[工学]第1章 半导体器件.ppt

第一章 半导体器件,1.1 半导体物理基础知识,一、半导体的结构特点,二、半导体的分类,三、PN结,本征半导体,杂质半导体,PN结的形成,PN结的单向导电性,第一章 半导体器件,1.2 半导体二极管,一、半导体二极管的结构特点,二、半导体二极管的伏安特性,正向特性,反向特性,三、二极管的电路模型,四、含二极管电路的分析,五、二极管的主要参数,六、稳压二极管,第一章 半导体器件,1.3 半导体三极管,一、半导体三极管的结构特点,三、半导体三极管的伏安特性,输入伏安特性,输出伏安特性,二、三极管的电流放大原理,四、三极管的主要参数,NPN型,PNP型,第一章 半导体器件,1.4 场效应管,一、场效应管的结构特点与分类,二、场效应管的工作原理,三、场效应管的伏安特性与参数,end,半导体的结构（1）,半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的材料 称为半导体材料。,典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,自然界的物体根据其导电能力(电阻率)的不同，可划分为导体、绝缘体和半导体。,半导体材料 Semiconductor Materials,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。比如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,半导体的结构,半导体的结构（2）,半导体的共价键结构,硅晶体的空间排列,半导体在常温下几乎不导电,end,本征半导体,本征半导体(Intrinsic Semiconductors) 化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。,电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。,本征激发： 当外界给半导体施加能量时，一些共价键中的电子会脱离共价键的束缚成为自由电子，而在原来的位置上产生一个空穴(hole)。这种现象称为本征激发。,空穴,电子空穴对,电子空穴对可参与导电,本征半导体的导电机理,自由电子,空穴,束缚电子,本征半导体的导电机理,在非电场力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体的导电机理,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,end,杂质半导体（1）,杂质半导体(Extrinsic Semiconductors),在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。,P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。,杂质半导体（2）,N型半导体,因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很容易形成自由电子。,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）, 由热激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主原子。,电子空穴对,电子,杂质半导体（3）,P型半导体,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。三价杂质 因而也称为受主原子。,空穴,电子空穴对,总 结,1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,杂质半导体的示意表示法,end,PN结的性质 PN结的形成,在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差,空间电荷区 形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,多子的扩散和少子的漂移 达到动态平衡，PN结形成。,多子的扩散运动,由杂质离子形成 空间电荷区,P区,N区,空间电荷区,内电场,end,PN结的性质PN结的单向导电性（1）,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(Forward Bias),PN结加正向电压时（Forward-Based PN Junction),特点：低电阻 大的正向扩散电流,PN结的性质- PN结的单向导电性（2）,PN结的伏安特性,当外加电压使PN结中P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏(Reverse Bais)。,PN结加反向电压时(Reverse-Based PN Junction),特点： 高电阻 很小的反向漂移电流,PN结的性质PN结的单向导电性（3）,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,end,半导体二极管(Diode)结构（1）,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,半导体二极管结构（2）,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(4) 二极管的代表符号,半导体二极管结构（3）,半导体二极管结构（4）,半导体二极管结构（5）,end,二极管的伏安特性（1）,其中：,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,二极管的伏安特性曲线可用下式表示 Current-Voltage Relationship,二极管的伏安特性（2）,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿(电击穿)。,热击穿不可逆,二极管的伏安特性（3）,正向特性,反向特性,反向击穿特性,实际二极管器件 的几个典型值：,起始电压：硅管0.5V左右、锗管0.1V左右,导通压降：硅管0.7V左右、锗管0.3V左右,反向饱和电流：硅管几十uA、锗管几百uA,end,二极管的模型,1. 