第六章半导体器件的基本特性讲解.ppt

第6章半导体器件的基本特性 6 1半导体的基本知识 6 3二极管 6 5特殊二极管 6 2PN结的形成及特性 6 4二极管的基本电路及其分析方法 6 1半导体的基本知识 6 1 1半导体材料 6 1 2半导体的共价键结构 6 1 3本征半导体 空穴及其导电作用 6 1 4杂质半导体 根据材料导电能力 电阻率 的不同 来划分导体 绝缘体和半导体 典型的半导体材料有硅 Si 和锗 Ge 以及砷化镓 GaAs 等 导体 电阻率 109 cm半导体 电阻率 介于前两者之间 6 1 1半导体材料 6 1 1半导体材料 当半导体受到光照时 导电能力大幅度增强 制成的光敏二极管可以用于光敏控制 半导体材料三大基本特性 1 半导体的热敏性 temperaturesensitive 环境温度升高时 半导体的导电能力大幅度增强 制成的热敏电阻可以用于温度控制 电导率s 2 半导体的光敏性 lightsensitive T1 5光照度 6 半导体的掺杂性 Dopingimpuritive 在半导体中掺入一定浓度的杂质后 可改变半导体的导电类型 导电能力也会大幅度增加 利用这种特性可以制造出不同用途的半导体晶体管与集成电路 晶体管 I 6 1 1半导体材料 要理解这些特性 就必须从半导体的原子结构谈起 半导体的导电能力与价电子密切相关 所以为了突出价电子的作用 我们采用下图所示的简化原子结构模型 6 1 2半导体的共价键结构 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 本征半导体 半导体的原子结构为金刚石结构 每个原子都处在正四面体的中心 而四个其它原子位于四面体的顶点 完全纯净 结构完整的半导体晶体 称为本征半导体 纯度 6个9 99 9999 半导体的晶体结构取决于原子结构 在硅和锗晶体中 原子按四角形系统组成晶体点阵 每个原子与其相临的原子之间形成共价键 共用一对价电子 半导体的共价键结构 coovalentbond 共价键结构 硅单晶材料 纯净的单晶半导体称为本征半导体 在本征硅和锗的单晶中 原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵 称为晶格 由于原子间相距很近 价电子不仅受到自身原子核的约束 还要受到相邻原子核的吸引 使得每个价电子为相邻原子所共有 从而形成共价键 这样四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键 依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起 上图是单晶硅或锗的共价键结构平面示意图 共价键中的电子 由于受到其原子核的吸引 是不能在晶体中自由移动的 所以是束缚电子 不能参与导电 本征半导体的导电机理 在绝对0度 T 0K 和没有外界激发时 价电子完全被共价键束缚着 本征半导体中没有可以运动的带电粒子 即载流子 它的导电能力为0 相当于绝缘体 在常温下 由于热激发 使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚 成为自由电子 同时共价键上留下一个空位 称为空穴 本征半导体中的载流子 自由电子 freeelectron 空穴 mobilehole 空穴 自由电子 6 1 3本征半导体 空穴及其导电作用 本征半导体 化学成分纯净的半导体 它在物理结构上呈单晶体形态 空穴 共价键中的空位 电子空穴对 由热激发而产生的自由电子和空穴对 空穴的移动 空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现的 由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴 电子对 6 1 4杂质半导体 在本征半导体中有选择地掺入少量其它元素 可使半导体的导电性发生显著变化 这些少量元素统称为杂质 掺入杂质的半导体称为杂质半导体 根据掺入的杂质不同 有N型半导体和P型半导体两种 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 一般采用高温扩散工艺进行掺杂 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 1 N型半导体 N typeSemiconductors 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 或锑 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代 磷原子的最外层有五个价电子 其中四个与相临的半导体原子形成共价键 必定多出一个电子 这个电子很容易被激发而成为自由电子 磷原子是不能移动的带正电的离子 每个磷原子给出一个电子 称为施主杂质 donorimpurity 本征硅或锗 少量磷 N型半导体 多余电子 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 