《半导体基础知识》PPT课件.ppt

半导体基础知识 张侠 半导体基础知识 什么是半导体 半导体的分类 PN结 二极管 三极管 MOS 什么是半导体 什么是半导体导电性能介于导体与绝缘体之间的材料 叫做半导体 例如硅 锗等 典型的半导体是以共价键结合为主的 半导体靠电子或空穴导电 它的导电性一般通过掺入杂质原子取代原来的原子来控制 掺入的原子如果比原来的原子多一个价电子 则产生电子导电 如果掺入的杂质原子比原来的原子少一个价电子 则产生空穴导电 硅的原子结构模型 锗的原子结构模型 简化模型 半导体的分类 半导体的分类 本征半导体 没有掺杂完全纯净的半导体 比如硅和锗都是四价元素 其原子核最外层有四个价电子 它们都是由同一种原子构成的 单晶体 属于本征半导体 点阵结构 每个原子周围有四个相邻的原子 原子之间通过共价键紧密结合在一起 两个相邻原子共用一对电子 半导体的分类 半导体的分类 杂质半导体 我们一般谈的半导体都是杂质半导体 杂质半导体就是向本征半导体掺入杂质而形成的 其目的就是使半导体导电能力增强 我们一般使用的杂质半导体分为两种 P型半导体和N型半导体 P型半导体 P型半导体 在硅晶体中掺入三价元素硼 硼原子最外层只有3个价电子 当硼原子与周围的硅原子形成共价键时 由于缺少一个价电子而产生一个空位 空位为电中性 这个空位很容易被邻近共价键中的价电子填补 硼原子得到一个电子成为负离子 在晶体中不能移动 失去价电子的共价键中出现一个空穴 带正电 每个硼原子都产生一个空穴 空穴数目大大增加 远远超过自由电子数 这种半导体主要依靠空穴导电 称为空穴型或P型半导体 N型半导体 N型半导体 在硅晶体中掺入五价元素磷 磷原子的最外层有5个价电子 当磷原子与周围的硅原子形成共价键时 还多出一个电子 多出的电子不受共价键的束缚 室温下很容易成为自由电子 磷原子失去一个电子成为正离子 在晶体中不能移动 每个磷原子都提供一个自由电子 自由电子数目大大增加 远远超过空穴数 这种半导体主要依靠电子导电 称为电子型或N型半导体 PN结 PN结 半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式 扩散运动 如果载流子浓度分布不均匀 因为浓度差 载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动 这种运动称为扩散运动 漂移运动 载流子在电场力作用下的定向运动称为漂移运动 采用不同的掺杂工艺 将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上 在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结 PN结具有单向导电性 PN结 在P N半导体结合后 N型区内电子很多空穴很少 P型区内空穴很多电子很少 在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差 这样 一些电子就从N型区向P型区扩散 一些空穴就从P型区到N型区扩散 扩散的结果使P区一边失去空穴 留下带负电的杂质离子 N区的一边失去电子 留下带正电的杂质离子 这些离子不能移动 故不参与导电 这些不能移动的带电离子在P和N区交界面附近 形成一个很薄的空间电荷区 就是所谓的 结 空间电荷区又称耗尽区 扩散越强 空间电荷区越宽 PN结的形成 红的为电子白的为空穴 为杂质离子 PN结 PN结的形成 出现了空间电荷区以后 由于正负电荷之间的相互作用 在空间电荷区形成了一个内电场 方向是从带正电的N区指向带负电的P区 这个电场的方向与多子扩散的方向相反 此电场阻止多子扩散 另一方面 这个电场将使N区的少子空穴向P区漂移 使P区的少子电子向N区漂移 漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反 从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴 从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区失去的电子 这就使空间电荷减少 因此 漂移运动的结果使空间电荷区变窄 当漂移运动达到和扩散运动相等时 结便处于动态平衡状态 PN结 PN结单向导电性 正向导通 当PN结外加电压V1 其正端接P区 负端接N区时 外加电场与PN结内电场方向相反 在这个外加电场作用下 结的平衡状态被打破 区中的空穴和 