第一章-半导体器件基础.ppt

1 1 导体 自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 绝缘体 有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 1 1半导体的导电特性 1 2 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 例如 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 1 掺杂性 2 热敏性和光敏性 1 3 1 1 1本征半导体 纯净和具有晶体结构的半导体 一 本征半导体的结构特点 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 1 4 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 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 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体 1 5 硅和锗的共价键结构 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 1 6 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为束缚电子 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子 因此本征半导体中的自由电子很少 所以本征半导体的导电能力很弱 形成共价键后 每个原子的最外层电子是八个 构成稳定结构 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 1 7 二 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 1 载流子 自由电子和空穴 1 8 自由电子 空穴 束缚电子 1 9 2 本征半导体的导电机理 在其它力的作用下 空穴吸引附近的电子来填补 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 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 即自由电子和空穴 1 10 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 本征半导体中电流由两部分组成 1 自由电子移动产生的电流 2 空穴移动产生的电流 在本征半导体中自由电子和空穴成对出现 同时又不断的复合 1 11 1 1 2杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 就会使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加 P型半导体 空穴浓度大大增加的杂质半导体 也称为 空穴半导体 N型半导体 自由电子浓度大大增加的杂质半导体 也称为 电子半导体 1 12 一 N型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 晶体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 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键 必定多出一个电子 这个电子几乎不受束缚 很容易被激发而成为自由电子 这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子 1 13 多余电子 磷原子 N型半导体中的载流子是什么 1 由磷原子提供的电子 浓度与磷原子相同 2 本征半导体中成对产生的电子和空穴 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以 自由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 1 14 二 P型半导体 空穴 硼原子 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 1 15 三 杂质半导体的符号 1 16 1 17 总结 2 N型半导体中电子是多子 其中大部分是掺杂提供的电子 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 3 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 1 本征半导体中受激产生的电子很少 1 18 1 2 1PN结的形成 在同一片半导体基片上 分别制造P型半导体和N型半导体 经过载流子的扩散 在它们的交界面处就形成了PN结 1 2PN结 1 19 P型半导体 N型半导体 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽 内电场越强 漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 1 20 P型半导体 N型半导体 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡 相当于两个区之间没有电荷运动 空间电荷区的厚度固定不变 1 21 空间电荷区 N型区 P型区 电位V V0 1 22 1 23 1 空间电荷区中没有载流子 2 空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴 N区中的电子 都是多子 向对方运动 扩散运动 3 P区中的电子和N区中的空穴 都是少 数量有限 因此由它们形成的电流很小 小结 1 24 1 