由于五价原子释放电子 因此五价杂质原子也称为施主杂质 施主杂质 自由电子 2 P型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素 如硼 或铟 晶体点阵中的某些原子被杂质取代 硼原子的最外层有三个价电子 与相临的硅或锗原子形成共价键时 产生一个空穴 这个空穴可能吸引束缚电子来填补 使得硼原子成为不能移动的带负电的离子 由于硼原子接受电子 所以称为受主杂质 acceptorimpurity 本征硅或锗 少量硼 P型半导体 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 受主杂质 杂质半导体的示意表示法 P型半导体 N型半导体 载流子浓度 杂质浓度 热激发少子浓度 3 杂质半导体的载流子浓度 在以上两种杂质半导体中 尽管掺入的杂质浓度很小 但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数 杂质半导体中的少子浓度 因掺杂不同 会随多子浓度的变化而变化 在热平衡下 两者之间有如下关系 多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方 用ND表示施主原子的浓度 NA表示受主原子的浓度 即对N型半导体 多子nn与少子pn有 对P型半导体 多子pp与少子np有 1 2a 1 2b 1 3a 1 3b 由以上分析可知 本征半导体通过掺杂 可以大大改变半导体内载流子的浓度 并使一种载流子多 而另一种载流子少 对于多子 通过控制掺杂可严格控制其浓度 而温度变化对其影响很小 对于少子 主要由本征激发决定 因掺杂使其浓度大大减小 但温度变化时 由于ni的变化 会使少子浓度有明显变化 4 杂质对半导体导电性的影响 6 1 4杂质半导体 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响 一些典型的数据如下 以上三个浓度基本上依次相差约106 cm3 4 96 1022 cm3 本征半导体 杂质半导体 本节中的有关概念 自由电子 空穴 N型半导体 P型半导体 多数载流子 少数载流子 施主杂质 受主杂质 6 2PN结的形成及特性 6 2 2PN结的形成 6 2 3PN结的单向导电性 6 2 4PN结的反向击穿 6 2 5PN结的电容效应 6 2 1载流子的漂移与扩散 6 2 1载流子的漂移与扩散 漂移运动和漂移电流 由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动 在电场作用下 半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流 称为漂移电流 它类似于金属导体中的传导电流 扩散运动和扩散电流 在半导体中 因某种原因使载流子的浓度分布不均匀形成浓度差时 载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散运动 从而形成扩散电流 半导体中有两种载流子 电子和空穴 当外加电场时 电子逆电场方向作定向运动 形成电子电流In 而空穴顺电场方向作定向运动 形成空穴电流Ip 虽然它们运动的方向相反 但是电子带负电 其电流方向与运动方向相反 所以In和Ip的方向是一致的 均为空穴流动的方向 因此 半导体中的总电流为两者之和 即I In Ip漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度 迁移速度及外加电场的强度等因素决定 6 2 2PN结的形成 通过掺杂工艺 把本征硅 或锗 片的一边做成P型半导体 另一边做成N型半导体 这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层 称为PN结 PN结是构造半导体器件的基本单元 其中 最简单的晶体二极管就是由PN结构成的 因此 讨论PN结的特性实际上就是讨论晶体二极管的特性 6 2 2PN结的形成 P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时 因为P区一侧空穴多 N区一侧电子多 所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差 于是P区中的空穴会向N区扩散 并在N区被电子复合 而N区中的电子也会向P区扩散 并在P区被空穴复合 这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子 上述过程如图3 2 a 所示 结果在界面的两侧形成了由等量正 负离子组成的空间电荷区 如图3 2 b 所示 6 2 2PN结的形成 图3 2PN结的形成 6 2 2PN结的形成 开始时 扩散运动占优势 随着扩散运动的不断进行 界面两侧显露出的正 负离子逐渐增多 空间电荷区增宽 使内电场不断增强 于是漂移运动随之增强 而扩散运动相对减弱 最后 因浓度差而产生的扩散力被电场力所抵消 使扩散和漂移运动达到动态平衡 这时 虽然扩散和漂移仍在不断进行 