区中的电子都要向PN结移动 当空穴进入 结后 和原来的一部分负离子中和 使 区的空间电荷数减少 同样的 当电子进入 结时 中和了部分正离子 使 区的空间电荷数量减小 使 结变窄 即耗尽层变薄 这时耗尽层中载流子增加 因而电阻减小 越来越窄最终载流子很多能通过 形成扩散电流 此时 由少数载流子形成的的漂移电流 数值很小 可以忽略 这时PN结内的电流由起支配地位的扩散电流所决定 PN结 PN结单向导电性 反向截止 当PN结外加电压V2 其正端接N区 负端接P区时 外加电场与PN结内电场方向相同 PN结处于反向偏置 在反向电压作用下 区中的空穴和 区中的电子都将进一步离开PN结 使耗尽层变宽 PN结的内电场加强 这一结果 一方面阻止扩散运动的进行 另一方面加剧漂移运动的进行 形成反向电流 也成为漂移电流 但因为少子的数目极少 即使所有的少子都参与漂移运动 反向电流也非常小 此时的PN结呈现为一个很大很大的电阻 可认为它不导电 二极管 PN结二极管 其伏安特性表 PN结的最大特点单向导电性 在正向外加电压作用下 电流呈指数规律急剧增加 在反向电压作用下 最多只有一个很小的反向电流流通 一般我们认为是截止 二极管 肖特基结二极管 肖特基势垒的形成 如图 因为N型半导体中存在着大量的电子 金属中仅有极少量的自由电子 因为有浓度差 所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散 显然 金属A中没有空穴 也就不存在空穴自A向B的扩散运动 随着电子不断从B扩散到A B表面电子浓度逐渐降低 表面电中性被破坏 于是就形成内电场 其电场方向为B A 但在该电场作用之下 A中的电子也会产生从A B的漂移运动 从而消弱了由于扩散运动而形成的电场 当建立起一定宽度的空间电荷区后 电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡 便形成了肖特基势垒 二极管 肖特基结二极管 当A端外加正向电压时 从B端到A端的电子数目超过从A到B的电子数 平衡被打破 形成一股从A到B的正向电流 二极管导通 当A端外加反向电压时 N区电子向右侧正极移动 阻挡层变厚 电阻变大 二极管截止 肖特基结二极管具有类似于PN结二极管的伏安特性 16 晶体三极管的伏安特性曲线 晶体管的伏安特性曲线是描述三极管的各端电流与两个PN结外加电压之间的关系的一种形式 其特点是能直观 全面地反映晶体管的电气性能的外部特性 晶体管的特性曲线一般用实验方法描绘或专用仪器 如晶体管图示仪 测量得到 晶体三极管为三端器件 在电路中要构成四端网络 它的每对端子均有两个变量 端口电压和电流 因此要在平面坐标上表示晶体三极管的伏安特性 就必须采用两组曲线簇 我们最常采用的是输入特性曲线簇和输出特性曲线簇 三极管 17 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 一 输入特性曲线 三极管 18 输入特性曲线簇 三极管 19 2 UCE 1V即 给集电结加上固定的反向电压 集电结的吸引力加强 使得从发射区进入基区的电子绝大部分流向集电极形成Ic 同时 在相同的UBE值条件下 流向基极的电流IB减小 即特性曲线右移 总之 晶体管的输入特性曲线与二极管的正向特性相似 因为b e间是正向偏置的PN结 放大模式下 三极管 一 输入特性 工作压降 硅管UBE 0 6 0 7V 锗管UBE 0 2 0 3V 门槛电压 硅管0 6V 锗管0 2V 三极管 21 二 输出特性曲线 输出特性通常是指在一定的基极电流IB控制下 三极管的集电极与发射极之间的电压UCE同集电极电流Ic的关系 现在我们所见的是共射输出特性曲线表示以IB为参变量时 Ic和UCE间的关系 即Ic f UCE IB 常数实测的输出特性曲线如图所示 根据外加电压的不同 整个曲线可划分为四个区 放大区 截止区 饱和区 击穿区 三极管 22 二 输出特性 放大区 IC mA 此区域满足IC IB称为线性区 放大区 当UCE大于一定的数值时 IC只与IB有关 IC IB 23 此区域中UCE UBE 集电结正偏 IB IC UCE 0 3V称为饱和区 二 输出特性 饱和区 24 此区域中 IB 0 IC ICEO UBE 门槛电压 称为截止区 二 输出特性 截止区 输出特性曲线簇 输出特性三个区域的特点 放大区 发射结正偏 集电结反偏 此时IC随着IB的改变而改变 即 IC IB 且 IC IB 2 饱和区 发射结正偏 集电结正偏 