常用半导体器件.ppt

1 1半导体基础知识 半导体概念 导电性能介于导体与绝缘体之间的物质 特点是 导电性能受环境因素影响 可通过某种工艺改变其导电性能 电子器件采用的半导体材料 主要是硅材料和鍺材料 其次还有砷化镓和磷化镓材料 半导体材料在制造电子器件之前首先要经过提纯 经过提纯的半导体称为本征半导体 半导体的导电性取决于其晶体结构 硅材料和锗材料的晶体结构如下图所示 对于电子器件的要求主要有两个 一个是具有放大能力 一个是具有非线性 1 1 1本征半导体 共价键结构使得价电子一般不能挣脱共价键的束缚 不能自由移动 所以不导电 在外界因素 温度 光照 影响下 少数价电子获得一定能量 可以挣脱共价键的束缚成为自由电子 同时在原处形成一个空穴 电子和空穴都可以参与导电 半导体的导电能力与电子和空穴浓度有关 电子和空穴浓度与温度和光照条件有关 本征半导体的电子和空穴浓度相等 在一定温度和光照条件下 产生和复合形成动态平衡 在绝对零度和没有光照的情况下 半导体中没有自由电子和空穴产生 此时半导体不导电 如同绝缘体 尽管电子空穴对的产生使得半导体具有一定的导电性 但是其导电性能依然很弱 能够自由移动的带电粒子称为载流子 电子和空穴都是载流子 本征半导体中电子和空穴成对产生 成对复合 即电子浓度和空穴浓度相等 由于电子空穴浓度与温度和光照有关 故本征半导体具有热敏特性和光敏特性 同时表明 电子器件具有温度特性 硅原子外层有32个电子 锗原子外层有24个电子 故硅原子的价电子离原子核远 锗原子的价电子离原子核近 锗原子的价电子更容易挣脱共价键的束缚形成电子空穴对 故一定温度下 鍺材料的电子空穴浓度远远大于硅材料 两者相差三个数量级 实际应用中 硅管比锗管应用更为广泛 因为其温度稳定性好得多 要改变本征半导体的导电性 一般采取掺杂的方法 即在本征半导体材料中掺进三价元素或者五价元素 1 1 2杂质半导体 在本征半导体中掺入少量其它元素 杂质 可以极大地改变半导体的导电性能 这种掺入了其它元素的半导体称为杂质半导体 杂质一般有两种 即五价元素 例如磷 和三价元素 例如硼 所掺入的五价元素的价电子中有一个不能与本征半导体的价电子组成共价键 从而形成一个自由电子 这种半导体提供带负电荷的载流子 故称为N型半导体 一个杂质原子提供一个载流子 故载流子浓度取决于掺杂浓度 掺杂浓度一般很低 但是比本征半导体的载流子浓度高得多 故掺杂使得半导体的导电性能得到很大的改变 由于五价元素提供了自由电子 所以称为施主原子 所掺入的三价元素的价电子中只有三个能与本征半导体的价电子组成共价键 从而形成一个空穴 这种半导体提供带正电荷的载流子 故称为P型半导体 由于三价元素提供了空穴 而空穴可以接受自由电子 所以称为受主原子 杂质半导体的导电性能远远高于本征半导体 N型半导体中 自由电子的浓度远远大于空穴浓度 所以其中自由电子为多数载流子 简称 多子 而空穴为少数载流子 简称 少子 P型半导体中 空穴浓度远远大于自由电子浓度 所以其中空穴为多数载流子 即空穴为多子 自由电子为少子 由于杂质半导体中多子浓度大 则与少子复合的机会增大 故 多子越多 少子越少 杂质半导体中导电性能取决于多子浓度 而多子浓度取决于掺杂浓度 故杂质半导体的导电性能与温度几乎无关 故杂质半导体与本征半导体不同 杂质半导体导电性能比本征半导体高得多 而且导电性能与温度无关 而本征半导体导电性能弱 而且与温度密切相关 半导体器件的核心 是将N型半导体和P型半导体结合到一起 