模电(第1章常用半导体器件)ppt课件

第1章常用半导体器件 1 1半导体基础知识 1 2半导体二极管 1 3晶体三极管 1 4场效应管 1 5单结晶体管和晶闸管 1 6集成电路中的元件 1 7Multisim应用举例 二极管特性的研究 1 1半导体基础知识 本节的内容 1 半导体材料的原子结构 2 半导体材料中的载流子 3 本征激发与复合 本征激发与温度的关系 4 N型半导体所掺入杂质 多数载流子 简称多子 少数载流子 简称少子 5 P型半导体所掺入杂质 多子 少子 6 扩散运动和漂移运动 7 PN结的形成过程 8 对称PN结和不对称PN结 9 PN结的正向偏置 简称正偏 和反向偏置 简称反偏 10 PN结的导电特性 11 PN结宽度与外加电压的关系 12 PN结的电流方程 13 PN结的伏安特性 14 PN结的击穿 15 PN结的电容效应 1 1 1本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体 半导体具有热敏特性 光敏特性和掺杂特性 常用的半导体材料是硅 Si 和锗 Ge 它们均为四价元素 Si 4 惯性核 4 4 4 4 4 共价键 共价键较为牢固 使原子规则排列 形成晶体 价电子 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 束缚电子 同时共价键上留下一个空位 称为空穴 自由电子 空穴 原子因失去电子而成为带正电的离子 自由电子和空穴是成对出现的 自由电子 空穴 在其它力的作用下 空穴吸引附近的电子来填补 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带正电的粒子 若在本征半导体两端外加一电场 则一方面自由电子将产生定向移动 形成电子电流 另一方面 由于空穴的存在 价电子将按一定的方向依次填补空穴 使空穴定向移动 形成空穴电流 本征半导体中的电流是电子电流和空穴电流之和 参与导电的带电粒子称为载流子 半导体中有自由电子和空穴两种载流子 本征半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发 自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就会填补空穴 使两者同时消失 这种现象称为复合 在一定温度下 本征激发所产生的自由电子和空穴对 与复合的自由电子和空穴对数目相等 达到动态平衡 即在一定温度下 本征半导体中载流子的浓度是一定的 并且自由电子与空穴的浓度相等 当温度升高或有光照时 热运动加剧 挣脱共价键束缚的自由电子增多 空穴也增多 即载流子的浓度升高 导电能力增强 T为热力学温度 本征半导体的导电性能很差 且与环境温度密切相关 1 1 2杂质半导体 一 N型半导体 5 磷原子 自由电子 自由电子的浓度大于空穴的浓度 自由电子为多数载流子 简称多子 空穴为少数载流子 简称少子 施主原子 变为正离子 二 P型半导体 空穴 硼原子 受主原子 多子 空穴 少子 自由电子 多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度 几乎与温度无关 少子对温度非常敏感 杂质半导体还是电中性 变为负离子 1 1 3PN结 一 PN结的形成 扩散运动 由于浓度差而产生的运动 漂移运动 在电场力作用下 载流子的运动 P型半导体 N型半导体 扩散运动 界面两侧留下不能移动的正负离子 内电场 漂移运动 随着扩散运动的进行 空间电荷区加宽 内电场增强 内电场阻碍多子的扩散 而有利于少子的漂移 最终扩散和漂移这一对相反的运动达到平衡 形成具有一定宽度的PN结 无外电场时PN结两侧有电位差Uho 但PN结中的电流为零 正负离子区称为PN结 也称为空间电荷区 