理想模型,3. 折线模型,2. 恒压降模型,特点：起始电压=0 正向导通压降=0 反向饱和电流=0,特点：正向导通压降 =起始电压 =0.7V或0.3V 反向饱和电流=0,特点：正向导通压降 =起始电压 =0.5V或0.1V 反向饱和电流=0,4.微变等效模型,vD,rD是对Q附近的微小变化量的电阻。,二极管的模型,end,二极管电路分析举例（1）,含二极管电路的分析方法,确定二极管的工作状态,根据工作状态用不同的模型代替二极管,在等效后的线性电路中作相应的分析,若二极管工作在截止 状态则可等效为断开的开关,若二极管工作在导通 状态则可等效为导通的开关,或电压为UON的电压源,二极管电路分析举例（2）,如何判断二极管的工作状态,？,步骤,1、假设二极管截止，即将二极管断开。,2、计算二极管两端的电压 UD=V阳-V阴,3、判断：若 UD0，则二极管工作于导通状态 若 UD0，则二极管工作于截止状态,二极管电路分析举例（3）,例1：图示电路中，分析当UA与UB分别为0与3V的不同组合时，二极管D1、D2的状态，并求U0的值。,解：,（1）当UA=UB=0时,设D1、D2截止，则等效电路为,由电路，有 UD1=0-（-5）=50 UD2=0-（-5）=50,则D1、D2处于导通状态，电路可等效为,所以，U0=0,二极管电路分析举例（4）,（2）当UA=UB=3V时,设D1、D2截止，则等效电路为,由电路，有 UD1=3-（-5）=80 UD2=3-（-5）=80,则D1、D2处于导通状态，电路可等效为,所以，U0=3V,（3）当UA=3V，UB=0时,设D1、D2截止，则等效电路为,由电路，有 UD1=3-（-5）=80 UD2=0-（-5）=50,则D1、D2处于导通状态，电路可等效为,所以，U0=3V,出现矛盾！即D1、D2不可能同时导通！,合理的情况是：D1导通，D2截止。,二极管电路分析举例（5）,二极管电路分析举例（6）,（4）当UA=0，UB=3V时,所以，U0=3V,同理可得：D1截止，D2导通。,end,例2：二极管：起始电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：起始电压=0 ，正向压降=0,二极管半波整流,二极管电路分析举例（7）,指二极管未击穿时的反向电流。反向电流大， 说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向 电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。,二极管使用时允许加的最高反向电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压URM一般是UBR的1/21/3。,二极管的主要参数,(1) 最大整流电流IF,(2) 最高反向工作电压URM,(3) 反向饱和电流IR,(4) 最高工作频率fM,URM,IR,end,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,稳压二极管（Zener Diode)-伏安特性,(a)符号,(b) 伏安特性,稳压二极管-稳压二极管主要参数,(1) 稳定电压UZ,(2) 动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ =UZ /IZ,(4) 最大耗散功率 PZM,(3) 稳定电流IZ,最大稳定电流 IZmax和最小稳定电流 IZmin,稳压二极管-稳压电路分析,正常稳压时 VO =UZ,# 稳压条件是什么？,# 不加R可以吗？,# 上述电路VI为正弦波，且幅值大于UZ ,VO的波形是怎样的？,例：稳压二极管的应用,稳压二极管技术数据为：稳压值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200 ,判断电路能否稳压？若负载电阻变化范围为1.5 k 4 k ，是否还能稳压？,UZW=10V ui=12V R=200 Izmax=12mA Izmin=2mA RL=2k (1.5 k 4 k),iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA） i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA） RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA） RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）,end,半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。 两种类型的三极管,发射结(Je),集电结(Jc),基极，用B或b表示（Base）,发射极，用E或e 表示（Emitter）；,集电极，用C或c 表示（Collector）。,发射区,集电区,基区,三极管符号,半导体三极管(Transistor)的结构,结构特点：, 发射区的掺杂浓度最高；, 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；, 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,管芯结构剖面图,. 内部载流子的传输过程,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。 外部条件：发射结正偏，集电结反偏。,发射区：发射载流子 集电区：收集载流子 基区：传送和控制载流子,三极管的电流分配与放大（1）,三极管的电流分配与放大（2）,三极管电流放大实验电路,三极管的电流分配与放大（3）,INB,IPE,INE,INC,ICBO,IE,IC,IB,三极管的电流放大原理,E结加正偏电压,C结加反偏电压,由图可得各电流之间的关系：,IE = IC + IB,又因为： IC = INC + ICBO,IE = INE+ IPE = INB+ INC+ IPE,IB= INB + IPE- ICBO,定义共发射极直流电流放大系数,所以有：,称 - 穿透电流， 它在实际器件中往往很小，则：,表明了电流放大性能,三极管的电流分配与放大（4）,iB=IB+IB,iC=IC+IC,动态电流放大,Ui,IB,IC,动态电压,定义：共发射极交流电流放大系数,结论：1、三极管在E结正偏、C结反偏时具有电流放大作用。 