从而形成所谓的PN结 PN结具有非常特殊的导电性能 单向导电性 即非线性导电特性 当将N型半导体和P型半导体做到一起时 则在N型和P型半导体的交界面上会产生特殊的载流子的运动 从而形成一种特殊的内建电场 形成PN结 由于PN结两边的载流子浓度差 所以P区和N区的多子向对方扩散 一方面多子扩散到对方后与对方的多子复合 另一方面在PN结附近的杂质原子因为多子扩散到对方而成为不能移动的带电原子 即离子 扩散导致内电场的建立 内电场一方面阻止扩散的进一步进行 另一方面则导致两边的少子在电场作用下漂移 在一定的温度下 扩散和漂移达到动态平衡 在交界面的一个很窄的区域内 只剩下不能移动的离子 不存在停止不动的载流子 所以称为 耗尽层 同时 该区域阻止两边多子进一步扩散 所以称为 阻挡层 另外两边存在电势差 所以称为 势垒区 扩散运动的加强使得PN结变宽 漂移运动的加强使得PN结变窄 1 1 3PN结 温度升高 则本征激发导致N区和P区的少子浓度增大 则漂移运动加强 则PN结宽度变窄 PN结具有特别的外特性 单向导电性 即在PN结上施加外部电压时 正向和反向电压下导电性能有着显著的不同 当PN结的P区接外部电源的正极 N区接外部电源的负极时 则外电场与PN结的内电场方向相反 从而削弱内电场对载流子扩散的阻力 使得扩散运动得以继续进行下去 并且 P区和N区的多子扩散到对方以后 并不会使得空间电荷区的电荷得以累积 而是被外电场力源源不断地拉走 从而形成持续的电流 PN结的偏置 bias offset PN结两端所施加的直流电压称为PN结的偏置电压 简称偏置或偏压 如果PN结的P区与外电源的正端相连 N区与外电源的负端相连 则称为正向偏置 简称 正偏 如果PN结的P区与外电源的负端相连 N区与外电源的正端相连 则称为反向偏置 简称 反偏 1 1 3PN结 当正偏电压略微增大 则正向电流会急剧增大 过大的电流往往会使得PN结温度升高到足以破坏内部的晶体结构的程度 这会造成PN结的永久性损坏 故在回路中需要串联一个限流电阻R 当PN结反偏时 外电场与PN结的内电场方向相同 使得内电场得以加强 则PN结中的P区和N区的多子扩散无法进行下去 故此时回路几乎没有电流 也可以不需要限流电阻R 但是P区和N区的少子的漂移会形成反偏电流 不过因为少子浓度极低 故反偏电流极小 电流方程 式中 i PN结电流 以从P区流向N区电流为正 u PN结电压 以P区相对于N区为正 Is 反向饱和电流 大约为纳安到微安数量级 显然 PN结正偏时有一个门槛电压 也称为 死区电压 或 开启电压 锗管的死区电压大约为0 1V 硅管的死区电压大约为0 5V 正偏时 PN结两端的电压略有增加 则正向电流会急剧增加 故在正偏时 PN结的正向电流在很大范围内改变时 其两端的正向电压几乎不变 正偏时的温度特性 温度升高 曲线左上方向移动 即如果电流恒定 则压降降低 如果电压恒定 则电流增大 原因 少子漂移运动加强 削弱内电场 1 1 3PN结的正向特性 1 1 3PN结的反向特性 PN结反偏时 外电场与内电场方向相同 使得扩散运动无法进行下去 但是由P区和N区的少子所形成的漂移电流得以进行 从而形成PN结的反向电流 但是 由于少子浓度有限 所以PN结的反向电流一般并不随外加电压的改变而改变 所以称为反向饱和电流 PN结的反向饱和电流有几个特点 第一是反向饱和电流很小 这是因为少子浓度很低 第二是反向饱和电流与外加电压几乎无关 这是因为少子浓度在一定温度下是一个常数 