也称耗尽层 当P区和N区的杂质浓度相等时 正负离子区的宽度也相等 称为对称PN结 当P区和N区的杂质浓度不相等时 浓度高一侧的离子区宽度小于浓度低的一侧 称为不对称PN结 二 PN结的单向导电性 1 PN结外加正向电压时处于导通状态 PN结加正向电压 处于正向偏置 简称正偏 PN结的P区电位高于N区 即UP UN PN结 内电场 V R 限流电阻 外电场 PN结内电场减弱 外电场将多子推向PN结 PN结变窄 扩散运动加强 漂移运动减弱 在电源作用下 扩散运动将源源不断地进行 从而形成较大的正向电流 PN结导通 2 PN结外加反向电压时处于截止状态 PN结加反向电压 处于反向偏置 简称反偏 PN结的P区电位低于N区 即UP UN PN结 内电场 V R 限流电阻 外电场 PN结内电场加强 阻止扩散运动的进行 而漂移运动加剧 形成反向电流 空间电荷区变宽 但少子的数目极少 即使所有少子都参与漂移运动 反向电流也非常小 认为PN结加反向电压时处于截止状态 PN结具有单向导电性 三 PN结的电流方程 PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系为 反向饱和电流 电子的电量 玻尔兹曼常数 热力学温度 UT kT q 常温下 即T 300K时 UT 26mV 四 PN结的伏安特性 i与u的关系曲线称为伏安特性 1 PN结正偏 且u UT时 即i随u按指数规律变化 2 PN结反偏 且 u UT时 i IS 3 当反向电压较大时 反向电流急剧增大 这种现象称为反向击穿 1 齐纳击穿 耗尽层很窄 反向电压较小 但耗尽层中的电场很强 直接将共价键中的电子拉出 形成电子 空穴对 使电流急剧增大 2 雪崩击穿 掺杂浓度低 耗尽层较宽 反向电压较大 少子的漂移速度加快 将共价键中的价电子撞出 产生电子 空穴对 新产生的电子 空穴对被电场加速后又撞出其它价电子 载流子雪崩式地倍增 使电流急剧增大 五 PN结的电容效应 1 势垒电容 当PN结外加电压变化时 空间电荷区的宽度将随之变化 即耗尽层的电荷量随外加电压而变化 这种现象与电容的充放电过程相同 耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容 Cb 2 扩散电容 当PN结的正向电压增大时 载流子的浓度增大 且浓度差也增大 扩散电流增大 扩散过程中载流子浓度的变化是电荷的积累和释放的过程 与电容器的充放电过程相同 这种电容效应称为扩散电容 Cd PN结的总电容 C Cb Cd 通常PN结电容是很小的 1 2半导体二极管 本节的内容 1 二极管的结构 电路符号 2 二极管的伏安特性 导通压降 3 温度对二极管伏安特性的影响 4 二极管的主要参数 5 二极管的直流等效电路 6 二极管的交流等效电路 7 稳压二极管的结构 电路符号 伏安特性 主要参数 正常工作状态 二极管的符号 阴极 负极 阳极 正极 D 电流的方向 1 2 1半导体二极管的几种常见结构 在PN结两端加上电极引线 并用外壳封装起来就构成了半导体二极管 简称二极管 点接触型 面接触型 N型锗 P型锗 触丝 铝合金小球 P型硅 N型硅 金锑合金 底座 由P区引出的电极称为阳极 也称正极 由N区引出的电极称为阴极 也称负极 正极 正极 负极 负极 适用于高频电路 作为整流管 1 2 2二极管的伏安特性 一 二极管和PN结伏安特性的区别 二极管也具有单向导电性 二极管的伏安特性与PN结的相似 二极管存在半导体体电阻和引线电阻 在电流相同的情况下 二极管的端电压大于PN结上的压降 或者说 在外加正向电压相同的情况下 二极管的正向电流小于PN结的电流 二极管存在表面漏电流 外加反向电压时的反向电流增大 正向特性 Uon 开启电压 iD 0 Uon 0 5V 硅 0 1V 锗 1 