加正向电压 正偏 电源正极接P区 负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反 外电场削弱内电场 耗尽层变窄 扩散运动 漂移运动 多子扩散形成正向电流IF 1 2 2PN结的单向导电性 1 25 2 加反向电压 电源正极接N区 负极接P区 外电场的方向与内电场方向相同 外电场加强内电场 耗尽层变宽 漂移运动 扩散运动 少子漂移形成反向电流IR 在一定的温度下 由本征激发产生的少子浓度是一定的 故IR基本上与外加反压的大小无关 所以称为反向饱和电流 但IR与温度有关 1 26 PN结加正向电压时 具有较大的正向扩散电流 呈现低电阻 PN结导通 PN结加反向电压时 具有很小的反向漂移电流 呈现高电阻 PN结截止 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 1 27 1 3半导体二极管 1 3 1基本结构 PN结加上管壳和引线 就成为半导体二极管 点接触型 面接触型 1 28 半导体二极管图片 1 29 1 3 2伏安特性 死区电压硅管0 5V 锗管0 1V 导通压降 硅管0 6 0 7V 锗管0 2 0 3V 反向击穿电压UBR 1 30 1 3 3主要参数 1 最大整流电流IOM 二极管长期使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 3 反向击穿电压UBR 二极管反向击穿时的电压值 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UWRM一般是UBR的一半 2 反向工作峰值电压UBWM 保证二极管不被击穿时的反向峰值电压 1 31 4 反向电流IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流 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 硅管的反向电流较小 锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍 1 32 5 微变电阻rD uD rD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比 显然 rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻 1 33 6 二极管的极间电容 结电容 二极管的两极之间有电容 此电容由两部分组成 势垒电容CB和扩散电容CD 势垒电容 势垒区是积累空间电荷的区域 当电压变化时 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化 这样所表现出的电容是势垒电容 当外加电压发生变化时 耗尽层的宽度要相应地随之改变 即PN结中存储的电荷量要随之变化 就像电容充放电一样 1 34 当外加正向电压不同时 PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同 这就相当电容的充放电过程 电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来 扩散电容 为了形成正向电流 扩散电流 注入P区的少子 电子 在P区有浓度差 越靠近PN结浓度越大 即在P区有电子的积累 同理 在N区有空穴的积累 正向电流大 积累的电荷多 这样所产生的电容就是扩散电容 1 35 CB在正向和反向偏置时均不能忽略 而反向偏置时 由于载流子数目很少 扩散电容可忽略 PN结高频小信号时的等效电路 势垒电容和扩散电容的综合效应 1 36 二极管 死区电压 0 5V 正向压降 0 7V 硅二极管 理想二极管 死区电压 0 正向压降 0 二极管的应用举例1 二极管半波整流 二极管的应用是主要利用它的单向导电性 主要应用于整流 限幅 保护等等 1 37 二极管的应用举例2 1 38 1 4稳压二极管 U IZ 稳压误差 曲线越陡 电压越稳定 UZ 1 39 4 稳定电流IZ 最大 最小稳定电流Izmax Izmin 5 最大允许功耗 稳压二极管的参数 1 稳定电压UZ 3 动态电阻 1 40 在电路中稳压管只有与适当的电阻连接才能起到稳压作用 1 41 稳压二极管的应用举例 稳压管的技术参数 解 令输入电压达到上限时 流过稳压管的电流为Izmax 方程1 要求当输入电压由正常值发生 20 波动时 负载电压基本不变 求 电阻R和输入电压ui的正常值 1 42 令输入电压降到下限时 流过稳压管的电流为Izmin 方程2 联立方程1 2 可解得 1 43 光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升 1 44 发光二极管 有正向电流流过时 发出一定波长范围的光 目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光 它的电特性与一般二极管类似 1 45 1 5 1基本结构 基极 发射极 集电极 NPN型 PNP型 1 5半导体三极管 1 46 基区 较薄 掺杂浓度低 集电区 面积较大 发射区 掺杂浓度较高 1 47 发射结 集电结 1 48 NPN型三极管 PNP型三极管 符号 1 49 半导体三极管 频率 高频管 低频管 功率 材料 小 中 大功率管 硅管 锗管 类型 NPN型 PNP型 半导体三极管是具有电流放大功能的元件 1 50 IC V UCE UBE RB IB EC EB 一 一个实验 1 5 2电流分配和放大原理 1 51 结论 1 IE IC IB 3 IB 0 IC ICEO 4 要使晶体管放大 发射结必须正偏 集电结必须反偏 1 52 二 电流放大原理 EB RB EC 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IBE 多数扩散到集电结 发射结正偏 发射区电子不断向基区扩散 形成发射极电流IE 1 