模电第1章 半导体器件基础

第1章半导体器件,1.1概述,1.2半导体二极管,小结,1.3双极型晶体三极管,1.4场效应管,电子技术,模拟电子技术,1.1概述,1.1.1半导体的导电特性,1.1.2杂质半导体,1.1.3PN结,1.1.1半导体的导电特性,半导体,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,本征半导体,纯净的具有晶体结构的半导体。如硅(Si)、锗(Ge)单晶体。,硅(锗)的原子结构,简化模型,硅(锗)的共价键结构,自由电子,空穴可在共价键内移动,本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电，这是半导体导电的特殊性质。,复合：,自由电子在运动的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。,在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，就达到动态平衡。,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。,本征激发：,结论：,1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；,2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；,3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。,1.1.2杂质半导体,一、N型半导体和P型半导体,N型(Negative),磷原子,自由电子,电子为多数载流子,空穴为少数载流子,载流子数电子数,P型(Positive),硼原子,空穴,空穴多子,电子少子,载流子数空穴数,二、杂质半导体的导电作用,I,IP,IN,I=IP+IN,N型半导体IIN,P型半导体IIP,三、P型与N型半导体的简化示意图,P型,N型,1.1.3PN结,一、PN结(PNJunction)的形成,1.载流子的浓度差引起多子的扩散,2.复合使交界面形成空间电荷区,(耗尽层),空间电荷区特点:,无载流子，,阻止扩散进行，,利于少子的漂移。,内电场,3.扩散运动和漂移运动达到动态平衡，形成PN结。,内电场,外电场,外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。,扩散运动加强形成正向电流IF,二、PN结的单向导电性,1.外加正向电压(正向偏置),forwardbias,2.外加反向电压(反向偏置),reversebias,外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。,PN结的单向导电性：外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。,漂移运动加强形成反向电流IR,IR=I少子0,三、PN结的伏安特性,反向饱和电流,温度的电压当量,电子电量,玻尔兹曼常数,当T=300(27C)：,UT=26mV,正向特性,反向击穿,加正向电压时,加反向电压时,iIS,1.2半导体二极管,1.2.1二极管的结构和类型,1.2.2二极管的伏安特性,1.2.3二极管的主要参数,1.2.4二极管常用电路模型,1.2.5稳压二极管,1.2.6二极管的应用举例,1.2.1二极管的结构和类型,构成：,PN结+引线+管壳=二极管(Diode),符号：,A,(anode),C,(cathode),分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,1.2.2二极管的伏安特性,一、PN结的电流方程,反向饱和电流,温度的电压当量,电子电量,玻尔兹曼常数,当T=300K(27C)：,UT=26mV,二、二极管的伏安特性,正向特性,Uth,死区电压,iD=0,Uth=0.5V,0.1V,(硅管),(锗管),UUth,iD急剧上升,0UUth,UD(on)=(0.60.8)V,硅管0.7V,(0.20.4)V,锗管0.3V,反向特性,IS,U(BR),反向击穿,U(BR)U0,iD=IS,U(BR),反向电流急剧增大,(反向击穿),反向击穿类型：,电击穿,热击穿,击穿机理：,齐纳击穿：(Zener),在高掺杂的情况下，因耗尽层宽度很小，不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子-空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。(击穿电压7V，正温度系数),击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。