0 U Uon 2 U Uon iD急剧上升 二极管导通 硅二极管的导通压降为0 6 0 8V 锗二极管的导通压降为0 1 0 3V Uon U BR 正向特性 反向特性 开启电压 3 U BR uD 0 iD 0 1 A Si 几十 A Ge 4 U U BR 反向电流急剧增大 二极管击穿 通常忽略不计 即二极管截止 若对电流不加限制 就会造成二极管永久性损坏 二 温度对二极管伏安特性的影响 Uon U BR 温度升高时 二极管的正向特性将左移 反向特性将下移 即温度升高 二极管的导通压降下降 反向饱和电流增大 单向导电性变差 1 2 3二极管的主要参数 一 最大整流电流IF 二极管长期使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 其值与PN结面积及外部散热条件等有关 二 反向击穿电压UBR 二极管反向击穿时的电压值 手册上给出的最高反向工作电压UR一般是UBR的一半 三 反向电流IR IR是二极管未击穿时的反向电流 四 最高工作频率fM fM是二极管工作的上限频率 超过此值时 由于结电容的作用 二极管将不能很好地体现单向导电性 由于制造工艺所限 半导体器件参数具有分散性 同一型号管子的参数值会有相当大的差距 1 2 4二极管的等效电路 一 由伏安特性折线化得到的等效电路 1 理想二极管 u i O 导通时正向压降为0 反向截止时的电流为0 称为理想二极管 D S 正偏时S闭合 反偏时S断开 2 正向导通时端电压为常量 u i O Uon D Uon 3 正向导通时端电压与电流成线性关系 u i O Uon D Uon rD 分析含有二极管电路时 先将二极管看成开路 比较二极管两端的电位 若正极端的电位高于负极端的电位且大于Uon时 二极管导通 否则二极管截止 D V UD R I 若V远大于UD 试求电流I 1 二极管为理想二极管时 D V UD R I 2 二极管导通电压为常量时 D V UD R I Uon D V UD R I 3 二极管导通电压与电流为线性关系时 Uon rD 二 二极管的微变等效电路 V D R uD ui uD iD O UD ID Q uD rd uD iD ID不同rd也将不同 V D uD ui R uR t ui O V D uD ui R uR UD UR t uR O UR V D uD ui R uR rd ur 1 2 5稳压二极管 简称稳压管 稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型二极管 一 稳压管的伏安特性 正极负极 DZ rd UZ 正偏时 反偏时 D rd UZ D DZ uD iD O 正向特性与普通管一样 击穿段很陡 IZ IZM 工作范围 UZ 正常工作在反向击穿状态 二 稳压管的主要参数 1 稳定电压UZ 流过规定电流时稳压管两端的反向电压值 2 稳定电流IZ 稳压管工作在稳压状态时的参考电流 越大稳压效果越好 小于Imin时不稳压 3 最大工作电流IZM 稳压管允许通过的最大反向电流 4 最大耗散功率PZM PZM UZIZM 5 动态电阻rZ rZ UZ IZ 越小稳压效果越好 6 温度系数 表示温度每变化1 稳压值的变化量 即 Uz T 在稳压管电路中必须串联一个电阻来限制电流 以保证稳压管正常工作 这个电阻称为限流电阻 1 3晶体三极管 本节的内容 1 三极管的结构 类型 电路符号 结构特点及作用 2 输入回路和输出回路 3 三极管的三种接法 4 三极管内部载流子的运动及电流分配关系 5 ICBO和ICEO 6 三极管的 和 7 输入特性曲线及其形状 8 输入特性曲线与uCE的关系 9 输出特性曲线及其形状 10 输出特性曲线的三个工作区域 三种工作状态 及其条件 11 