模电部分--半导体元器.ppt

基本要求 1、掌握二极管的结构特点、伏安特性和参数（含义、常见值） 2、掌握双极结型三极管BJT的结构，工作原理（栅间电流 分配），放大作用和开关特性。 3、掌握场效应管的结构，工作原理，放大作用和开关特性。 参见：模电书3章、4.1节、5.1节、5.3节 半导体二极管、三极管及其场效应管 1 一、半导体的特性 根据物体导电能力(电阻率)的不同，分为导体、绝 缘体和半导体。 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 3.1 半导体的基本知识 1.导电能力：介于导体、绝缘体之间。 2.光敏性、热敏性： 0K时不导电，随着温度、光照增加，导电能力增强。 3掺杂性： 在纯净的半导体中掺入少量杂质，导电能力显著增强。 2 二、本征半导体、空穴及其导电作用 1. 原子结构：以Si,Ge为例 本征半导体化学成分纯净、没掺入杂质的半导体 。物理结构上呈单晶体形态。 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上 的四个电子称为价电子 Si Ge 3 2. 共价键 （晶体结构） 共价键结构平面示意图 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中， 称为束缚电子，T=0K=-273C时束缚电子能量不足 以脱离共价键成为自由电子，相当于绝缘体。 4 3. 本征激发（热激发） 当温度升高（例如室温）或受 到光的照射时，价电子能量增 高，有的价电子可以挣脱共价 键的束缚，而参与导电，成为 自由电子。 自由电子产生的同时，在其原 来的共价键中就出现一个空位 ，称这个空位为空穴。 这一现象称为本征激发，也称热激发 本征激发而出现的自由电子和空穴是成对出现 的，称为电子空穴对。5 束缚电子从 视为空穴从 半导体中出现 两种载流子 自由电子 空穴 电量相等，极性相反， 同时参与导电 空穴的出现是半导体区别于导体的重要标志！ 空穴导电： 空穴的移动是靠共价健中束缚电子的移动来实现的。 因此说，空穴（与自由电子相同）也是一种载流子。 6 三、杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质，可使半导 体的导电性发生显著变化。掺入杂质的半导体称 为杂质半导体。 N型(电子)半导体掺入五价杂质元素(如磷P) P型(空穴)半导体掺入三价杂质元素(如硼B) 7 五价杂质原子中只有 四个价电子能与周围四个 半导体原子中的价电子形 成共价键，而多余的一个 价电子因无共价键束缚而 容易形成自由电子。 在N型半导体中自由电子是多数载流子（多子)，它主 要由杂质原子提供；空穴是少数载流子（少子）, 由本征 激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离 子，故称为施主杂质。 1. N型半导体 主要依靠自由电子导电 ! 8 因三价杂质原子在与硅 原子形成共价键时，缺少一 个价电子而在共价键中留下 一个空穴。 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂 形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。 因而三价杂质也称为受主杂质。 2. P型半导体 空穴 主要依靠空穴导电!9 掺杂对半导体的导电性能有很大的影响 。 T=300 K室温下,本征Si的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm3 1 多子浓度 少子浓度 2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 3. 掺杂对半导体导电性影响的数据 又在杂质半导体中，多子的浓度取决于杂质浓度； 而少子的浓度取决于温度。 说明： 杂质半导体导电能力主要由掺杂决定 10 3.2.1 载流子的漂移与扩散 漂移运动： 由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动 。 扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散 运动。 3.2 PN结的形成及特性 11 3.2.2 PN结的形成 在本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形 成N型半导体和P型半导体。 12 因浓度差 促使少子漂移 阻止多子扩散 正负离子不移动 形成无载流子的空间电荷区， 所以PN结也称耗尽层、势垒层。 （很薄，几微米 几十微米） 多子的扩散 = 少子的漂移 即达到动态平衡 稳定的空间电荷区称为PN结 由杂质正负离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 0 方向方向 多子的扩散运动 13 3.2.3 PN结的单向导电性 (1) PN结加正向电压(正偏) 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正 向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 外电场E 与内电场0 方向相反 削弱内电场使势垒区变窄 有利于多子扩散不利于少 子漂移 最后形成较大的正向电流 14 (2) PN 结加反向电压(反偏) 外电场E 与内电场0方向一致 加强了内电场，使势垒 区变宽 阻碍多子扩散 有利于少子漂移 最后形成很小的反向漂 移电流（A级） 在一定的温度条件下，由本征激 发决定的少子浓度是一定的，故少子 形成的漂移电流是恒定的，基本上与 所加反向电压的大小无关，这个电流 称为反向饱和电流IS 。 15 PN结加正向电压时， 具有较大的正向扩散 电流。 PN结呈现低电阻，导通。 PN结加反向电压时， 具有很小的反向漂移 电流。 PN结呈现高电阻，截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性 。 16 (3) PN结V-I 特性表达式 其中 IS 反向饱和电流 VT 温度的电压当量 且在常温下（T=300K） PN结的伏安特性 17 (3) PN结V-I 特性表达式 PN结的伏安特性 当VD为正且VDVT时 当VD为负且VDVT 18 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。 (1) 点接触型二极管 (a)点接触型 3.3 半导体二极管 3.3.1 二极管的结构 二极管按结构分有：点接触型、面接触型和平面型 PNAK PN结面积小， 不适用于整流；结电 容小，用于检波和变 频等高频电路。 r C 图 2.3.5 19 (3) 平面型二极管 往往用于集成电路中。 (2) 面接触型二极管 PN结面积大，宜用 于整流；结电容也大， 不宜用于高频电路。 (b)面接触型 (c)平面型 (4) 二极管的代表符号 D 光刻窗口 扩散而成 20 Si二极管的死区电压Vth=0.5 V左右， Ge二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。 i)当0VDVth时，外电场不足以克服PN结的内电场， 正向电流为零，Vth称为死区或开启电压 当VD0 即处于正向特性区域，正向区又分为两段： ii) 当VDVth时，内电场大为削弱， 开始出现正向电流，并按指数规律增长。 Vth 3.3.2 二极管的V-I 特性 (1) 正向特性 D D 与PN结伏安特性基本相同 21 Si二极管的饱和电流Is Vth 二极管导通，导通后 VD= Vth VD Vth? 是:D导通 否:D截止 对于理想D，只要V阳 V阴 是导通且箝位， 否则截止 导通后即箝位 将D断开 26 (3)关于优先导通 (V阳V阴)大的二极管优先导通且箝位 D2:V阳2V阴2=6v-(-3v)=9v D1:V阳1V阴1=0v-(-3v)=3v D2优先导通且箝位(短路) VAO = 6v，D1受反压截止 例: ? 27 (1)整流(半波、全波) 利用D的单向导电性 半波导通 t V Vi VO Vi Vo (2)限幅(削波) 单向削波 t V 二极管应用举例 28 (3)低压稳压 VD=Vth Vo (4)开关作用（二极管可在数字电路中做数字开关） D导通:开关闭和 D截止:开关断开 没有稳压值 3V的稳压管，同时 稳压管输出稳压值过低，效果不 理想 要得到3V的稳压值，通常利用 把几个二极管串联的方法。 29 3.5 特殊二极管 1. 稳压二极管（齐纳二极管） 稳定直流电压，工作于反向击穿状态 2. 变容二极管：结电容随U反而显著 用于高频电路中 3.光电二极管 4. 发光二极管 5. 激光二极管 光信号电信号，反向电流光照度 用于光度测量、光电耦合电路接收端 电信号光信号，发光亮度正向导 通电流，用于显示、光电耦合电路发 送端 6. 肖特基二极管 30 （a）符号 （b）正向V-I特性 31 光电传输系统 光信号传输损耗小，抗干扰能力强。 32 稳压管是特殊的面接触型半导体硅二极管,工作 在反向击穿状态（齐纳击穿）。其反向击穿是 可逆的,且反向电压较稳定（V-I特性较陡）。 稳压二极管（齐纳二极管） R:限流电阻 限制流经稳压管的反向电流 防止稳压管进入热击穿。 配合稳压管稳压 IZmax VBR(VZ ) IZ I V IZmin 33 练习1 VA= 1V VB= 3.5V 10K 140K 18K 2K 25K 5K AB 15V 10V + - D D承受反偏而截止 先假设D断开 34 练习2 电路如图所示，已知ui5sint (V)，二极管导通电压UD0.7V。 试画出ui与uO的波形，并标出幅值。 35 练习3 写出下列各图所示电路的输出电压值，设二极管导通电压 UD0.7V。 解 ：UO11.3V，UO20V，UO31.3V， UO42V，UO51.3V，UO62V。 36 作业 3.4.5、3.4.6(b)、(c) 3.4.2 37 4.1.1 BJT的结构简介 (a) 小功率管 (b) 小功率管 (c) 大功率管 (d) 中功率管 4.1 半导体三极管(BJT、晶体管) 38 1.结构 发射极用e 表示(Emitter) 集电极用c 表示(Collector) 基极用b表 示(Base) 发射区 集电区基区 半导体三极管为三层半导体形成两个PN结组成 。