《半导体器件》PPT课件.ppt

第一章 半导体器件 软件学院孔祥杰 2 主要内容 1 1半导体基础知识1 2二极管1 3稳压二极管1 4其它类型二极管1 5半导体三极管 2 3 3 1 1半导体基础知识 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 4 4 1 1半导体基础知识 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 半导体的特点 热敏性 光敏性 掺杂性 5 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 1 1本征半导体 6 6 1 1 1本征半导体 完全纯净的 结构完整的半导体材料称为本征半导体 本征半导体的原子结构及共价键 共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成 称为束缚电子 7 7 1 1 1本征半导体 本征激发和两种载流子 自由电子和空穴温度越高 半导体材料中产生的自由电子便越多 束缚电子脱离共价键成为自由电子后 在原来的位置留有一个空位 称此空位为空穴 本征半导体中 自由电子和空穴成对出现 数目相同 8 8 1 1 1本征半导体 空穴出现以后 邻近的束缚电子可能获取足够的能量来填补这个空穴 而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位 另一个束缚电子又会填补这个新的空位 这样就形成束缚电子填补空穴的运动 为了区别自由电子的运动 称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动 9 9 1 1 1本征半导体 结论 1 半导体中存在两种载流子 一种是带负电的自由电子 另一种是带正电的空穴 它们都可以运载电荷形成电流 2 本征半导体中 自由电子和空穴结伴产生 数目相同 3 一定温度下 本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡 电子空穴对的数目相对稳定 4 温度升高 激发的电子空穴对数目增加 半导体的导电能力增强 空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征 10 10 1 1 2杂质半导体 在本征半导体中加入微量杂质 可使其导电性能显著改变 根据掺入杂质的性质不同 杂质半导体分为两类 电子型 N型 半导体和空穴型 P型 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 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 11 11 1 1 2杂质半导体 1 N型半导体在硅 或锗 半导体晶体中 掺入微量的五价元素 如磷 P 砷 As 等 则构成N型半导体 五价的元素具有五个价电子 它们进入由硅 或锗 组成的半导体晶体中 五价的原子取代四价的硅 或锗 原子 在与相邻的硅 或锗 原子组成共价键时 因为多一个价电子不受共价键的束缚 很容易成为自由电子 于是半导体中自由电子的数目大量增加 自由电子参与导电移动后 在原来的位置留下一个不能移动的正离子 每个五价原子给出一个电子 称为施主原子 12 12 1 1 2杂质半导体 N型半导体的共价键结构 N型半导体中的载流子 1 由施主原子提供的电子 浓度与施主原子相同 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 13 13 1 1 2杂质半导体 2 P型半导体在硅 或锗 半导体晶体中 掺入微量的三价元素 如硼 B 铟 In 等 则构成P型半导体 三价的元素只有三个价电子 在与相邻的硅 或锗 原子组成共价键时 由于缺少一个价电子 在晶体中便产生一个空位 邻近的束缚电子如果获取足够的能量 有可能填补这个空位 使原子成为一个不能移动的负离子 由于三价原子接受电子 所以称为受主原子 14 14 1 1 2杂质半导体 P型半导体中的共价键结构 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 15 15 1 1 2杂质半导体 杂质半导体的示意表示 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流 但由于数量的关系 起导电作用的主要是多子 近似认为多子与杂质浓度相等 16 16 1 1 3PN结及其单向导电性 利用半导体的制作工艺 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 PN结具有单一型半导体所不具有的新特性 利用这种新特性可以制造出各种半导体器件 如二极管 三极管和场效应管等 17 17 1 1 3PN结及其单向导电性 1 PN结的形成多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动 18 18 1 1 3PN结及其单向导电性 扩散运动的结果 在交界面P区一侧因失去了空穴而出现负离子区 而N区一侧因失去自由电子出现了正离子区 正负离子都被束缚在晶格内不能移动 于是在交界面两侧形成了正 负空间电荷区 在空间电荷区内可以认为载流子已被 耗尽 故又称耗尽区或耗尽层 19 19 1 1 3PN结及其单向导电性 空间电荷区出现后 因为正负电荷的作用 将产生一个从N区指向P区的内电场 内电场的方向 会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用 同时 内电场则可推动少数载流子 P区的自由电子和N区的空穴 越过空间电荷区 进入对方 