正向电压 时，在电流相同的情况下，二极管的 端电压大于PN结上的压降；或者说， 在外加正向电压相同的情况下二极管 的正向电流要小于PN结的电流。 一、二极管和PN结伏安特性的区别 第一章 1.2.2 二极管的伏安特性 （1）正向起始部分存在一 个死区或门坎，称为门 限电压(开启电压)。 硅：Uon=0.5v左右； 锗：Uon=0.1v左右； （2）加反向电压时，反向 电流很小 Is硅(nA)0，集电结已进入反偏状 态，开始收集电子，且基区复 合减少， iB 减小，特性曲线将 向右稍微移动一些。但UCE再增 加时，曲线右移很不明显。通 常只画一条。 输入特性曲线分三个区 非线性区 死区 线性区 正常工作区，发射结正偏 NPN Si: UBE= 0.60.7V PNP Ge: UBE= -0.2-0.3V 一、 输入特性曲线 第一章 输出特性曲线描述 了在基极电流IB一 定的情况下,集电极 极电流iC与管压降 uCE之间的函数关系 ,即: 二、 输出特性曲线 第一章 第一章 饱和区: (1) iC受uCE显著控制的区域，该 区域内uCE 的数值较小，一般uCE 0.7V(硅管)。 (2) Uces=0.3V左右 截止区： IB=0的曲线的下方的区 域 IB=0 Ic=Iceo NPN：uBE0.5V,管子就处于 截止状态。 二、 输出特性曲线 放大区： iC平行于uCE轴的区域，曲线基本 平行等距。 (1)发射结正偏，集电结反偏， (2) 电压uBE大于0.7V左右(硅管) 。 (2) iC主要受iB的控制。 (3) 第一章 1.3.4 晶体管的主要参数 一、直流参数 2、共基直流电流放大系数 1、共射直流电流放大系数 3、极间反向电流 （1）集电极基极间反向饱和电流ICBO （2）集电极发射极间的穿透电流ICEO ICEO和ICBO有如下关系 ICEO=（1+ ）ICBO 2、共基交流电流放大系数 1、共射交流电流放大系数 第一章 1.3.4 晶体管的主要参数 二、交流参数 3、特征频率fT 特征频率为使的数值下降到1的信号频率fT 第一章 1.3.4 晶体管的主要参数 三、极限参数 1.最大集电极耗散功率PCM 决定于晶体管的温升. 2.最大集电极电流ICM 3.极间反向击穿电压 晶体管的某一电极开路时, 另外的两个电极所允许加 的最高反向电压即为极间 反向击穿电压. 1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响 第一章 1.温度对ICBO的影响 温度每升高10 ,ICBO增 加约一倍. 2.温度对输入特性的影响 温度升高时,正向特性将 左移,反之将右移 3.温度对输出特性的影响 温度升高时增大 集电极电流增大 0.40.8 80 40 1.3.6 光电三极管 第一章 光电三极管根据光照的强度来控制集电极电流的 大小,可等效为一只光电二极管与一只晶体管相连 ,并仅引出集电极与发射极, 其符号如图(b)所示,常 见外形如图(c)所示. 光电三极管与普通三 极管的输出特性曲线 相类似,只是将参数变 量基极电流IB用入射光 照度E取代,如图所示. 使用光电三极管时,也 应该特别注意其反向 击穿电压,最高工作电 压,最大集电极功耗等 极限参数. 第一章 第一章 l1.4.1 结型场效应管 l1.4.2 绝缘栅型场效应管 l1.4.3 场效应管的主要参数 l1.4.4 场效应管与晶体管的比较 1.4 场效应管 概 述 场效应管 场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的 一种半导体器件，仅靠多数载流子导电，因此称其为单极型 晶体管。 场效应管的分类 结型场效应管JFET MOS型场效应管MOS FET 1. 晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。 2. 晶体管参与导电的是电子空穴，因此称双极型器件； 3. 晶体管的输入电阻较低，一般102104； 场效应管的输入 电阻高，可达1071012 场效应管与晶体管 1.4.1 结型场效应管 第一章 结型场效应管（JFET)分类 可分为N沟道和P沟道两种，输入电阻约为107。 