,硅管的伏安特性,锗管的伏安特性,温度对二极管特性的影响,在室温附近，温度每升高1C，正向压降减小(22.5)mV。,温度每升高10C，反向电流约增大一倍。,可见，二极管的特性对温度很敏感。,1.2.3二极管的主要参数,1.IF最大整流电流(最大正向平均电流),2.URM最高反向工作电压，为U(BR)/2,3.IR反向电流(越小单向导电性越好),4.fM最高工作频率(超过时单向导电性变差),影响工作频率的原因,PN结的电容效应,结论：1.低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗减小，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。,1.2.4二极管的常用电路模型,一、理想二极管模型,特性,符号及等效模型,表明二极管导通时正向压降为零，截止时反向电流为零。,二、二极管的恒压降模型,UD(on),uD=UD(on),0.7V(Si),0.3V(Ge),表明二极管导通时正向压降为一个常量，截止时反向电流为零。,三、二极管的折线近似模型,UD(on),斜率1/rD,rD,UD(on),例一：电路如图所示，二极管导通电压UD约为0.7V。试分别估算开关断开和闭合时输出电压的数值。,例二：分析图示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD=0.7V。,UO1=1.3V,UO2=0V,UO3=1.3V,UO4=2V,UO5=1.3V,UO1=2V,半导体二极管的型号(补充)国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类型器件的不同型号用字母代表器件的类型，P代表普通管用字母代表器件的材料，A代表N型GeB代表P型Ge，C代表N型Si，D代表N型Si2代表二极管，3代表三极管,1.2.5稳压二极管,一、伏安特性,符号,工作条件：反向击穿,稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛用于稳压电源与限幅电路之中。,二、主要参数,1.稳定电压UZ：是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。,2.稳定电流IZ：是稳压管工作在稳压状态下的参考电流，电流低于此值时稳压效果变坏，甚至根本不稳压。只要不超过稳压管的额定功率，电流愈大，稳压效果愈好。,3.最大工作电流IZM最大耗散功率PZM,PZM=UZIZM,4.动态电阻rZ,rZ=UZ/IZ,越小稳压效果越好。,几几十,5.稳定电压温度系数CT,一般，,UZ0(为雪崩击穿)具有正温度系数；,4VUZT1,2.温度升高，输出特性曲线向上移。,温度每升高1C，(0.51)%。,输出特性曲线间距增大,O,综合，温度升高时，由于ICEO、增大，且输入特性左移，所以导致集电极电流iC增大。,半导体三极管的型号（补充）国家标准对半导体三极管的命名如下：3DG110B用字母表示同一型号中的不同规格用数字表示同种器件型号的序号用字母表示器件的种类用字母表示材料三极管第二位：A表示锗PNP管、B表示锗NPN管、C表示硅PNP管、D表示硅NPN管第三位：X表示低频小功率管、D表示低频大功率管、G表示高频小功率管、A表示高频小功率管、K表示开关管。,例一：现已测得某电路中几只晶体管三个极的直流电位如表所示，各晶体管b-e间开启电压Uon均为0.5V。试分别说明各管子的工作状态。,放大,放大,饱和,截止,在电子电路中，可以通过直流电位来判断晶体管的工作状态。对于NPN型管，当b-e间电压UBEUon且管压降UCEUBE时，管子处于放大状态；当UBEUon且管压降UCEUBUE,PNP型：UCUBUE,若要放大，则,例四：已知两只晶体管的电流放大系数分别为100和50，现测得放大电路中这两只管子两个电极的电流如图所示。分别求另一电极的电流，标出其实际方向，并在圆圈中画出管子。,1.01mA,5mA,例五：测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。,B,E,C,硅管,B,E,C,锗管,B,E,C,硅管,B,E,C,硅管,B,E,C,锗管,B,E,C,锗管,例六：电路如图所示，晶体管导通时UBE=0.7V，=50。试分析uI为0、1V、1.85V三种情况下晶体管的工作状态及输出电压uo的值。,IB,IC,方法二（常用于解题）,晶体管放大,晶体管饱和,思考：判断下图各三极管的工作状态。,1.4场效应管,引言,1.4.1结型场效应管,1.4.3场效应管的主要参数,1.4.2绝缘栅型场效应管,举例,引言,场效应管FET(FieldEffectTransistor),类型：,结型JFET(JunctionFieldEffectTransistor),绝缘栅型IGFET(InsulatedGateFET),特点：,单极型器件(它仅靠半导体中的多子导电),工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低,输入电阻高(1071015，绝缘栅型可高达1015),1.4.1结型场效应管1.