《计算机电路基础》第5章：半导体器.ppt

/webnew/ 第五章 半导体器件 （时间：3次课，6学时） /webnew/ 教学提示： 半导体器件是构成电子线路的基本单元， 掌握半导体器件 的基本特性是分析电子线路的基础。 本章首先讨论半导体的特性，然后分别介绍PN结、二极管、 三极管、场效应管(和晶闸管)的基本知识。 教学目的： 1.了解P型半导体、N型半导体以及PN结的特性； 2. 掌握半导体二极管、三极管和场效应管工作原理、 伏安特性和主要参数； 3. 了解其它类型的半导体器件。 /webnew/ 主要内容 5.1 半导体与PN结 5.2 半导体二极管 5.3 半导体三极管 5.4 场效应管 5.5 复合管 /webnew/ 5.1 半导体与PN结 导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体. 常用的半导体材料是锗（Ge）和硅（Si）。 5.1.1 本征半导体 1.纯净的半导体称为本征半导体。 2.本征半导体的共价键结构: 最外层都有四个价电子; 每一个价电子都和邻近原子 的价电子组成一对共价键， 形成相互束缚的关系。 3.最外层均有八个价电子而处于稳定状态。 这时半导体内部没有任何带电的粒子存在， 半导体材料相当于绝缘体。 /webnew/ 4.本征激发: 温度或外界光照影响下，价电子电子得到能量，其中少数 能量较大的价电子可以摆脱共价键的束缚而形成自由电子, 这种现象称为本征激发 5.电子空穴对: 价电子脱离了共价键束缚后，在原共 价键中缺少一个应有的电子而留下了 “空穴”，形成电子空穴对. “空穴”因失去电子而形成的， 被视为带单位正电荷. 6.复合: 带正电荷的空穴，会吸引相邻原子上的价电子来填补(复 合)，而在这个价电子的原来地方留下新的空穴。 /webnew/ 7.载流子 空穴(+)和电子(-)都是带电的粒子，称为载流子. 空穴和电子的运动是杂乱无章的, 在本征半导体中不构成电流 。 8.激发和复合的动态平衡: 在外界环境影响下，电子和空穴的激发和复合是同时 进行的，并保持动态平衡，使电子空穴的浓度保持不变。 随着温度的升高，本征激发会提高电子空穴对浓度。 5.1.2 P型半导体和N型半导体 本征半导体中空穴(+)和电子(-)是等量的而且很少. 在本征半导体中掺入微量的其它(杂质)元素,掺杂后的半导 体 - 杂质半导体。 掺杂的元素不同，P型(杂质)半导体和N(杂质)型半导体。 /webnew/ 1.N型半导 体 在本征半导体锗或硅中掺入五价的磷(P)或锑(Sb)元素， 杂质原子代替本征半导体晶格中的某些锗或硅的原子，并提 供一个多余价电子，它仅受本身原子核的吸引，只要获得少 量的能量就能挣脱原子核的束缚而成为自由电子。 五价的杂质元素提供多余 的价电子，称此杂质为施主杂质。 掺入施主杂质后的半导体中 自由电子的浓度远大于空穴， 这样的半导体称为N型半导体。 N型半导体中 自由电子称为多数载流子， 空穴称为少数载流子. 五价的杂质原子由于给出一个 价电子后成为带正电荷的离子, 它是被束缚在半导体晶格中不能移动而不能参与导电。 /webnew/ n N型半导体简化结构 空穴 /webnew/ P型半 导体 在本征半导体锗或硅中掺入三价的元素(B)或(Al) 三价元素的原子代替本征半导体晶格中（锗或硅）的原子 。 由于三价元素只有三个价电子，使第四对共价键留下“空 穴”，邻近原子共价键上的电子只需获得少量的能量就能填 补这个空穴， 三价的杂质元素的原子能接受电子，故称为受主杂质。 掺杂后的半导体中空穴为多数载流子， 自由电子为少数载流子，这样的半导体称为P型半导体。 负离子 多子空穴 少子电子 型半导体 简化结构 /webnew/ 5.1.3 PN 结 1.PN结的形成: 纯净的半导体晶片上， 一边掺杂成P型半导体， 一边掺杂 成N型半导体,如下图 . 1).扩散运动 : 浓度的差异引起载流子 的运动称为扩散运动 . 扩散从P区与N区的交界处开始。 空穴扩散到N区与电子复合， 在P区留下不能移动的负离子； 电子扩散到P区与空穴复合. 2)空间电荷区: 在N区留下不能移动的正离子。在P区和N区的交界附近形成一个 不能移动的正、负离子的空间电荷区称为PN结。 /webnew/ 3).飘移运动: 由正、负离子组成的空间电荷区,其电场是由N区去指向P区， 即PN结的内电场。 (见上页图) 内电场力阻碍多子的扩散，有利于双方少子向对方运动(飘移 运动)。飘移运动所形成的电流称为飘移电流。 4)动态平衡 少子的飘移运动(复合对方的离子)会使空间电荷区变窄， 消弱了内电场。使内电场力减小，又有利于扩散的进行。 