第三是反向饱和电流与温度密切相关 其实还与光照有关 与温度成正变关系 第四是锗管的反向饱和电流比硅管大三个数量级左右 PN结的反向饱和电流越小越好 这是因为反向饱和电流破坏了PN结的单向导电性 硅管的反向饱和电流在纳安的数量级 锗管的反向饱和电流在微安数量级 1 1 3PN结的击穿特性 当PN结的反向电压增加到足够高的时候 其反向电流会突然急剧增加 这种现象称为击穿 相应的PN结两端的反向电压称为击穿电压 齐纳击穿 当PN结掺杂浓度比较高时 则PN结的宽度很小 此时在PN结两端施加的反向电压即使不大 其内部的电场强度也可以足够大 可以将PN结中共价键中的电子强行拉出参与导电 造成所谓的齐纳击穿 雪崩击穿 当PN结掺杂浓度比较低时 不容易发生齐纳击穿 但是 当外加反向电压比较高时 少子在PN结中的电场作用下动能增大 从而可以把共价键中的电子撞出来 并且形成倍增效应 从而造成所谓的雪崩击穿 利用PN结的击穿特性可以制成稳压二极管 控制PN结的掺杂浓度可以控制稳压二极管的击穿电压大小 实际上PN结在反向击穿时往往同时具有齐纳击穿和雪崩击穿 但是当击穿电压比较低时以齐纳击穿为主 而击穿电压比较高时则以雪崩击穿为主 齐纳击穿具有负的温度特性 而雪崩击穿则具有正的温度特性 齐纳击穿和雪崩击穿的分界点大约在5 7V 所以 5 7V附近的稳压管温度稳定性最好 如果PN结击穿时反向电流过大 则会造成PN结的功率消耗过大 结温会升高到破坏PN结的晶体结构的程度 这会造成PN结的永久性损坏 故需要在回路中串联限流电阻 如果不发生热损坏 则PN结的击穿是可逆的 1 1 3PN结的击穿特性 1 1 3PN结的结电容 PN结两端不仅有电荷的累积 而且当PN结两端的电压发生改变时 不仅PN结的宽度会改变 而且空间电荷区的电荷量也会发生改变 这等效为一种电容效应 扩散电容 当PN结正偏时 空间电荷区的宽度会变窄 同时的多子的浓度梯度会改变 即空间电荷区的电荷量会改变 形成电容效应 称为扩散电容 PN结正偏电压越大 空间电荷区的宽度越窄 且非平衡载流子浓度会增大 空间电荷区的离子浓度会降低 则电容量越大 即扩散电容与正偏电压成正变关系 势垒电容 当PN结反偏时 空间电荷区的宽度会变宽 空间电荷区的离子浓度会增大 即外电压增大 空间电荷区的电荷量会改变 形成电容效应 称为势垒电容 势垒电容 扩散电容 1 1 3PN结的结电容 电容特性 等效电路 PN结正偏时结电阻小 但是结电容大 反偏时结电阻大 但是结电容小 PN结的结电容越小 则其高频性能越好 结电容破坏了高频时PN结的单向导电性 利用PN结的结电容可以制造变容二极管 实现电调谐 PN结反偏时结电容虽然比较小 但是对高频性能影响很大 因为反偏时结电阻大 1 2半导体二极管 半导体二极管内部就是一个PN结 由于在P区和N区各引出一个电极 故称为二极管 1 2 1内部结构与外形 点接触型二极管 点接触型二极管PN结的面积小 故结电容小 适用于高频小信号的情况 一般用于高频检波或者高频小信号电子开关 1 2半导体二极管 面接触型二极管 面接触型二极管PN结的面积大 故结电容大 允许通过的电流也大 不适用于高频情况 一般用于低频大电流情况 最典型的就是用于大电流整流 1 2半导体二极管 面接触型二极管 平面型二极管PN结的面积可控 故可以做到结电容不是很大 同时又可以允许通过大电流 平面型二极管可以用于高频大电流的情况 1 2半导体二极管 晶体二极管实物图 1 2半导体二极管 晶体二极管符号 晶体管封装 