三种工作状态的判断方法 12 放大状态时电极电位的关系 13 温度对三极管特性和参数的影响 14 晶体管的主要参数 三极管的主要作用一是放大电信号 二是起开关作用 晶体三极管又称双极型晶体管 半导体三极管 简称为晶体管 325 1 3 1晶体管的结构及类型 在同一硅 锗 片上制造出三个掺杂区域 并形成两个PN结 就构成晶体管 本征半导体硅 锗 P型硅 锗 N硅 锗 N硅 锗 发射极 E 基极 B 集电极 C 二氧化硅保护膜 NPN型管 若三个区域分别为P N P 则称为PNP型管 发射极E 基极B 集电极C N P N 集电区 基区 发射区 集电结 集电结 C B E NPN型 E极电流的实际方向 C B E PNP型 各区的结构特点和作用 发射区 掺杂浓度高 发射载流子 基区 薄 掺杂浓度低 传输载流子 集电区 结面积大 接收载流子 1 3 2晶体管的电流放大作用 晶体管工作在放大状态的条件是 发射结正向偏置 而集电结反向偏置 RB RC VBB VCC uo T ui ui是输入电压信号 接在基极 发射极回路 称为输入回路 放大后的输出信号uo在集电极 发射极回路 称为输出回路 发射极是两回路的公共端 所以称为共发射极放大电路 晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流 三极管的三种连接方式 一 内部载流子的运动及电流分配关系 B C E RB VBB 发射结加正向电压 扩散运动形成发射极电流IE IEN VCC IEP IE IEN IEP 扩散到基区的自由电子与空穴复合形成电流IBN IBN 集电结加反向电压 漂移运动形成集电极电流IC ICN ICBO IC ICN ICBO EB的作用下 电子与空穴的复合运动源源不断地进行 形成基极电流IB IB IBN IEP ICBO ICBO称为反向饱和电流 IEN IBN ICN 二 晶体管共射电流放大系数 称为共射直流电流放大倍数 ICEO的物理意义是 当基极开路 IB 0 时 在EC作用下的集电极与发射极之间形成的电流 ICBO是IE 0时集电极的反向饱和电流 RB RC VBB VCC uo T ui 若有输入电压作用 则 称为共射交流电流放大系数 小功率管的 值为几百 而大功率管的则只有几十 以发射极电流作为输入电流 以集电极电流作为输出电流时 ICN与IE之比称为共基直流电流放大系数 1 3 3晶体管的共射特性曲线 一 输入特性曲线 当uCE为常数时iB与uBE的关系曲线称为输入特性曲线 uBE V 0 4 0 8 iB A 20 40 60 uCE 0V uCE 0 5V uCE 1V 曲线的形状与二极管的正向特性相似 uCE增大 曲线右移 uCE增大到一定值后 曲线不再明显右移而基本重合 1 uCE 0时 相当于发射结和集电结并联 特性曲线与PN结的伏安特性相似 呈指数关系 2 uCE增大时 发射区注入基区的电子 在基区与空穴复合的电子将随uCE的增大而减少 大部分漂移到集电区形成iC 要获得同样的iB 就必须增大uBE 3 当uCE增大到一定值以后 集电结的电场已足够强 可以将发射区注入基区的绝大部分电子都收集到集电区 因而再增大uCE iC也没明显增大 即iB基本不变 二 输出特性曲线 以NPN管介绍 iB为一常量时 集电极电流iC与管压降uCE之间的关系曲线称为输出特性曲线 uCE V 3 6 iC mA 1 2 3 9 12 4 iB 40 A iB 0 A 20 A 60 A 80 A 曲线的形状特点 当uCE从0逐渐增大时 iC随uCE的增大而增大 当uCE达到一定数值后 曲线几乎与横轴平行 1 当uCE从0逐渐增大时 集电结电场随之增强 收集电子的能力逐渐增强 iC逐渐增大 2 当uCE增大到一定数值后 集电结电场足以将发射区发射到基区的绝大部分电子收集到集电区 