2、三极管是一个电流控制元件，IC由IB控制。,end,三极管的电压放大作用,三极管的电流放大作用又可转化为电压放大作用。 从共射电路的电压关系看，be间正向偏置，UBE只要有少量变化，就会发生较大的IB的变化（PN结的正向特性），通过电流放大作用，又能引起更大的IC的变化，这个变化的电流通过集电极电阻RC以后，在RC两端所产生的电压变化量 ，可能比UBE大很多倍。,半导体三极管的伏安特性（1）,三极管的伏安特性可分为：,输入伏安特性：,输出伏安特性：,由测量结果，可得 (一)输入伏安特性曲线：,UCE=0.5V,UCE1V,结论：三极管输入特性与二极管相似,输入特性是指三极管输入回路中，加在基极和发射极的电压UBE与由它所产生的基极电流IB之间的关系。 （1）UCE = 0时相当于集电极与发射极短路，此时，IB和UBE的关系就是发射结和集电结两个正向二极管并联的伏安特性。 因为此时JE和JC均正偏，IB是发射区和集电区分别向基区扩散的电子电流之和。,输入特性曲线,半导体三极管的伏安特性（2）,由测量结果，可得输出伏安特性曲线：,end,IB=0,20uA,40uA,60uA,80uA,截止区,饱和区,放大区,截止区：IB0的区域,特点：IB=0，IC=0,等效：,条件：E结反偏,饱和区：UCE1V的区域,特点：UCE=UCES0V，ICIB,等效：,条件：E结正偏、C结正偏,放大区：,特点：IC=IB,等效：,条件：E结正偏、C结反偏,结论：三极管在不同的控制条件下可工作于三种工作状态，即：放大、截止、饱和状态。,输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏，集电结反偏。 即： IC=IB , 且 IC = IB;,(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V,(3) 截止区： UBE 起始电压， IB=0 ， IC=ICBO 0,当USB =-2V时：,IB=0 ， IC=0,IC最大饱和电流：,Q位于截止区,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,例题,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大区。,USB =2V时：,例题,USB =5V时:,Q 位于饱和区，此时IC 和IB 已不是 倍的关系。,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,例题,半导体三极管的主要参数,共射电流放大系数,共射直流电流放大系数,共射交流电流放大系数,一般在几十几百之间,极间反向电流,集电极-基极反向饱和电流ICBO,集电极-发射极穿透电流ICEO,受温度影响，硅管ICBO1uA、锗管约十多uA,极限参数,集电极最大允许电流ICM,集电极-发射极击穿电压U（BR）CEO,集电极最大允许耗散功率PCM=UCEIC,电流放大系数,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大倍数：,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,1. 电流放大倍数和 ,例：UCE=6V时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： =,电流放大系数,(2) 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO=（1+ ）ICBO,2. 极间反向电流,ICEO,(1) 集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。,B,E,C,N,N,P,集电结反偏有ICBO,集-射极反向穿透电流ICEO,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,极间反向电流,3.集电极最大允许电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,4.集-射极反向击穿电压,当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,极限参数,U(BR)CEO,5.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC 流过三极管， 所发出的焦耳 热为：,PC =ICUCE,必定导致结温 上升，所以PC 有限制:,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作区,极限参数,end,场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。,结型场效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,场效应管有两种:,1.4 场效应晶体管,结型场效应管（JFET）,N沟道JFET(n-Channel),P沟道JFET,绝缘栅型场效应管（MOSFET）,N沟道耗尽型,P沟道耗尽型,N沟道增强型,P沟道增强型,增强型,耗尽型,场效应管的结构与分类（1） Field-Effect Transistor,N沟道JFET结构示意图,箭头方向表示栅源之间正偏时栅极电流方向,场效应管的结构与分类（2）,N沟道增强型MOSFET结构示意图(n-Channel Enhancement),箭头方向表示由P指向N,场效应管的结构与分类（3）,N沟道耗尽型MOSFET结构示意图(n-Channel Depletion),end,箭头方向表示由P指向N,绝缘栅型场效应管的工作原理（1）,以N沟道增强型MOSFET为例,由于D与S之间无导电沟道，则无法产生漏极电流。,加电压UGS形成一个由电子构成的N型导电沟道。,UGS,随着UGS增大,+ + +,出现正电荷,出现耗尽层,出现反型层,此时电压