少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动 漂移运动和扩散运动的方向相反 无外加电场时 通过PN结的扩散电流等于漂移电流 PN结中无电流流过 PN结的宽度保持一定而处于稳定状态 20 20 1 1 3PN结及其单向导电性 2 PN结的单向导电性处于平衡状态下的PN结没有实用价值 如果在PN结两端加上不同极性的电压 PN结会呈现出不同的导电性能 当PN结在一定的电压范围内外加正向电压时 处于低电阻的导通状态 当外加反向电压时 处于高电阻的截止状态 这种导电特性 就是PN结单向导电性 21 21 1 1 3PN结及其单向导电性 1 PN结外加正向电压 PN结P端接高电位 N端接低电位 称PN结外加正向电压 又称PN结正向偏置 简称为正偏 22 PN结正向偏置 内电场减弱 使扩散加强 扩散 飘移 正向电流大 P N 23 23 1 1 3PN结及其单向导电性 2 PN结外加反向电压 PN结P端接低电位 N端接高电位 称PN结外加反向电压 又称PN结反向偏置 简称为反偏 24 PN结反向偏置 N P 内电场加强 使扩散停止 有少量飘移 反向电流很小 反向饱和电流很小 A级 25 25 1 2二极管 1 2 1二极管的结构及符号半导体二极管是由一个PN结加上相应的电极和引线及管壳封装而成的 由P区引出的电极称为阳极 正极 N区引出的为阴极 负极 因为PN结的单向导电性 二极管导通时的电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极 电流方向 26 26 1 2 1二极管的结构及符号 二极管按半导体材料的不同可以分为硅二极管 锗二极管和砷化镓二极管等 按结构不同可分为点接触型 面接触型和平面型二极管等 27 27 1 2 1二极管的结构及符号 常见的二极管有金属 塑料和玻璃三种封装形式 按照应用的不同 二极管分为整流 检波 开关 稳压 发光 光电 快恢复和变容二极管等 根据使用的不同 二极管的外形各异 28 28 1 2 2伏安特性及主要参数 1 二极管的伏安特性曲线二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线 称为二极管的伏安特性曲线 用实验的方法 在二极管的正极和负极加上不同极性和不同数值的电压 同时测量流过二极管的电流值 就得到二极管的伏安特性 29 29 1 2 2伏安特性及主要参数 伏安特性曲线 30 30 1 2 2伏安特性及主要参数 1 正向特性二极管外加正向电压时 电流和电压的关系称为二极管的正向特性 当二极管所加正向电压比较小时 0 U Uth 二极管上流经的电流为0 管子仍截止 此区域称为死区 Uth称为死区电压 门坎电压 硅二极管的死区电压约为0 5V 锗二极管的死区电压约为0 1V 当正向电压超过死区电压时 二极管才呈现低电阻值 处于正向导通状态 31 31 1 2 2伏安特性及主要参数 2 反向特性二极管外加反向电压时 电流和电压的关系称为二极管的反向特性 二极管外加反向电压时 反向电流很小 I IS 而且在相当宽的反向电压范围内 反向电流几乎不变 因此 称此电流值为二极管的反向饱和电流 32 32 1 2 2伏安特性及主要参数 3 击穿特性当反向电压的值增大到UBR时 反向电压值稍有增大 反向电流会急剧增大 称此现象为反向击穿 UBR为反向击穿电压 利用二极管的反向击穿特性 可以做成稳压二极管 但一般的二极管不允许工作在反向击穿区 33 33 1 2 2伏安特性及主要参数 2 二极管的温度特性二极管是对温度非常敏感的器件 实验表明 随温度升高 二极管的正向压降会减小 正向伏安特性左移 即二极管的正向压降具有负的温度系数 约为 2mV 温度升高 反向饱和电流会增大 反向伏安特性下移 温度每升高10 反向电流大约增加一倍 34 34 1 2 2伏安特性及主要参数 温度对二极管的影响 35 35 1 2 2伏安特性及主要参数 3 二极管的电流方程 式中I 通过二极管的电流 U 加在二极管两端的电压 Is 二极管的反向饱和电流 UT 温度的电压当量UT kT q k是玻尔兹曼常数 T是热力学温度 q是电子电荷量 当外加正向电压U UT时 当外加反向电压 U UT时 I Is 36 36 1 2 2伏安特性及主要参数 4 主要参数 1 最大整流电流IF最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时 允许通过二极管的最大正向电流的平均值 2 反向击穿电压UBR反向击穿电压是指二极管击穿时的电压值 3 反向饱和电流IS它是指管子没有击穿时的反向电流值 其值愈小 说明二极管的单向导电性愈好 37 37 1 2 3二极管电路的分析方法及应用 1 二极管理想模型如果二极管正向压降远小于和它串联的电路的电压 反向电流远小于和它并联的电路的电流 则可忽略二极管的正向压降和反向电流对电路的影响 即认为二极管具有理想的伏安特性 理想的二极管可以用一个理想的开关来等效 正偏时开关闭合 反偏时开关断开 38 38 1 2 3二极管电路的分析方法及应用 2 二极管恒压源模型若二极管的工作电流处于伏安特性曲线的近似指数部分 即使电流变化 二极管的端电压也基本不变 因此可用一条与实际伏安特性曲线基本重合的垂直曲线来代替原特性曲线 相应的电路模型叫恒压源模型 电路模型中UD on 是二极管的恒定导通电压 对硅管可取0 7V 对锗管可取0 3V 利用二极管的恒压源模型时 只有当二极管两端正向电压大于UD on 时 二极管才有电流流过 小于UD on 时 二极管截止 这个模型与二极管的伏安特性较为接近 39 39 1 2 3二极管电路的分析方法及应用 例1 1 40 40 1 2 3二极管电路的分析方法及应用 例1 2 41 41 1 2 3二极管电路的分析方法及应用 42 二极管的应用举例 二极管半波整流 