《计算机电路基础》第5章：半导体器.ppt

第五章 半导体器件,（时间：3次课，6学时）,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。,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,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。,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。,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。,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。,N型半导体简化结构,空穴,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,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。,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,(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。,(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。,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。,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,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.,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,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,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。,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.,(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,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.,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,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。,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,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,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,输出特性曲线,(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UCE1时，三极管已处在饱和区工作。,5.3.4三极管主要参数 选择和使用三极管的重要依据。 1.共射极直流交流放大系数: 2.穿透电流(反向饱和电流) ICE0 : 基极开路，集电极与发射极之间的电流。 ICE0受温度影响大，ICE0越小则其温度的稳定性就越好。 3.集电极最大允许电流ICM IC的增加会使电流放大系数下降。 当下降到其正常值三分之二时的IC,称为集电极最大允许电流。 4. 集电极最大允许耗散功率PCm 集电极允许耗散功率的定义为 PC = UCEIC 三极管在工作时，工作电压UCE主要降在集电结上。 IC流过集电结时要产生热量，使结温上升，会引起三极管参数发生变化。 实际使用功率PC超过PCm，将毁坏三极管。,5.反向击穿电压U(BP)CE0 是指基极开路时，集电极发射极之间所加的最大允许电压。 实际使用电压UCE超过时，ICE0就会突然上升，意味着三极管已被击穿.,安全工作区:由 集电极最大允许电流、 反向击穿电压、 集电极最大允许耗散功率 三个参数共同组成了三极管的安全工作区，如右图所示的三条虚线围成的区域。,5.4 场 效 应 管,三极管:输入电流控制输出电流-电流控制器件. 场效应管 :用输入电压控制输出电流-电压控制器件 特点:具有输入阻抗高、内部噪声小、热稳定性能好、 抗幅 射能力强、耗电量小、制作工艺简单且易于集成化 种类:场效应管(Field Effect Transistor，简称FET) 按结构和导电机理分成两类: 一类为结型场效应管(unction FET，简称 JFET)； 一类为绝缘栅型场效应管(Insulated Gate FET，简称 IGFET)。广泛应用在大规模集成电路中.,5.4.1 绝缘栅型场效应管 材料:是由金属、二氧化硅绝缘层及半导体构成。 叫做金属氧化物半导体场效应管， 简称MOS管 (Metal-oxide-semiconductor type field-effect Transistor) 种类:分为N沟道和P沟道(NMOS和PMOS)， 每种沟道中又有增强型和耗尽型之分， 共有四种类型。 增强型场效应管:输入端(栅源)电压为零时，管子内部没 有导电沟道，场效应管产生电流。 耗尽型场效应管: 栅源电压为零时，管子内部已经存在 了 导电沟道，当场效应管加上漏源电 压，就有电流存在。,1.绝缘栅型场效应管的结构:,以N沟道增强型场效应管结构为例, 如图所示。 1).低掺杂的P型硅片作为衬底 2).上面制成两个相距很近的掺杂 浓度很高的N+型区(N+型漏区和N+型源区). 3).分别安置两个电极(源极S和漏极D)。 4).在两个N+型区之间的硅表面上做一层二氧化硅的氧化膜，再安置一个金属电极(栅极G)。 5).衬底B的大部分是和源极S相连，也有单独引出的(B)。,特点: (1)栅极G同半导体P是绝缘; 因而栅源之间的电阻(输入电阻)RGS有极高的阻值. (2)在N+型的漏区和N+型的源区之间被P型的衬底所隔开，形成了两个背靠背的PN+结。 在UGS=0时，不管漏极D和源极S之间加上何种极性的电压，这两个背靠背的P N+结，总有一个反向偏置，都不能使漏极D和源极S之间产生电流，即漏极电流ID=0。,+ - + - + -,+ - + - + -,P N 结极性,N沟道增强型场效应管 的电路符号如右图所示。,P沟道增强型场效应管的结构和符号如下图所示,场效应管的转移特性曲线 如图连接:,(1).加UGS0，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,UGSUGS(th),3.场效应管的输出特性曲线 场效应管的输出特性曲线定义为： ID=f(uDS)，uDS=常数,(1)在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。,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,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)。,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。 (2)将两个P+区连接在一起，作为控 制栅极(G). (3)N型硅片的两端做成两个电极，即 源极(S)和漏极(D). - 形成一个N沟道结型场效应管,如果采用P型硅片作衬底，控制栅极为N+区，则成为P沟道结型场效应管，它们的符号如下图所示。 2.基本工作原理:(右图) (1).当UGS=0，UDS0，则N型硅中 的电子，在电场力的作用下