扩散 空间电荷区 内电场力 飘移运动 消弱了内电场 动态平衡 - 空间电荷区稳定 /webnew/ (1).PN结正向偏置:如图 - P区接电源的正极， N区接电源的负极. 外电场消弱了内电场，使PN结 变窄，破坏了原动态平衡，多子的 扩散大于少子的飘移，外电路可测 到一个正向电流I，此时称为PN结导通 . PN结呈现为低电阻. 2.PN结的特性 PN结两端加不同极性的电压，就会有不同的导电特性。 /webnew/ (2).PN结反向偏置 : 如图 - P区接电源的负极， N区接电源的正极 . 外电场增强了内电场， 使PN结变宽，破坏了原有的 动态平衡，加强子的飘移运动。 少子的数量很少.因此，少子的 飘移运动产生的电流很小， 可忽略不计，此时称为PN结截止。 PN结呈现出高电阻。 (3).单向导通特性 PN结正向偏置，PN结呈现低阻，正向导通； PN结反向偏置，PN结呈现高阻，反向截止。 - PN结重要的单向导通特性。 /webnew/ 5.2 半导体二极管 5.2.1 基本结构 一个PN结上引出两个电极， 加上外壳 封装,如右图(a)。 半导体二极管用图(b)符号表示. 加工工艺不同,二极管类型: 点接触型二极管: PN结面积很小，流过电流小。结电容小，多用于 高频与开关电路。点接触型二极管多是锗管。 面接触型二极管: PN结的面积大，可通过大的电流，工作频率低， 多用于整流电路。此类管一般是硅管。 n /webnew/ 5.2.2 伏安特 性 伏安特性曲线: 是指流过二极管的电流和二极管两端电 压之间的关系曲线，如下图。 1.当正偏置电压Uth值: 流过二极管的电流才随电压的 增加而呈指数式大导通区 Uth称为二极管的门限(死区)电压。 锗管:Uth值约为0.1V; 硅管:Uth值约为0.5V。 使二极管上有明显的电流流过，锗管正向电压应取(0.20.3)V ; 硅管正向电压应取(0.60.8)V， 这个电压称为二极管导通电压UD(正向导通压降)。 死区 导 通 区 UD /webnew/ 3.反向特性: 1).反向截止状态: 二极管加反偏置电压时，只有少数载流子的飘移运动产生微 小的反向电流，称为反向饱和电流 - 二极管反向截止。 2).反向击穿状态: 当反向电压加大到某一数值时，反向电流将会急剧增加， - 称为反向击穿，该反向电压称为反向击穿电压Ubr 。 这时，二极管失去单向导电的特性。 5.2.3 主要参数 1.最大整流电流 - 最大正向平均电流 . 2.最高反向工作电压 -二极管加反向电压时不被击穿 的极限参数。 3.最大的反向电流- 单向导电性能好坏的指标. /webnew/ 5.2.4. 稳压二极管 1.原理与符号: (左图) 当二极管两端的反向电压加大到一定程时, 反向电流急剧增加大 - 二极管反向击穿特性. 在这区间里，反向电流在很大范围内变化， 而二极管两端电压基本不变。 采用特殊的工艺可制作成稳压二极管， 它在电路中能起到稳压的作用。工作在反向穿 状态下，它的反向击穿是可逆的。 2.主要参数 (1)稳定电压UZ：是稳压二极管正常工作时的稳压值 (2)稳定电流IZ：正常稳压时的最小工作电流。 (3)动态电阻rZ： rZ越小,稳压性能越好. 正向特性 反向特性 IZ VZ 0 V I /webnew/ 5.3 半导体三极管 5.3.1 三极管的基本结构 一块半导体基片上掺杂形成三个区。由P区和N区的排列不同， 三极管分成两类：NPN型和PNP型，如图(a)和(b)所示。 三个区 两个结 三个极 /webnew/ 5.3.2 三极管的电流放大作用 1.电源EB向发射结提供正向偏置， UBE0。 发射结有明显的电流流过， 锗管正向电压应(0.20.3)V ; 硅管正向电压应(0.60.8)V， (正向导通压降)。 2.电源EC向集电结提供反向偏置， UCB0。 三极管(NPN为例)要实现放大的条件:如图(a)所示 。 /webnew/ 1.发射区发射多数载流子形成IE (1).发射区中多子电子向基 区扩散形成电流IEN (2).基区中多子空穴，向发 射区扩散形成电流IEP (3)两者的电流方向相同，形 成发射极电流IE IE = IEN +IEP IEN E区掺杂的浓度远高于 B区掺杂的浓度. /webnew/ (1).发射区向基区扩散的电子少数在基区与空穴复合形成复合 电流IBN ,绝大多数都能穿越基区到达集电结附近。 (2).集电结反向偏置，基区和集电区的少子互向对方飘移，形 成飘移电流ICB0，称为反向电流。 (3) 上已知:基区中多子空穴，向发射区扩散形成电流IEP (4) 组成基极电流IB有: IB = IBN + IEP - ICB0 IBN - ICB0 (5-2) 3.