塑料封装玻璃封装金属封装陶瓷封装 1 2 2二极管的伏安特性 1 2半导体二极管 二极管与PN结伏安特性的不同在于两点 一是二极管的P区和N区都有电阻 称为体电阻 二是二极管的封装会存在漏电 锗管的开启电压约为0 1V 导通压降约为0 1 0 3V 硅管的开启电压约为0 5V 导通压降约为0 6 0 8V 二极管的伏安特性的温度特性与PN结的温度特性相同 即对于正偏时 温度升高 曲线左移 对于反偏时 温度升高 曲线下移 1 2 3二极管的主要参数 略 1 2半导体二极管 1 2 4二极管的等效电路 理想二极管模型 恒压模型 折线模型 1 2半导体二极管 1 2 4二极管的等效电路 1 2 4二极管的等效电路 理想模型的应用范围 当二极管电路中电源电压远远高于二极管的开启电压时 往往可以忽略二极管的开启电压或者导通压降 此时采用的就是二极管的理想模型 恒压模型的应用范围 当二极管电路中电源电压比较低时 此时不能忽略二极管的导通压降 而将二极管两端的导通压降视为恒定不变的值 此时采用的就是二极管的恒压模型 折线模型用于当二极管导通时的交流小信号分析 1 2半导体二极管 举例2交流正弦波有效值幅度5mV 硅二极管D的体电阻100 求回路电流及电阻上电压 注意 直流电源给定二极管正偏 而交流电压幅度极小 故对于交流输入来说 电路可以看作是线性电路 应用叠加原理 交直流分开分析 应用二极管的折线模型 举例1判断二极管是否导通 如果导通 求流过硅二极管D的电流 注意 将二极管暂时取掉 求A B两端电压 应用戴维南等效 将A B两端等效为戴维南电源 应用二极管的恒压模型 1 2半导体二极管 1 2 5稳压二极管 符号 伏安特性 动态电阻rz 稳压管处于稳压区域时电压的变化量与电流变化量之比 动态电阻rz一般在几欧姆与几十欧姆之间 稳定电流越大 动态电阻越小 1 2半导体二极管 1 2 5稳压二极管 等效电路 稳压二极管在正偏时与普通二极管相同 只有反偏时并且反偏电压大到使得稳压管击穿 稳压二极管才能起到稳压作用 由于稳压管击穿时电流会随着端电压的增加而急剧增加 故必须在电路中串联限流电阻 否则会导致稳压二极管因电流过大而损坏 举例 设稳压管的动态电阻rz 10 求流过稳压管的电流和稳压管两端的电压 V不大于 1V 1 2半导体二极管 1 2 6发光二极管 符号 发光二极管必须工作在正偏状态并且流过足够的正向电流才能够发光 发光二极管的采用的半导体材料是砷化镓和磷化钾 所以其开启电压正向导通压降与硅管和锗管不同 发光二极管的导通压降大约为1 5V 2 5V 发光二极管在使用时同样必须接入限流电阻 以防止正向电流过大而烧毁PN结 1 2半导体二极管 1 2 6光电二极管 符号 光电二极管可以用于光电转换 光电二极管用于光电转换时必须工作在反偏状态 因其反向饱和电流与外界光照有关 与之成正变关系 正偏时与普通二极管相同 零偏时具有光电池特性 1 2双极型晶体管 双极型晶体管通称晶体三极管 其内部有两个PN结 因其内部有两种载流子参与导电 故称为双极型管 与之对应的 还有场效应管 其中只有一种载流子参与导电 晶体三极管的最显著的特性是具有电流放大作用 即在满足一定的条件下 某个电极的电流是另一个电极电流的一个相对固定的倍数 利用这一点 可以实现对弱信号的放大 晶体三极管也分为小功率管 中功率管和大功率管 同时 还分为低频三极管和高频三极管 晶体三极管必须满足一定的条件才会具有放大作用 这种条件分为内部条件和外部条件 内部条件是其结构必须满足一定的工艺要求 