53 EB RB EC 集电结反偏 有少子形成的反向电流ICBO 从基区扩散来的电子作为集电结的少子 漂移进入集电结而被收集 形成ICE 1 54 IB IBE ICBO IBE 1 55 ICE与IBE之比称为电流放大倍数 1 56 1 57 一 输入特性 工作压降 硅管UBE 0 6 0 7V 锗管UBE 0 2 0 3V 死区电压 硅管0 5V 锗管0 1V 1 5 3特性曲线 1 58 二 输出特性 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 1 59 此区域中UCE UBE 集电结正偏 IB IC UCE 0 3V称为饱和区 1 60 此区域中 IB 0 IC ICEO UBE 死区电压 称为截止区 1 61 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 UCE UBE IB IC UCE 0 3V 3 截止区 UBE 死区电压 IB 0 IC ICEO 0 1 62 三 主要参数 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 1 63 例 UCE 6V时 IB 40 A IC 1 5mA IB 60 A IC 2 3mA 在以后的计算中 一般作近似处理 1 64 2 集 基极反向截止电流ICBO ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流 受温度的变化影响 1 65 B E C N N P ICBO进入N区 形成IBE 根据放大关系 由于IBE的存在 必有电流 IBE 集电结反偏有ICBO 3 集 射极反向截止电流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 1 66 4 集电极最大电流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 5 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25 C 基极开路时的击穿电压U BR CEO 1 67 6 集电极最大允许功耗PCM 集电极电流IC流过三极管 所发出的功率为 PC ICUCE 必定导致结温上升 所以PC有限制 PC PCM ICUCE PCM 安全工作区 1 68 测量三极管三个电极对地电位 试判断三极管的工作状态 放大Vc Vb Ve 放大Vc Vb Ve 发射结和集电结均为反偏 发射结和集电结均为正偏 例1 1 69 测得VB 4 5V VE 3 8V VC 8V 试判断三极管的工作状态 放大 例2 场效应管 1 71 场效应管 结型场效应管 场效应晶体三极管是由一种载流子导电的 用输入电压控制输出电流的半导体器件 从参与导电的载流子来划分 它有自由电子导电的N沟道器件和空穴导电的P沟道器件 按照场效应三极管的结构划分 有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类 1 结构 1 72 2 工作原理 N沟道场效应管工作时 在栅极与源极之间加负电压 栅极与沟道之间的PN结为反偏 在漏极 源极之间加一定正电压 使N沟道中的多数载流子 电子 由源极向漏极漂移 形成iD iD的大小受VGS的控制 P沟道场效应管工作时 极性相反 沟道中的多子为空穴 1 73 栅源电压VGS对iD的控制作用 当VGS 0时 PN结反偏 耗尽层变厚 沟道变窄 沟道电阻变大 ID减小 VGS更负 沟道更窄 ID更小 直至沟道被耗尽层全部覆盖 沟道被夹断 ID 0 这时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP 1 74 漏源电压VDS对iD的影响 在栅源间加电压VGS VP 漏源间加电压VDS 则因漏端耗尽层所受的反偏电压为VGD VGS VDS 比源端耗尽层所受的反偏电压VGS大 如 VGS 2V VDS 3V VP 9V 则漏端耗尽层受反偏电压为 5V 源端耗尽层受反偏电压为 2V 使靠近漏端的耗尽层比源端厚 沟道比源端窄 故VDS对沟道的影响是不均匀的 使沟道呈楔形 当VDS增加到使VGD VGS VDS VP时 在紧靠漏极处出现预夹断点 随VDS增大 这种不均匀性越明显 当VDS继续增加时 预夹断点向源极方向伸长为预夹断区 由于预夹断区电阻很大 使主要VDS降落在该区 由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都扫至漏极 形成漏极饱和电流 1 75 JFET工作原理 动画2 9 1 76 动画2 6 3 伏安特性曲线 输出特性曲线 恒流区 又称饱和区或放大区 特点 1 受控性 输入电压vGS控制输出电流 2 恒流性 输出电流iD基本上不受输出电压vDS的影响 用途 可做放大器和恒流源 条件 1 源端沟道未夹断 2 源端沟道予夹断 1 77 可变电阻区 特点 1 当vGS为定值时 iD是vDS的线性函数 管子的漏源间呈现为线性电阻 且其阻值受vGS控制 2 管压降vDS很小 用途 做压控线性电阻和无触点的 闭合状态的电子开关 条件 源端与漏端沟道都不夹断 1 78 夹断区 用途 做无触点的 接通状态的电子开关 条件 整个沟道都夹断 击穿区 当漏源电压增大到时 漏端PN结发生雪崩击穿 使iD剧增的区域 其值一般为 20 50 V之间 由于VGD VGS VDS 故vGS越负 对应的VP就越小 管子不能在击穿区工作 特点 1 79 转移特性曲线 输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制 1 80 结型场效应管的特性小结 1 81 1 82 金属 氧化物 半导体场效应管 绝缘栅型场效应管MetalOxideSemiconductor MOSFET分为增强型 N沟道 P沟道耗尽型 N沟道 P沟道 增强型 没有导电沟道 耗尽型 存在导电沟道 N沟道P沟道增强型 N沟道P沟道耗尽型 