iC基本不变 即iC只取决于iB 曲线几乎与横轴平行 iC只与iB有关 iC iB 3 由于发射结正偏而变宽 基区变窄 在基区复合的载流子减少 所以iC略有增大 输出特性曲线可分为截止区 放大区和饱和区 uCE V 3 6 iC mA 1 2 3 9 12 4 iB 40 A iB 0 A 20 A 60 A 80 A 截止区 饱和区 放大区 1 截止区 uCE V 3 6 iC mA 1 2 3 9 12 4 iB 40 A iB 0 A 20 A 60 A 80 A 截止区 iB 0 iC ICEO uBE Uon 即发射结反偏或零偏 2 放大区 uCE V 3 6 iC mA 1 2 3 9 12 4 iB 40 A iB 0 A 20 A 60 A 80 A 放大区 iC iB uBE Uon uCE uBE 即发射结正偏且大于开启电压 集电结反偏 曲线等间距排列 3 饱和区 uCE V 3 6 iC mA 1 2 3 9 12 4 iB 40 A iB 0 A 20 A 60 A 80 A 饱和区 iB iC uBE Uon uCE uBE 即集电结和发射结都正偏 uCE uBE 称为临界状态 iC随uCE的增大而增大 饱和时管电压和电流加下标S表示 如何判断管子是工作在放大状态还是工作在饱和状态 1 计算管子的基极电流IB 2 计算管子的临界饱和电流IBS UCE 0 3 比较IB和IBS的大小 若IB大于IBS 则管子工作在饱和状态 若IB小于IBS 则管子工作在放大状态 1 3 4晶体管的主要参数 一 直流参数 1 共射直流电流放大系数 2 共基直流电流放大系数 3 极间反向电流ICBO和ICEO 同一型号的管子反向电流越小 性能越稳定 硅管的极间反向电流小 温度稳定性比锗管好 二 交流参数 1 共射交流电流放大系数 2 共基直流电流放大系数 3 特征频率fT 由于PN结结电容的存在 共射电流放大系数是所加信号频率的函数 三 极限参数 1 最大集电极耗散功率PCM PCM IC UCE 2 最大集电极电流ICM 集电极电流超过ICM时 值明显降低 3 极间反向击穿电压 U BR CEO B极开路时C E极间反向击穿电压 U BR CBO E极开路时C B极间反向击穿电压 U BR EBO C极开路时E B极间反向击穿电压 U BR CBO U BR CEO U BR EBO 1 3 5温度对晶体管特性及参数的影响 一 温度对ICBO的影响 当温度升高时 ICBO将增大 温度每升高10 ICBO增加约一倍 硅管的ICBO比锗管的小得多 硅管比锗管受温度的影响要小得多 二 温度对输入特性的影响 当温度升高时 输入特性将左移 当温度变化1 时 UBE 变化2 2 5mV 并且有负温度系数 若UBE不变 则当温度升高时IB将增大 三 温度对输出特性的影响 当温度升高时 输出曲线将上移 当温度升高时 曲线还保持等间隔排列 但曲线的间距增大 即管子的 值增大 温度升高时 ICEO 增大 且输入特性左移 温度升高时 最终导致集电极电流增大 本节的内容 1 场效应管的结构 类型 电路符号 2 场效应管的工作原理 3 输出特性曲线及其形状 4 输出特性曲线的三个工作区域 三种工作状态 及其条件 5 场效应管的电流方程 6 场效应管的主要参数 1 4场效应管 场效应管的主要作用是放大电信号和起开关作用 场效应管几乎仅靠半导体中的多子导电 所以又称为单极型晶体管 场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路的电流 1 4 1结型场效应管 一 结型场效应管的结构及类型 结型场效应管有N沟道和P沟道两种类型 栅极G 漏极D 源极S 导电沟道 PN结 N沟道管 G D S P沟道管 G 栅极 D 漏极 S 源极 