43 43 1 3稳压二极管 稳压管是利用半导体特殊工艺制成 实质上也是一个半导体二极管 外形也相似 因为具有稳定电压的作用 称它为稳压管 在电子电路中 稳压管工作于反向击穿状态 击穿电压从几伏到几十伏 反向电流也较一般二极管大 在反向击穿状态下正常工作而不损坏 是稳压管的特点 44 44 1 3稳压二极管 1 稳压管的伏安特性和符号 45 45 1 3稳压二极管 2 稳压管的主要参数 稳定电压UZ 它是指当稳压管中的电流为规定值时 稳压管在电路中其两端产生的稳定电压值 稳定电流IZ 它是指稳压管工作在稳压状态时 稳压管中流过的电流 有最小稳定电流IZmin和最大稳定电流IZmax之分 动态电阻rZ 指稳压管在正常的工作范围内 管子两端电压UZ的变化量和管中电流IZ的变化量之比 稳压管反向特性曲线越陡 rZ越小稳压性能越好 rZ UZ IZ 46 46 1 3稳压二极管 3 稳压管的典型稳压电路 47 47 1 3稳压二极管 4 例题 负载电阻 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 求 电阻R和输入电压ui的正常值 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 48 48 1 3稳压二极管 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 49 49 1 4其它类型二极管 1 发光二极管发光二极管是一种光发射器件 英文缩写是LED 此类管子通常由镓 Ga 砷 As 磷 P 等元素的化合物制成 管子正向导通 当导通电流足够大时 能把电能直接转换为光能 发出光来 目前发光二极管的颜色有红 黄 橙 绿 白和蓝6种 所发光的颜色主要取决于制作管子的材料 发光二极管应用非常广泛 常用作各种电子设备如仪器仪表 计算机 电视机等的电源指示灯和信号指示等 还可以做成七段数码显示器等 发光二极管的另一个重要用途是将电信号转为光信号 50 50 1 4其它类型二极管 51 51 1 4其它类型二极管 2 光电二极管光电二极管又称为光敏二极管 它是一种光接受器件 其PN结工作在反偏状态 可以将光能转换为电能 实现光电转换 52 52 1 4其它类型二极管 3 激光二极管激光二极管是在发光二极管的PN结间安置一层具有光活性的半导体 构成一个光谐振腔 工作时接正向电压 可发射出激光 激光二极管的应用非常广泛 在计算机的光盘驱动器 激光打印机中的打印头 激光唱机 激光影碟机中都有激光二极管 53 53 1 5半导体三极管 半导体三极管又称晶体三极管 下称三极管 一般简称晶体管 或双极型晶体管 它是通过一定的制作工艺 将两个PN结结合在一起的器件 两个PN结相互作用 使三极管成为一个具有控制电流作用的半导体器件 54 54 1 5 1基本结构和类型 三极管可以是由半导体硅材料制成 称为硅三极管 也可以由锗材料制成 称为锗三极管 三极管从应用的角度讲 种类很多 根据工作频率分为高频管 低频管和开关管 根据工作功率分为大功率管 中功率管和小功率管 55 1 5 1基本结构 基极 发射极 集电极 NPN型 PNP型 56 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 57 发射结 集电结 58 1 5 2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 59 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 60 IB IBE ICBO IBE 61 ICE与IBE之比称为电流放大倍数 要使三极管能放大电流 必须使发射结正偏 集电结反偏 62 NPN型三极管 PNP型三极管 63 1 5 3特性曲线 IC V UCE UBE RB IB EC EB 实验线路 64 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 2V 65 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 66 此区域中UCE UBE 集电结正偏 IB IC UCE 0 3V称为饱和区 67 此区域中 IB 0 IC ICEO UBE 死区电压 称为截止区 68 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 69 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 当USB 2V时 IB 0 IC 0 IC最大饱和电流 Q位于截止区 70 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 IC ICmax 2mA Q位于放大区 USB 2V时 71 USB 5V时 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 IC Icmax 2mA Q位于饱和区 实际上 此时IC和IB已不是 的关系 72 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 73 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 74 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 75 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 76 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