但通过界面的净载流子数为零 平衡时 空间电荷区的宽度一定 UB也保持一定 如下图所示 由于空间电荷区内没有载流子 所以空间电荷区也称为耗尽区 层 又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用 好像壁垒一样 所以又称它为阻挡区或势垒区 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质 分别形成N型半导体和P型半导体 此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程 最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 浓度差 多子的扩散运动 杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内建电场 内电场促使少子漂移 阻止多子扩散 离子薄层形成的空间电荷区称为PN结 也称耗尽层 对于P型半导体和N型半导体结合面 离子薄层形成的空间电荷区称为PN结 空间电荷区 由于缺少多子 所以也称耗尽层 6 2 3PN结的单向导电性 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 反之称为加反向电压 简称反偏 1 PN结加正向电压时 低电阻大的正向扩散电流 正向电压使PN结内建电场减弱 空间电荷区变薄 产生较大的正向扩散电流 扩散 飘移 正向电流大 6 2 3PN结的单向导电性 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 反之称为加反向电压 简称反偏 2 PN结加反向电压时 高电阻很小的反向漂移电流 外加电场与PN结内建电场方向一致 使PN结空间电荷区变宽 扩散电流趋于零 只存在少数载流子的漂移 形成反向饱和电流 其数值很小 一般为微安 A 数量级 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 6 2 3PN结的单向导电性 3 PN结V I特性表达式 其中 PN结的伏安特性 IS 反向饱和电流 VT 温度的电压当量 且在常温下 T 300K PN结方程的讨论 在室温下 T 300K 设VD 100mV 而VT 26mV 1 所以当VD 100mV时 PN结方程可以简化为 同样当VD 100mV时 PN结方程可以简化为 例 已知室温 T 300K 下 硅PN结外加正偏VD为0 7V 正向电流ID为1mA 求反向饱和电流IS 解 由 室温 T 300K 下 代入已知条件得 6 2 4PN结的反向击穿 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 热击穿 不可逆 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 雪崩击穿 齐纳击穿 反向击穿 当VBR 4V时称为 齐纳击穿 VBR 6V时称为 雪崩击穿 VBR 反向击穿电压 一般VBR 100V 在VBR附近DI大幅度变化 而DV变化很小 具有稳压特性 利用PN结的反向击穿特性可以制成 稳压二极管 V V I mA O 6 2 4PN结的反向击穿 6 2 5PN结的电容效应 1 扩散电容CD 扩散电容示意图 当PN结处于正向偏置时 扩散运动使多数载流子穿过PN结 在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积 存储电荷量的大小 取决于PN结上所加正向电压值的大小 离结越远 由于空穴与电子的复合 浓度将随之减小 若外加正向电压有一增量 V 则相应的空穴 电子 扩散运动在结的附近产生一电荷增量 Q 二者之比 Q V为扩散电容CD PN结存在两种电容效应 3 2 5PN结的电容效应 2 势垒电容CB 势垒区电荷随外加反偏vS增大而增大 结构类似电容 6 3半导体二极管 6 3 1二极管的结构 6 3 2二极管的伏安特性 6 3 3二极管的主要参数 6 3 1二极管的结构 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 面接触型两大类 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 a 面接触型 b 集成电路中的平面型 c 代表符号 2 面接触型二极管 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 b 面接触型 6 3 2二极管的V I特性 二极管的V I特性曲线可用下式表示 锗二极管2AP15的V I特性 硅二极管2CP10的V I特性 6 3 2二极管的V I特性 二极管的伏安特性曲线可用下式表示 锗二极管2AP15的V I特性 正向特性 反向特性 反向击穿特性 实际VCR由实验电路测量得出 6 3 3二极管的主要参数 1 最大整流电流IF指二极管长期工作时允许通过的最大平均正向电流 2 反向击穿电压VBR指二极管反向击穿时的电压值 