结型场效应管（JFET)结构 P+P+ N g s d N沟道结型场效应管 导电沟道 1.4.1 结型场效应管 第一章 一、结型场效应管（JFET)的工作原理 根据结型场效应管的结构，因它没有绝缘层，只能 工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应管只能工作 在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出 现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。 P+P+ N g S d uDS iD d P+P+ N g S uDS iD uGS 第一章 uGS 1.当uDS=0时, uGS对导电沟道的控制作用 当uGS=0时，沟道较宽。 当uGS0时，PN结反偏，PN结加宽，漏源间的沟 道将变窄。 当uGS继续向负方向增加，沟道继续变窄， 当到某 一数值时沟道消失，此时所对应的栅源电压uGS称为夹断 电压UGS (off)。 一、结型场效应管（JFET)的工作原理 第一章 2.当uGS为UGS (off) 0某一固定值时, uDS对iD的影响 当uDS=0时，虽存在导电沟道,但电压为0,多子不会 移动iD=0。 当uDS0时，则有iD，沟道各点与栅极间电压不相 等,耗尽层宽度也不同。而 iD随uDS增大而增大。当uDS增 加使uGD=UGS (off)。漏极一边出现夹断区预夹断。 当 uDS 继续增大，使uGDUGS (off)，夹断区加长， iD减小，另一方面uDS增大使iD增大，两种变化相抵消所 以iD基本不变。 一、结型场效应管（JFET)的工作原理 第一章 3.当uGDUGS (off)时, uGS对iD的控制作用 当uGDuGS uDSUGS (off)时，即uDSuGS UGS (off) 的情况下, uDS为常量，对应确定的uGS ，就有确定的iD。 因此可以通过改变uGS来控制iD的大小。 低频跨导gm iD uGS用来描述栅源电压对漏 极电流的控制作用的参数。 一、结型场效应管（JFET)的工作原理 第一章 第一章 UGS一定时， iD与uDS的变化曲线，是一族曲线 1、输出特性曲线 二、 结型场效应管（JFET)的特性曲线 UGS=0V UGS=-4V UGS=-1V UGS=-2V UGS=-3V uDS(V) iD(mA) 第一章 （3）夹断区： uGS 0. 预夹断轨迹： uGD=UGS(off) , uDS 0, iD0 （4）击穿区： uDS 增加到某一值时，iD开始剧增而出现击穿 。 UGS=0V UGS=-4V UGS=-1V UGS=-2V UGS=-3V uDS(V) iD(mA) （2） 恒流区（放大区） ： uDSuGS-UGS(off) ，该区内 UGS一定，iD基本不随uDS 变化。 (1) 可变电阻区： iD将随uDS的增大而增大 。 第一章 2、转移特性曲线 UDS一定时， iD与uGS的变化曲线 在恒流区 iD与uGS的关系近似为 在可变电阻区，对不同的UDS，转移特性曲线将有很大变化 uGS(V) iD(mA) UGS（off） 转移特性曲线输出特性曲线 第一章 结 型 场 效 应 管 N 沟 道 P 沟 道 第一章 - 1.4.2 绝缘栅型场效应管 第一章 MOS场效应管 N沟道增强型的MOS管 P沟道增强型的MOS管 N沟道耗尽型的MOS管 P沟道耗尽型的MOS管 第一章 一、N沟道增强型MOS场效应管结构 漏极D 源极S栅极G 衬底B 电极金属 绝缘层氧化物 基体半导体 因此称之为MOS管 1.4.2 绝缘栅型场效应管 第一章 当uGS较小时，虽然在P型衬底 表面形成一层耗尽层，但负离 子不能导电。 1、工作原理 增强型MOS管 uDS iD + + - - + - + + - - - uGS 反型层 当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论uDS之 间是否加上电压,不会在D、S间形成电流iD,即iD0. 当uGSUGS(th)时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同uDS的作 用下，iD将进一步增加。 当uGS 增大uGS=UGS(th)时, 在P 型衬底表面形成一层电子层， 形成N型导电沟道，在uDS的作 用下形成iD。 