它有两种类型:NPN型和PNP型。结构如图所 示，有三层半导体、两个结、三个电极。 集电结(Jc) 发射结(Je) 三极管符号(箭头为发射结正偏 时，射极电流流向） 39 2.分类 (3) 按功率： 小、大、中功率管 (1) 按材料 Si管 Ge管 (2) 按结构 NPN管 PNP管 型号命名方法 (模拟四版 P44) 如3DG6、2DW7 (4) 按工作频率 ： 低频管、高频管 40 3.结构特点 发射区e掺杂浓度最高； 集电区c掺杂浓度低于发射区，且面积大； 基区b很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低 。 这些特点使BJT不同于两个单独的PN结，而呈现出极间电流放 大作用。 41 4.1.2 放大状态下BJT的工作原理 外部条件： NPN 管: PNP 管: 放大状态下BJT中载流子的传输过程 e结正偏，c结反偏 42 1.内部载流子的传输过程 (以NPN为例) (1)e区向b区注入电子流 e结正偏有利于多子 扩散 主要为e区向b区注入电 子流，形成流出e极的射 极电流 IE (2)电子在b区扩散与复合 浓度差电子继续向c极扩散，同时有一小部分与空穴复合 形成b区复合电流 IBN 又b区掺杂极低且薄 IBN很小。 放大状态下BJT中载流子的传输过程 43 (3)c结收集扩散过来的电子 c 结反偏，电子漂移渡过c结 c区形成集电极电流 IC 电子扩散 电流 c、b间的反向 饱和电流 BJT内两种载流子都参与导电，称为双极型晶体管。 另有 代入 放大状态下BJT中载流子的传输过程 44 2. BJT的三种组态 (c) 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。 (b) 共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； (a) 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示； BJT的三种组态 45 根据传输过程可知 只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关 ，与外加电压无关。一般 0.90.99 3. 极间电流分配 (ICBO0) 共基极电流放大倍数 放大状态下BJT中载流子 的传输过程 体现了共基接法时输入电流对输出电流的控制作用 46 又BJT相当于一个广义节点（KLV ） 放大状态下BJT中载流子 的传输过程 有 将上式代入 得 令 则 则 共射极电流放大倍数 一般 几十几百 b极开路时ce间的反向 饱和电流(穿透电流) (ICEO0) 体现了共射接法时输入电流 对输出电流的控制作用 47 结论(BJT放大状态下的极间电流分配） 很小 又 体现了共集电极接法时输入电流对输出电流的控制作用 48 电压放大倍数 比如iE = -1 mA， 则 iC = iE = -0.98 mA，vO = -i C RL = 0.98 V， 当 = 0.98 时， 4.BJT的放大作用 共基极接法中,只有电压 放大，没有电流放大 vI 很小， 设 vI = 20mV 电压放大电压放大 共基极接法： e结正偏 (设Je处于V-I特性的指数曲线段） ， iE很大 49 共射极接法 共射极接法中,既有电压 放大，又有电流放大 电流放大 + - b c e RL 1k 共射极放大电路 VBB VCC VBE IB IE IC + - vI vO + - +iC +iE +iB 50 若 vI = 20mV ， 使 iE = 1mA。 电压放大倍数 使 iC = 0.98mA 。 (设 = 0.98) vO = -iC RL = -0.98 V， 倒相作 用 + - b c e RL 1k 共射极放大电路 VBB VCC VBE IB IE IC + - vI vO + - +iC +iE +iB 共射极接法电压放大作用 51 4.1.3 BJT的特性曲线(以共射极放大电路为例) 输入特性曲线输入回路电压、电流之间的关系曲线。 iB=f(vBE) vCE=常数 输出特性曲线输出回路电压、电流之间的关系曲线。 iC=f(vCE) iB=常数 52 iB=f(vBE) vCE=常数 1. 输入特性曲线 (2) 死区或门坎电压 Si (NPN): 0.60.7v Ge(PNP): -0.2-0.3v (3) vBE Vth时iB随vBE而 (1)在vCE=0时，相当于两个PN结 并联的V-I特性曲线。 Vth=0.5 V左右 vCE 输入曲线稍右移 vCE 1V以后曲线基本重合 共射极连接 53 2.输出特性曲线 iC=f(vCE) iB=常数 先分析iB=40A时的输出特性曲线 当vCE1V后, 集电极已能收集几乎所有扩散到基区的电子， iC不再随vCE的明显； 共射极连接 54 (1)截止区 iB=0，i C= ICEO 0 称为BJT截止。C、E两点相当于 开关断开。 (2) 放大区 iC不再随vCE 而 恒流特性 又i C= iB 电流控制作用 e结正偏、c结反偏 输出特性曲线分三个区域 体现为一族平行线。 