而外部条件则是必须对其两个PN结进行正确的偏置 1 3 1晶体管结构及类型 1 2双极型晶体管 晶体三极管具有 三个电极 基极b 发射极e 集电极c 三个区 发射区 基区 集电区 两个PN结 发射结 集电结 晶体三极管具有电流放大作用的内部条件 发射区高掺杂 基区低掺杂 基区宽度很薄 集电区面积很大 能够包围基区 晶体三极管具有电流放大作用的外部条件 发射结正偏 集电结反偏 电流放大基本原理 发射区的多数载流子电子大量扩散到基区 因为发射区高掺杂 其中只有少量电子被基区的空穴复合 基区低掺杂且宽度很小 剩余的大量电子拥入集电区 而集电区处于反偏 且集电区面积很大 故对于发射区扩散过来的电子具有吸收作用 大量的从发射区扩散到基区的电子除了极少数被基区空穴复合以外 全部在集电结的电场作用下漂移到集电极形成集电极电流 管子结构一定 则集电极电流与基极电流的比例关系就被确定 而且集电极电流比基极电流大得多 从而实现电流放大作用 1 3 1晶体管结构及类型 1 2双极型晶体管 1 3 1晶体管结构及类型 1 2双极型晶体管 晶体三极管有两种基本类型 NPN管和PNP管 两种管子的工作原理相同 不过在PNP管中 发射区的多数载流子是空穴 符号 问题 用两个二极管背靠背连接能不能构成晶体三极管 为什么 1 3 2晶体管的电流放大作用 NPN 1 2双极型晶体管 VCC VBB 保证发射结正偏 集电结反偏 1 3 2晶体管的电流放大作用 1 2双极型晶体管 内部载流子运动和电流分配关系 发射区多子 电子扩散到基区 一部分被基区空穴复合 形成基极电流IB的一部分IBN 另一部分漂移到集电极 形成集电极电流IC的一部分ICN 而发射区电子的扩散形成发射极IE电流的一部分IEN 即IEN IBN ICN 管子结构一旦确定 则ICN和IBN的比例关系就被确定 即ICN IBN IEN IBN ICN 1 IBN 由于发射结正偏 故基区的多子 空穴同样也会向发射区扩散 形成发射极电流IE的另一部分IEP 但是 由于基区低掺杂 故IEP很小 从而有IE IEN IEP IEN 1 3 2晶体管的电流放大作用 1 2双极型晶体管 内部载流子运动和电流分配关系 由于集电结反偏 故基区的少子 电子会漂移到集电极 同时集电极的少子 空穴会漂移到基极 形成集电极电流IC的一部分ICBO 故集电极电流为IC ICN ICBO 基极电流IB IBN IEP ICBO IBN ICBO 根据ICN IBN IB IBN ICBO和IC ICN ICBO三个关系式可以得到 IC ICN ICBO IBN ICBO IB ICBO ICBO IB 1 ICBO IC IB 1 ICBO IB ICEO IBICEO 1 ICBOICBO 发射极开路时集电结反向饱和电流ICEO 穿透电流 基极开路 集电极 发射极之间的电流 1 3 2晶体管的电流放大作用 1 2双极型晶体管 总结 IC IB ICEO IB IE IC IB 1 IB 共发射极电流放大倍数 直流电流放大倍数 交流电流放大倍数 一般两者几乎相等 所以往往不加区分 1 3 2晶体管的电流放大作用 1 2双极型晶体管 电路放大的基本原理共发射极电路基极电源和集电极电源必须共地 共基极放大电路电路放大的基本原理共射电流放大倍数 值和共基电流放大倍数 值 1 3 2晶体管的电流放大作用 1 2双极型晶体管 共射输入特性 共射输出特性 共基输入特性 共基输出特性 1 3 3晶体管共射特性曲线 1