此时IC随着UCE的改变而改变 即 UCE UBE IB IC UCE 0 3V 3 截止区 UBE 死区电压 IB 0 IC ICEO 0 1 截止区 晶体管工作在截止模式下 有 UBE 0 7V UBC 0所以 IB 0 IE IC 0结论 发射结Je反向偏置时 晶体管是截止的 总结 2 放大区 晶体管工作在放大模式下 UBE 0 7V UBC IB 随着UCE的增加 曲线有些上翘 此时 Ic IB 管子在放大区具有很强的电流放大作用 总结 结论 在放大区 UBE 0 7V UBC IB 具有很强的电流放大作用 总结 30 3 饱和区 晶体管工作在饱和模式下 UBE 0 7V UBC 0 即 Je Jc均正偏 特点 曲线簇靠近纵轴附近 各条曲线的上升部分十分密集 几乎重叠在一起 可以看出 当IB改变时 Ic基本上不会随之而改变 晶体管饱和的程度将因IB和Ic的数值不同而改变 总结 31 一般规定 当UCE UBE时的状态为临界饱和 VCB 0 当UCE UBE时的状态为过饱和 饱和时的UCE用UCES表示 三极管深度饱和时UCES很小 一般小功率管的UCES 0 3V 而锗管的UCES 0 1V 比硅管还要小 4 击穿区 随着UCE增大 加在JE上的反向偏置电压UCB相应增大 当UCE增大到一定值时 集电结就会发生反向击穿 造成集电极电流Ic剧增 这一特性表现在输出特性图上则为击穿区域 造成击穿的原因 由于集电结是轻掺杂的 产生的反向击穿主要是雪崩击穿 击穿电压较大 除此之外 在基区宽度很小的三极管中 还会发生特有的穿通击穿 即 当UCE增大时 UCB相应增大 导致集电结Jc的阻挡层宽度增宽 直到集电结与发射结相遇 基区消失 这时发射区的多子电子将直接受集电结电场的作用 引起集电极电流迅速增大 呈现类似击穿的现象 三极管的反向击穿主要表现为集电结的雪崩击穿 5 晶体管三极管的工作特点如下 1 为了在放大模式信号时不产生明显的失真 三极管应该工作在输入特性的线性部分 而且始终工作在输出特性的放大区 任何时候都不能工作在截止区和饱和区 2 为了保证三极管工作在放大区 在组成放大电路时 外加的电源的极性应使三有管的发射结处于正向偏置状态 集电结则处于反向偏置状态 3 即使三极管工作在放大区 由于其输入 输出特性并不完全理想 表现为曲线而非直线 因此放大后的波形仍有一定程度的非线性失真 4 由于三极管是一个非线性元件 其各项参数 如 rbe等 都不是常数 因此在分析三极管组成的放大电路时 不能简单地采用线性电路的分析方法 而放大电路的基本分析方法是图解法和微变等效电路 小信号电路分析 法 35 三极管的开关工作特性 轮流工作在饱和模式和截止模式下 三极管的开关特性在数字电路中用得非常广泛 是数电路中最基本的开关元件 通常不是工作在饱和区就是工作在截止区 而放大区只是出现在三极管由饱和区变为截止或由截止变为饱和的过渡过程中 是瞬间即逝的 因此对开关管 我们要特别注意其开关条件和它在开关状态下的工作特点 发射结和集电结都截止 截止区 是关 都导通 饱和区 是开 MOS MOS晶体管伏安特性 以增强型NMOS为例 MOS MOS晶体管伏安特性 以增强型NMOS为例 截止区 夹断区 Ugs Ut 阈值电压也叫开启电压 当Ugs为0或者很小时 由于S与D之间是两个背靠背的PN结 栅电极下没有导电沟道形成 MOS管处于截止状态 MOS MOS晶体管伏安特性 以NPN增强型MOS为例 放大区 恒流区 饱和区 Ugs Ut Uds较大时 此时Uds Ugs Ut 此时Id仅取决于Ugs 与Uds无关 此时Ugs Uds Ut 即Ugd Ut 栅漏电压小于开启电压 此时靠近Drain端的沟道是夹断的 MOS MOS晶体管伏安特性 以NPN增强型MOS为例 可变电阻区 线性区 Ugs Ut Uds较小时 此时UdsUt 即Ugd Ut 此时靠近Drain端的沟道导通 根据理想表达式可以大体给出可变电阻区的伏安特性图 增强型NMOS 增强型NMOS 当栅源电压增大到一定值 开启电压UT 时 在栅极下面 衬底表面才形成电子导电沟道 称N沟道 随着电压得增加 导电沟道扩大 以利于漏源之间导通 所以称为增强型 也叫常闭型 当栅源电压为0时 源漏之间是不导通的 闭着的 增强型NMOS 耗尽型NMOS 制造时已在源区和漏区之间的衬底表面形成了N型沟道 因而当栅源电压为0时 源漏之间是导通的 只有在栅源之间加上负电压 才使N型沟道变浅 当栅源电压负到一定值 夹断电压UP 时 电子导电沟道全部耗尽 MOS管截至 称为耗尽