发射结反偏或Vth iC 对 iB 做线性放大 共射极连接 55 (3) 饱和区 在放大区，iB iC vCE 当vCE 至vCE PCM 若管子就会被烧毁 69 4.1.5 温度对BJT参数及特性的影响 (1) 温度对ICBO的影响 温度每升高10，ICBO约增加一倍。 (2) 温度对 的影响 温度每升高1， 值约增大0.5%1%。 (3) 温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响 温度升高时，V(BR)CBO和V(BR)CEO都会有所提高。 2. 温度对BJT特性曲线的影响 1. 温度对BJT参数的影响 end 70 第5章 场效应管(FET) 参见：模拟部分 5.3节、5.1节 应用电场效应工作的电子器件。 单极型晶体管。 电压控制电流器件。 功耗小，输入阻抗高、抗干扰能力强。 广泛应用于大规模集成电路中。 FET是 71 增强型 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 （耗尽型） FET 场效应管 JFET 结 型 MOSFET 金属-氧化物- 半导体型 (绝缘栅型) 分类： 耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在 增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道 72 源极用S或s表示 N型导电沟道 漏极用D 或d表示 P型区P型区 栅极，用 G或g表示 栅极用G 或g表示 符号符号 1.结构 5.3 结型场效应管 (以N型沟道为例) 符号中箭头方向g结正向偏置时，g极电流方向。 73 2.工作原理（ 正常工作vGS 0) 设 vDS =0V (a) 若vGS =0V PN结耗尽层只占N型本体很小部分导电沟道很宽 (b) 若|vGS| PN结耗尽层加宽导电沟道变窄 (c) 若|vGS| 到vGS = Vp (Vp夹断电压) PN结耗尽层合拢导电沟道夹断 结论: vGS负压可以控制导电沟道宽度 1) vGS对iD的控制作用 74 vDS加一定正压 电子从sd在电场作用下运动 iD(漏极电流) vGS =0V RDS 最小 iD =IDSS(栅源短路饱和漏极电流) 沟 道 电 阻 而 沟道 长度沟道横截面积 |vGS | RDS iD vGS = Vp iD 0（夹断） vGS对iD有控制作用。 75 vDS 对iD的影响: vDS0, 从漏极到源极呈 现电位梯度 导电沟道呈楔型 vDS较小时，近D端 导电沟道仍很宽 iD随vDS 而 vDS 进一步至 vGD=vGS-vDS=VP 即vDS=vGS- VP VP0的情况 漏极电流饱和76 vGS=-1V时，输出特性曲线 怎样画？ 77 且vGS越负iD越缓慢 3. JFET的特性曲线 (1)输出特性 ).可变电阻区(vDS很小时) 管子可视为受vGS负压控制的 可变电阻 特点：为随vGS不同而不同 的一族曲线。 分四个区域： 沟道没有预夹断， iD随vDS 而 78 ). 饱和区(线性放大区、恒 流区) ). 击穿区 iD不再随vDS而-恒流特性 vDS过大使得g、d间PN结反向击穿 iD急剧 且vGS负压对iD有控制作用, 体现为一族平行线。 )夹断区（vGS VP) 应使 vGD=vGS-vDS VBR 沟道在近D点处已经发生预夹断， 79 VP (2). 转移特性曲线 由于JFET栅源反偏，几乎没有栅流，研究输入特性无意义 转移特性曲线：研究vGS对iD的控制作用。 转移特性可以直接从输出特性用作图法得出。 VDS=10V 80 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所 以场效应管也称为单极型晶体管。 vGS对iD有控制作用，JFET是电压控制电流器件 栅极g、源极s之间反偏 g极几乎不取电流iG0， Ri很高达109 综上分析(JFET) vGS负压越大， iD越小。 想得到更小的IG ，更大的 Ri 绝缘栅型场效应管MOSFET 81 5.1 绝缘栅场效应三极管 1.增强型(N沟道增强型为例) (1) 结构示意图、符号 漏极 栅极 源极 铝 G极绝缘栅极 iG=0,Ri可高达1015 图形符号 N沟道、增强型 82 （2）工作原理 栅源电压vGS对iD的控制作用 v当vGS=0V 时，漏源之间是两个背 靠背的PN结，在D、S之间加上电压 不会在D、S间形成电流，iD=0 v若0vGSVT (开启电压)时， 栅极和衬底间的电场作用，将靠近栅极附近的P型衬底中的空穴 向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。 同时P型衬底中的少子电子被吸引到衬底表面，但数量有限， 所以不可能形成漏极电流iD 83 vvGS ，当vGSVT时， 靠近栅极下方的P型半导体表层中 聚集足够的电子， 可形成将漏极和源极沟通的导电沟道 如果此时加有漏源电压，就可以形成 漏极电流iD。 在vGS=0V时iD=0，只当vGSVT后才会出现漏极电流， 这种MOS管称为增强型MOS管。 在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的 多数载流子空穴极性相反，故称为反型层 v随着vGS的继续增加，iD将不断增加。 84 vGS对漏极电流的控制