开始无导电沟道， 当在uGSUGS(th)时才形 成沟道,这种类型的管 子称为增强型MOS管 第一章 漏源电压uDS对漏极电流iD的控制作用 当uGSUGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压uDS 对漏极电流 iD 的影响。 uDS 的不同变化对沟道的影响。 因为uGD=uGSuDS 当uDS为0或较小时， uDS的 增大使iD线性增大。此时栅漏 之间电压变小使得沟道靠近 漏极处变窄。 第一章 当uDS增加到使uGD=UGS（th）时， 当uDS增加到 uGDUGS（th）时， 这相当于uDS增加使漏极处沟道缩减 到刚刚开启的情况，称为预夹断。此 时的漏极电流iD 基本饱和。 此时预夹断区域加长，伸向S极。 uDS增加的部分基本降落在随之加长 的夹断沟道上， iD基本趋于不变。 从外部看iD几乎不因的uDS增大而变 化。iD几乎仅决定于uGS。 第一章 uDSuGS-UGS（th） uGS(V) iD(mA) UGS（th） 2、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线 uDS一定时，uGS对漏极电流 iD 的控制关系曲线 iD=f(uGS)uDS=C 转移特性曲线 在恒流区，iD与uGS的关系为 iDIDO(uGS/UGs（th）1)2 IDO是uGS=2UGS（th）时的iD 第一章 2、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线 uGS一定时， iD与uDS的变化曲线，是一族曲线 iD=f(uDS)uGS=C 输出特性曲线 1.可变电阻区： iD与uDS的关系近线性 iD 2K(uGS-UT)uDS uGS=6V uGS=4V uGS=5V uGS=3V uGS=UGS（th） uDS(V) iD(mA) 2. 恒流区： 该区内，uGS一定，iD基 本不随uDS变化而变化 3.击穿区： uDS 增加到某一值时，iD开始剧增而出 现击穿，此时uDS称为漏源击穿电压。 二、N沟道耗尽型MOS场效应管结构 第一章 + + + + + + + 耗尽型MOS管存在 原始导电沟道 第一章 各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线 绝 缘 栅 场 效 应 管 N 沟 道 增 强 型 P 沟 道 增 强 型 - 第一章 绝 缘 栅 场 效 应 管 N 沟 道 耗 尽 型 P 沟 道 耗 尽 型 - 各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线 1.4.3 场效应管的主要参数 一、直流参数 2. 夹断电压UGS（off） :夹断电压是耗尽型MOS管的参数，当 UGS=UGS（th）时,漏极电流为零。 3. 饱和漏极电流IDSS : 结型场效应管预夹断时所对应的漏极电流。 1. 开启电压UGS（th）:开启电压是MOS增强型管的参数，栅 源电压小于开启电压,场效应管不能导通。 第一章 4. 直流输入电阻RGS（DC） 栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比 结型场效应管，反偏时RGS（DC）约大于107， 绝缘栅场效应管RGS（DC）约是1091015。 1. 低频跨导gm 低频跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制作用 二、交流参数 第一章 2. 极间电容 Cgs栅极与源极间电容 Cgd 栅极与漏极间电容 Cds 源极与漏极间电容 三、极限参数 1、最大漏极电流IDM 2、击穿电压U(BR)DS 3、最大耗散功率PDM 第一章 1.4.4 场效应管与晶体管的比较 u一、场效应管用栅-源电压控制漏极电流，栅极基本不 取电流；晶体管工作时基极总是要索取一定的电流。 u二、场效应管只有多子参与导电；晶体管多子和少子 均参与导电。 u三、场效应管的噪声系数很小；晶体管的噪声系数大 。 u四、场效应管的漏极和源极可以互换；晶体管则一般 不能。 u五、场效应管比晶体管种类多，组成电路时更加灵活 。 u六、场效应管和晶体管均可用于放大和开关电路，均 可构成集成电路，但场效应管集成电路工艺简单，且 省电、工作电源电压范围宽。 第一章 第一章 l1.5.1 单结晶体管 l1.5.2 晶闸管 1.5 单结晶体管和晶闸管 1.5 单结晶体管和晶闸管 根据PN结外加电压时的工作特点,还 可以由PN结构其它类型的三端器件. 