1 83 N沟道增强型场效应管 1 84 N沟道增强型场效应管的工作原理 1 栅源电压VGS的控制作用 1 85 1 栅源电压VGS的控制作用 的N型沟道 把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压VT 这时 若在漏源间加电压VDS 就能产生漏极电流ID 即管子开启 VGS值越大 沟道内自由电子越多 沟道电阻越小 在同样VDS电压作用下 ID越大 这样 就实现了输入电压VGS对输出电流ID的控制 当VGS VT时 衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的P型衬底表层 使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量 该薄层转换为N型半导体 称此为反型层 形成N源区到N漏区 ID 1 86 栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用 1 87 2 漏源电压VDS对沟道导电能力的影响 当VGS VT且固定为某值的情况下 若给漏源间加正电压VDS则源区的自由电子将沿着沟道漂移到漏区 形成漏极电流ID 当ID从D S流过沟道时 沿途会产生压降 进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀 源极端电压最大 为VGS 由此感生的沟道最深 离开源极端 越向漏极端靠近 则栅 沟间的电压线性下降 由它们感生的沟道越来越浅 直到漏极端 栅漏 间电压最小 其值为 VGD VGS VDS 由此感生的沟道也最浅 可见 在VDS作用下导电沟道的深度是不均匀的 沟道呈锥形分布 若VDS进一步增大 直至VGD VT 即VGS VDS VT或VDS VGS VT时 则漏端沟道消失 出现预夹断点 A 1 88 当VDS为0或较小时 VGD VT 此时VDS基本均匀降落在沟道中 沟道呈斜线分布 当VDS增加到使VGD VT时 漏极处沟道将缩减到刚刚开启的情况 称为预夹断 源区的自由电子在VDS电场力的作用下 仍能沿着沟道向漏端漂移 一旦到达预夹断区的边界处 就能被预夹断区内的电场力扫至漏区 形成漏极电流 当VDS增加到使VGD VT时 预夹断点向源极端延伸成小的夹断区 由于预夹断区呈现高阻 而未夹断沟道部分为低阻 因此 VDS增加的部分基本上降落在该夹断区内 而沟道中的电场力基本不变 漂移电流基本不变 所以 从漏端沟道出现预夹断点开始 ID基本不随VDS增加而变化 1 89 增强型MOSFET的工作原理 1 90 MOSFET的特性曲线 1 漏极输出特性曲线 1 91 2 转移特性曲线 VGS对ID的控制特性 转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用 其量纲为mA V 称gm为跨导 gm ID VGS Q mS ID f VGS VDS 常数 1 92 增强型MOS管特性小结 1 93 耗尽型MOSFET N沟道耗尽型MOS管 它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子 在管子制造过程中 这些正离子已经在漏源之间的衬底表面感应出反型层 形成了导电沟道 因此 使用时无须加开启电压 VGS 0 只要加漏源电压 就会有漏极电流 当VGS 0时 将使ID进一步增加 VGS 0时 随着VGS的减小ID逐渐减小 直至ID 0 对应ID 0的VGS值为夹断电压VP 1 94 耗尽型MOSFET的特性曲线 1 95 1 96 场效应三极管的参数和型号 一 场效应三极管的参数1 开启电压VT开启电压是MOS增强型管的参数 栅源电压小于开启电压的绝对值 场效应管不能导通 2 夹断电压VP夹断电压是耗尽型FET的参数 当VGS VP时 漏极电流为零 3 饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应三极管 当VGS 0时所对应的漏极电流 1 97 4 输入电阻RGS 结型场效应三极管 反偏时RGS约大于107 绝缘栅型场效应三极管 RGS约是109 1015 5 低频跨导gm低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用 gm可以在转移特性曲线上求取 单位是mS 毫西门子 6 最大漏极功耗PDM最大漏极功耗可由PDM VDSID决定 与双极型三极管的PCM相当 1 98 2 场效应三极管的型号 场效应三极管的型号 现行有两种命名方法 其一是与双极型三极管相同 第三位字母J代表结型场效应管 O代表绝缘栅场效应管 第二位字母代表材料 D是P型硅 反型层是N沟道 C是N型硅P沟道 如 3DJ6D是结型N沟道场效应三极管 3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管 第二种命名方法是CS CS代表场效应管 以数字代表型号的序号 用字母代表同一型号中的不同规格 例如CS14A CS45G等 1 99 几种常用场效应三极管的主要参数 1 100 双极型三极管与场效应三极管的比较 双极型三极管场效应三极管结构NPN型结型N沟道P沟道与PNP型绝缘栅增强型N沟道P沟道分类C与E一般不可绝缘栅耗尽型N沟道P沟道倒置使用D与S有的型号可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子漂移输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源电压控制电流源噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小 且有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成 1 101 1 102 场效应管放大电路 1 偏置电路及静态分析 1 103 分压式自偏压电路 直流通道 VG VDDRg2