集电区收集载流子形成集电极电流IC (1) 集结在集电结附近发射区发射过来的大量电子, 被EC正极吸引到集电区，流向EC的正极，形成ICN (2)上已知:基区和集电区中少子飘移，产生飘移电流ICB0 (3) 集电极电流IC为 : IC = ICN + ICB0 = IEN - IBN + ICB0 (5-3) 2.基区复合形成基极电流IC /webnew/ 4.三极管电流分配关系: 已知:式(5-1)、(5-2)、(5-3)如下: IE = IEN +IEP (5-1) IB = IBN + IEP - ICB0 (5-2) IC = IEN - IBN + ICB0 (5-3) 而(5-2)+(5-3) 得 IB + IC = IEN +IEP 即: IE = IB + IC 分析可看出： 发射极电流IE等于集电极电流IC和基极电流IB之和. /webnew/ 把三极管看成一个结点，根据基尔霍夫电流定律，则可写成: IE = IB + IC 5.电流放大倍数 将IC和IB的关系写成: 由于IC比IB的电流大得多 , 称为直流放大倍数 同样可写成电流变化量比: 称为交流放大倍数 在实际中，两个放大倍数在数值上很接近，常相互替换. IC比IB的电流关系写成: 可看出:当IB(IB)有很小的变化时，就会控制IC(IC)的很大变化. IE IB IC /webnew/ 6.共发射极电路 在上述分析的图(a)电路中: 发射极是基极回路(输入回路) 和集电极回路(输出回路)共有，此 电路的接法称为共发射极电路。 所以这里的电流放大系数的全 称应为共发射极电流放大系数，简 称为电流放大系数。 对于具体的某个三极管，它一 旦制作完成，其电流放大系数就确 定了而不会改变。 /webnew/ 5.3.3 三极管伏安特性曲 线 伏安特性曲线包括输入特性曲线和输出特性曲线.可以 通过实验方法(见图)或用晶体管图示仪获得。 输入回路输出回路 /webnew/ 1.输入特性曲线: 输入回路的函数关系式： IB = f (UBE)UCE常数 发射极之间的电压UCE为常数时，基极回路 中基极电流IB与基极、发射极间电压UBE的关系 曲线. 右图所示。 集电结加有反向偏置电压: 输入特性曲线和二极管的伏安特性曲线相同 (1)死区: UBE 0.7V IB与随UBE的增加明显增大. 死区 导通区 /webnew/ 2.输出特性曲线 基极电流IB为常数，集电极回路中 IC与集电极、发射极间电压UCE的关系 曲线.函数关系式为: IC = f (UCE ) IB =常数 完整的输出特性曲线如右图. 输出特性曲线分成三个工作区域: 截止区： 饱和区： 放大区： 代表三极管的三个不同的工作状态。 放 大 区 /webnew/ 输出特性曲线 /webnew/ (1)截止区： 位于输出特性曲线的最下端，IB=ICB0曲线以下区域。 三极管的两个结都处于反向偏置状态，即 UBE0)的正向偏置， 集电结( UBC0，UBC0 可看出：IC电流不受I B的控制， IC和IB已不符合的关系。 - 饱和工作状态， 一般认为：当UCE0，源极S和P型的衬底相连接. 在靠 近绝缘层表面P区一侧感应出负电荷。感 应负电荷随着UGS加大而增多，产生N+型 层-称为反型层。在两个N+型区之间形 成了一条N型的导电沟道. 形成N型导电沟道的栅源电压UGS 称为开启电压UGS(th)。 (2).这时如加正电压UDS，源区中的电子就会沿 着导电沟道到达漏极，形成漏极电流ID。 加大UGS，导电沟道加宽，导电能力增 强，ID增大。 ID和UGS的关系曲线称为场效应管的转移特性 曲线,反映了 UGS对ID控制特性。 UDS /webnew/ UGS UGS(th)时，沟道形成，加 上UDS，产生ID电流，而且会随着 UDS的加大而增大; (3)随着UGS加大，导电沟道加宽， 导电能力增强，ID增大。 /webnew/ 输出特性曲线可分成三个区: 在区中:当UGS UGS(th)时，ID与UDS之间是可变的线性电阻关 系，称为可变线性电阻区 在区中:ID不随UDS增大而增大， 而是维持在某一个数值上， 称为恒流区。 呈现出很大的输出电阻r0。 在不同的栅源电压下，漏极的电流是呈线性增大的 ID UDS /webnew/ 4.场效应管的控制参数跨导gm 场效应管是电压控制器件。 跨导gm - 栅源电压对漏极电流控制能力的强弱。 在uDS=常数时，UGS变化就会引起漏极电流ID的增加. gm - 单位为西门子，符号为S， 一般为毫西(ms)。 /webnew/ 5.4.2 结型场效应 管 1.结构与符号: 如右图5所示: (1)在一低掺杂的N型硅片的两侧， 掺 杂成两个高浓度的P+区，形成两 个P+N 结耗尽层。