反向击穿时二极管可能过热而烧坏 为确保二极管安全工作 器件手册会给出反向击穿电压VBR的一半为反相最高工作电压 3 反向电流IR指二极管未反向击穿时反向工作电流 其值愈小 则二极管的单向导电性愈好 与温度有关 温度增加 反向工作电流会明显增加 4 极间电容Cd CB CD 在高频和作高频开关使用时 必须考虑到的极间电容Cd的影响 5 反向恢复时间TRR由于结电容的影响 二极管外加电压从正向导通到反相截止时 其反相电流从瞬间较大恢复到较小时的时间 其大小影响二极管的工作频率 6 3 3二极管的主要参数 6 4二极管的基本电路及其分析方法 6 4 1简单二极管电路的图解分析方法 6 4 2二极管电路的简化模型分析方法 6 4 1简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一种非线性器件 因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法 相对来说比较复杂 而图解分析法则较简单 但前提条件是已知二极管的V I特性曲线 例3 4 1电路如图所示 已知二极管的V I特性曲线 电源VDD和电阻R 求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 解 由电路的KVL方程 可得 即 是一条斜率为 1 R的直线 称为负载线 Q的坐标值 VD ID 即为所求 Q点称为电路的工作点 二极管模型分析 问题 已知R V求iD vD iDR vD V vD iD 6 4 2二极管电路的简化模型分析方法 6 4 2二极管电路的简化模型分析方法 一 理想开关模型 特点 vD 0时 二极管导通 VD 0时 二极管截止 V iDR vD iDR 二极管导通时vD 0 iD V R 引入模型的目的 简化电路计算 方法 非线性元件作线性化处理 二 恒压降模型 VD 0 7V 硅管 时 二极管导通 VD 0 7V 硅管 时 二极管截止 特点 VON 硅二极管VON 0 7V锗二极管VON 0 3V 二极管导通 iD 0 时 vD VON V iDR vD iDR VON iD V VON R 三 折线模型 当VD Vth时 VD Vth iDrD rD为Q点折线斜率的倒数 Vth是二极管的开启电压 硅二极管的Vth约为0 5V 特点 D ID VD Vth 6 4 2二极管电路的简化模型分析方法 四 小信号模型 vs 0时 Q点称为静态工作点 反映直流时的工作状态 vs Vmsin t时 Vm VDD 将Q点附近小范围内的V I特性线性化 得到小信号模型 即以Q点为切点的一条直线 6 4 2二极管电路的简化模型分析方法 1 二极管V I特性的建模 4 小信号模型 即 根据 得Q点处的微变电导 则 常温下 T 300K a V I特性 b 电路模型 rd的定义 二极管特性曲线工作点Q附近电压的变化量与相应的电流变化量之比 如ID 2mA时 rD 13 直流等效电阻 6 4 2二极管电路的简化模型分析方法 1 二极管V I特性的建模 4 小信号模型 a V I特性 b 电路模型 6 4 2二极管电路的简化模型分析方法 2 模型分析法应用举例 1 整流电路 a 电路图 b vs和vO的波形 1 整流电路 整流电路的目的是把交流电压转变为直流脉动的电压 常见的整流电路有单相半波 全波 桥式整流等 交流变直流 整流直流变交流 逆变 直流稳压电源系统框图 直流脉动电压波形 1 半波整流电路 正半周时u2 0 二极管导通 忽略二极管正向压降 u0 u2 负半周时u2 0 二极管截止 输出电流为0 uO 0 设电路输入为正弦信号 输出波形为半波整流波形 半波整流电路电路简单 但整流效率低 输出电压直流分量为UO 二极管上承受的最高反向电压 二极管上的平均电流 半波整流电路输入波形的负半周没有都得到利用 2 全波整流电路 全波整流电路输入波形的正负半周都得到利用 整流效率最高 一般采用桥堆进行整流 四个二极管两两交替导通起开关作用 桥堆内部电路 桥堆典型封装 全波整流电路 带输入变压器的全波整流电路 简化电路 输入电压为正半周时 D1D3导通 D2D4截止 输入电压为负半周时 D2D4导通 D1D3截止 全波整流电路整流原理 输入电压的正负半周都有电流流过负载而且电流方向一致 单向脉动 uo 0 u2 0 输出电压u0的直流分量 负载平均电流为 每个二极管中流过的电流是负载电流的一半 选择整流二极管要求最大整流电流满足 D4 D2 D1 D3 RL u2 uO 一对二极管在反向截止时 每个管子承受的电压都是变压器副边电压的峰值 选择整流二极管时要求反向工作峰值电压满足 2 模型分析法应用举例 2 静态工作情况分析 理想模型 恒压模型 硅二极管典型值 折线模型 硅二极管典型值 设 a 简单二极管电路 b 习惯画法 三种模型的计算精度比较 二极管的静态工作情况分析 求iD 理想模型 恒压模型 折线模型 外加电压越高 计算精度误差越小 设 Vth 0 5V rd 0 2K VON 0 7V硅二极管 例1 填空题 如图所示电路中 D1 D3为理想二极管 A B