本节将介绍利用一个PN结构成的具 有负阻特性的器件-单结晶体管以利 用三个PN结构成的大功率可控制整 流器件-晶闸管. 1.5.1单结晶体管的结构和等效电路 在一个低参杂的N型硅棒上 利用扩散工艺形成一个高参 杂P区,在P区与N区接触面 形成PN结,就构成单结晶体 管(UJT) 其结构示意图如图1.5.1(a) 所示,单结晶体管因有两个 基极,故也称为双基极晶体 管.其符号如图(b)所示. 单结晶体管的等效电路如图 (c)所示, 图1.5.1 单结晶体管的结构 示意图和等效电路 二.工作原理和特性曲线 单结晶体管的发射电流 IE与e-b1间电压UEB1的关 系曲线称为特性曲线.特 性曲线的测试电路如图 1.5.2(a)所示,虚线筐内 单结晶体管的等效电路. 单极晶体管的特性曲线 如图所示1.5.2 图1.5.2 单结晶体管特性曲 线的测试 应用举例 图1.5.3所示为单结晶体 管组成的振荡电路. 所为振荡,是指在没有 输入信号的情况下,电路 输出 一定频率一定幅 值的电压或电流信号. 由于充电时间常数远大 于放电时间常数,当稳定 振荡时,电容上电压的波 形如图. 图1.5.3 单结晶体管组成的 振荡电路 1.5.2 晶闸管 晶体闸流管简称晶闸管, 也称为硅可控元件,是由 三个PN结构成的一种 大功率半导体器件,多用 于可控整流调压等电路 ,也作为无触点开关. 一.结构和等效模型 常见的晶闸管外形有 螺栓形和平板形,如图 图1.5.4 晶闸管的外形 二、工作原理 当晶闸管的阳极A和阴极C 之间加正向电压而控制极不 加电压时，J2处于反向偏 置，管子不导通，称为阻断 状态。 当晶闸管的阳极A和阴极C 之间加正向电压而控制极和 阴极加之间也加正向电压时 ，如图1.5.6所示，J3处于 导通状态，两只管子均进入 饱和状态，使晶闸管完全导 通，这个过程称为触发导通 过程。 图1.5.6 晶闸管的工作原理 三、晶闸管的伏安特性 以晶闸管的控制极电流 IG为参数，阳极电流I 与A-C间电压u的关系称 为晶闸管的伏安特性， 图1.5.7所示为晶闸管的 伏安特性曲线。 u0时的伏安特性称为 正向特性。 u0时的伏安特性称为 反向特性。 图1.5.7 晶闸管的伏安 特性曲线 四、晶闸管的主要参数 （1）额定正向平均电流IF 。 （2）维持电流IB。 （3）触发电压UG和触发 电流Ig。 （4）正向重复峰值电压 UDRM。 （5）反向重复峰值电压 URRM。 图1.5.8所示为可控半波整 流电路。 图1.5.8 例 1.5.2 电路 及波形图 第一章 l1.6.1 集成电路制造工艺简介 l1.6.2 集成双极型管 l1.6.3 集成单极型管 l1.6.4 集成电路中元件的特点 1.6 集成电路中的元件 1.6集成电路中的元件 集成电路就是采用一定的制造工艺，将晶体管、场 效应管、二极管、电阻、电容、等许多元件组成的 具有完整功能的电路制作在同一块半导体基片上， 然后加以封装所构成的半导体器件。由于它的元件 密度高、体积小、功能强、功耗低、外部连接及焊 点少，从而大大提高了电子设备的可靠性和灵活性 ，实现了元件、电路与系统的紧密结合。 本节将简单介绍制造工艺，并说明集成电路中元件 的构成及特点。 1.6.1集成电路制造工艺简介 在集成电路的产生过程中 ，在直径为310mm的硅晶 片上，同时制造几百甚至几 千个电路。人们称整个硅晶 片为基片，称每一块电路为 管心，如图1.6.1所示。基 片制成后，再经划片、压焊 、测试、封装后成为产品。 图1.6.2（a）（b）所示为 圆壳式集成电路的剖面图及 外形，图（c）、（d）所 示为双列直插式集成电路的 剖面图外形。 图1.6.2 集成电路的剖 面图及外形 一、几个工艺名词 （1）氧化：在温度为8001200c的氧气中使半导体表面形 成SiO2薄层，一防止外界杂质的污染。 （2）光刻与淹模：制作过程中所需的版图称为淹模，利用 照相制版技术将淹模刻在硅片上称为光刻。 （3）扩散：在1000c左右的炉温下，将磷，砷或硼等元素 的气体引入扩散炉，经一定时间形成杂质浓度一定的N型半 导体或P型半导体。 （4）外延：在半导体基片上形成一个与基片结晶轴同晶向 的半导体薄层，称为外延生长技术。 （5）蒸铝：在真空中将铝蒸发，沉积在硅片表面，为制造 连线或引线作准备。 二、隔离技术 虽然集成电路各元件均制作在一