漏极和源极是可以对调的 N型硅片 P P 掺杂浓度低 两边是高掺杂的P区 导电沟道 二 结型场效应管的工作原理 N型硅片 uGS 1 uDS 0V时 uGS对导电沟道的控制作用 PN结反偏 耗尽层均匀变宽 若存在导电沟道 DS间相当于一段导体 即相当于一个电阻 uSG越大 反偏电压越大 D G S 耗尽层越宽 导电沟道越窄 电阻越大 由于此时的uDS 0V 所以漏极电流iD 0 uSG达到一定值时 耗尽区碰到一起 DS间被夹断 沟道电阻趋于无穷大 N型硅片 uGS 此时的uGS称为夹断电压UGS off VP N型硅片 uGS uDS 2 当uGS为UGS off 0V中某一固定值时 uDS对漏极电流iD的影响 由于uDS的存在 则有电流iD从漏极流向源极 iD 沟道中各点的电位不再相等 沿沟道从源极到漏极逐渐升高 靠近漏极端的PN结的反偏电压高 源极端的反偏电压低 耗尽层产生不均匀的变宽 漏极端宽 源极端窄 若栅 漏极间不出现夹断区域 沟道电阻基本上决定于栅 源电压uGS 电流iD将随uDS的增大而线性增大 D S间呈现电阻特性 N型硅片 uGS uDS uDS的增大使uGD等于UGS off 时 漏极端的耗尽层就出现夹断区 称uGD UGS off 为预夹断 若uDS继续增大 耗尽层闭合部分沿沟道方向延伸 这时 一方面自由电子从漏极向源极定向移动所受阻力加大 从而导致iD减小 另一方面 随着uDS的增大 使漏 源极间的纵向电场增强 也必然导致iD增大 实际上 这两种趋势相抵消 uDS的增大几乎全部降落在夹断区 用于克服夹断区对iD形成的阻力 在uGD UGS off 的情况下 即沟道夹断后 uDS增大时iD几乎不变 即iD几乎仅仅决定于uGS 表现出iD的恒流特性 在uGD UGS off 的情况下 对应于确定的uGS 就有确定的iD 可以通过改变uGS来控制iD的大小 场效应管是电压控制器件 场效应管用gm来描述动态的栅 源电压对漏极电流的控制作用 称gm为低频跨导 小结 1 在uGD uGS uDS UGS off 的情况下 即沟道没被夹断时 对应于不同的uGS D S间等效为不同阻值的电阻 2 当uDS使uGD uGS off 时 D S之间预夹断 3 当uDS使uGD UGS off 时 漏极电流iD几乎仅仅决定于栅 源电压uGS 三 结型场效应管的伏安特性 1 输出特性曲线 输出特性曲线是指当uGS为常量时 iD与uDS之间的关系曲线 即 对应于一个uGS 就有一条曲线 因此输出特性曲线为一族曲线 uDS V iD mA 3V 5V 4V 2V 1V uGS 0V 预夹断线 uGD UGS off 1 可变电阻区 uGD UGS off 沟道还没夹断 不同的uGS 曲线斜率不同 D S间有不同的电阻 夹断区 uGS UGS off 沟道夹断 恒流区 uGD UGS off 利用场效应管作放大管时 应使其工作在该区域 2 转移特性曲线 转移特性曲线是指当uDS为常量时 iD与uGS之间的关系曲线 即 在输出特性曲线的恒流区中做横轴的垂线 读出垂线与各曲线相交的坐标值 建立uGS iD坐标系 描点 连线即为转移特性曲线 漏极饱和电流 1 4 2绝缘栅型场效应管 MOS管 MOS管有四种类型 N沟道增强型管 N沟道耗尽型管 P沟道增强型管 P沟道耗尽型管 凡uGS 0时iD 0的管子 均属于增强型管 凡uGS 0时iD 0的管子 均属于耗尽型管 N沟道 耗尽型 增强型 P沟道 一 N沟道增强型MOS管 1 N沟道增强型MOS管的结构 P型衬底 掺杂浓度低 两个高掺杂N 区 SiO2绝缘层 金属铝 基极 B P 2 工作原理 以N沟道为例 两个N 区间截止 UGS 0时 D S间相当于两个反接的PN结 E uGS 0且uGS不太大时 空穴 F SiO2下面留下不能移动的负离子 uDS 0