C白炽灯泡功率相同 其中最亮的灯是 解 VS正半周时D1 D3导通 D2截止A C被短路 VS的正半周电压全部加到B上 VS负半周时D1 D3截止 D2导通B被短路 VS的负半周电压全部加到A C上 VS全周期加到A C上的平均电压只有B的一半 所以最亮的灯是B 例2 图示电路中设D导通时正向压降为0 7V 求流过二极管中的电流ID 解 运用戴维宁定理 二极管正向导通 其正向压降为0 7V 例3 图示电路中设D导通时正向压降为0 7V 求流过二极管中的电流ID ID 4 5833mA ID 3 1 2 0 7 240 4 5833mA 解 运用戴维宁定理 由KVL 3 120ID 0 7 120ID 1 2 0 1 二极管单向限幅器 设D为理想二极管 3 二极管限幅电路 当输入电压小于电池电压E时 二极管两端电压处于反向偏置 ui E时 D截止 uo ui 当输入电压大于电池电压时 二极管两端电压处于正向偏置 导通 二极管两端电压为0 所以输出电压与电池电压相同 即 ui E时 D导通 uo E 限幅 电压幅度限制 4 截止 截止 导通 导通 如果考虑二极管导通电压 则此时输出电压应为4 7V 设 ui 4V时 D截止 uo ui ui 4V时 D导通 uo 4V 1 当 例 二极管电路如图 D1 D2为理想二极管 试画出 10 ui 10 范围内的电压传输特性曲线uo f ui 解 D1管截止 D2管导通 u0 5V 2 当 5 ui 5时 D1管截止 D2管截止 u0 ui 3 当 5 ui 10时 D1管导通 D2管截止 u0 5V 电路把超过 5V的输入信号部分限制掉 10 ui 5时 2 二极管双向相限幅器 利用二极管的单向导电性 相当于一个受外加电压极性控制的开关 4 二极管开关电路 半导体二极管开关特性 二极管电路分析方法 1 先将二极管从电路中断开 分别求出其两端的正向电压 2 根据二极管的单向导电性 二极管承受正向电压则导通 反之则截止 若电路中存在两只以上二极管 则正向电压大的管子优先导通 2 模型分析法应用举例 4 开关电路 电路如图所示 求AO的电压值 解 先断开D 以O为基准电位 即O点为0V 则接D阳极的电位为 6V 接阴极的电位为 12V 阳极电位高于阴极电位 D接入时正向导通 所以 AO的电压值为 6V 例1 试判断图中二极管是导通还是截止 并求出AO两端电压VAO 设二极管为理想的 解 断开D1 D2时 D1管优先导通 VA1 12V VA2 12 6 6V VA1 VA2 此时 VA2 6V D2管截止 此电路D1导通 D2管截止VAO 0V VAO 0V 1 二极管开关电路 2 或门电路 假定二极管导通电压忽略不计 我们用列表的方法来分析输入信号VA VB和输出信号VF的关系 VA VB VF D2 D1 5V 5V 5V 5V 0V 0V 0V 0V 导通 导通 导通 导通 导通 导通 截止 截止 5V 0V 5V 5V 如果定义5V电平为逻辑1 0V电平为逻辑0 则 该电路实现逻辑 或 的功能 F A B 2 模型分析法应用举例 5 低电压稳压电路 通过合理设置电路参数 利用普通二极管的正向导通压降特性 可以获得较好的稳压效果 对普通硅管VD近似等于0 7伏 VDD变化在二极管上的压降变化很小 2 模型分析法应用举例 6 小信号工作情况分析 图示电路中 VDD 5V R 5k 恒压降模型的VD 0 7V vs 0 1sinwtV 1 求输出电压vO的交流量和总量 2 绘出vO的波形 直流通路 交流通路 静态 动态等概念 在放大电路的分析中非常重要 ID VDD VD R 5 0 7 5 0 86mArd VT ID 26 0 86 0 03k 6 5特殊二极管 6 5 1齐纳二极管 稳压二极管 6 5 2变容二极管 6 5 3肖特基二极管 6 5 4光电子器件 稳压二极管及其应用 由特殊工艺制造专门工作在反向击穿状态下的二极管称为稳压二极管 一 稳压二极管 普通二极管反向击穿电压越大越好 一般VBR 100V V V I mA O VBR 普通稳压二极管工作电压VBR VZ 2 5 30V 稳压二极管特点 PN结面积大 散热条件好 使反向击穿是可逆 6 5 1齐纳二极管 1 符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压 稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态 2 稳压二极管的伏安特性曲线 正向特性和普通二极管相同 反向击穿区曲线越陡 即动态电阻rZ越小 稳压性能越好 理想稳压二极管 实际器件的rZ一般都很小 可以忽略 加反向电压当IZ 0时 VD VZ 加正向电压当IZ 0时 VD 0 7V si管 V V I mA O 1 稳定电压VZ 2 最小稳定电流IZmin 3 最大稳定电流IZMAX 不同型号的稳压管 都规定一个最大稳定电流 防止稳压管过流发生热击穿而损坏 3 稳压二极管的主要参数 保证稳压管稳压性能的最小工作电流 IZmin很小 常视为零 VZ 2 5 30V 4 最大允许耗散功率PZM 稳压管不发生热击穿