结构与符号,N沟道JFET,P沟道JFET,结型管是利用外加电压uGS控制半导体内的电场效应，通过改变PN结耗尽层的宽窄，从而改变导电沟道的电阻来控制漏极电流iD。,2.工作原理,1）当uDS=0（即d、s短路）时，uGS对导电沟道的控制作用,虽然在图（a）存在由uGS所确定的一定宽度的导电沟道，但由于d-s间电压为零，多子不会产生定向移动，因而漏极电流iD为零。,当uDS=0且uGS=0时，耗尽层很窄，导电沟道很宽。,当UGS0,此时uGD=UGS(off),沟道呈楔型，电流iD将随uDS增大而线性增大，d-s呈现电阻特性。,耗尽层刚相碰时称预夹断,在uGDUGS(off)的情况下，当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。,若uDS继续增大，则耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸，即夹断区加长。这时，一方面自由电子从S向D定向移动所受阻力加大（只能从夹断区的窄缝以较高速度通过），从而导致iD减小；另一方面，随着uDS增大，使d-s之间的纵向电场增强，也必然导致iD增大。实际上，上述iD的两种变化趋势相抵消，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。因此，从外部看，在uGDuGSUGS(off)时，当uDS为一常量时，对应于确定的uGS，就有确定的iD。此时，可以通过改变uGS来控制iD的大小。由于漏极电流受栅-源电压的控制，故称场效应管为电压控制元件。与晶体管用来描述动态情况下基极电流对集电极电流的控制作用相类似，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，gm称为低频跨导。,3）当uGDUGS(off)时，uGS对iD的控制作用,由以上分析可知：当uDSuGSUGS(off)时，iD几乎仅仅决定于uGS，而与uDS无关。此时可以把iD近似看成uGS控制的电流源。,转移特性曲线,输出特性曲线,3.N沟道结型场效应管的输出特性和转移特性,当UGS(off)uGS0时,一、增强型N沟道MOSFET(MentalOxideSemiconductorFET),1.4.2绝缘栅型场效应管(MOS场效应管),1.结构与符号,P型衬底,(掺杂浓度低),用扩散的方法制作两个N区,在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层,用金属铝引出源极S和漏极D,在绝缘层上喷金属铝引出栅极G,S源极Source,G栅极Gate,D漏极Drain,2.工作原理,1)uGS对导电沟道的影响(uDS=0),当UGS=0，DS间为两个背对背的PN结；,当0107,MOSFET：RGS=1091015,4.低频跨导gm,反映了uGS对iD的控制能力，单位S(西门子)。一般为几毫西(mS),O,PDM=uDSiD，受温度限制。,5.漏源动态电阻rds,6.最大漏极功耗PDM,例一：已知某管子的输出特性曲线如图所示。试分析该管是什么类型的场效应管（结型、绝缘栅型、N沟道、P沟道、增强型、耗尽型）。,分析：从iD的方向或uDS、uGS可知，该管为N沟道管；从输出特性曲线可知，开启电压UGS(th)=4V0，说明该管为增强型MOS管；所以，该管为N沟道增强型MOS管。,例二：电路如图所示，其中管子T的输出特性曲线亦如图所示。试分析uI为0、8V和10V三种情况下场效应管分别工作在什么区域，并求出uo值。,分析：,IfuGSuGSUGS(th)，thenMOS管工作在恒流区。,一般先考虑导通情况，然后再考虑预夹断条件（是否工作在恒流区还是可变电阻区）。,（1）uI=0时,uGS,MOS管工作在恒流区,uO=10V,（2）uI=10V时,假设MOS管工作在恒流区,读出iD=2.2mA,比较,uGSUGS(th),uDS,例四：测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位如表所示，它们的开启电压也在表中。试分析各管的工作状态（截止区、恒流区、可变电阻区）。,恒流区,夹断区,可变电阻区,分析：,IfuGSuGSUGS(th)，thenMOS管工作在恒流区。,一般先考虑导通情况，然后再考虑预夹断条件（是否工作在恒流区还是可变电阻区）。,思考：分别判断图示各电路中的场效应管是否有可能工作在恒流区。,思考：判断下图各场效应管的工作状态。已知UGS（th）=2V。,一、两种半导体和两种载流子,两种载流子的运动,电子,自由电子,空穴,价电子,两种半导体,N型(多电子),P型(多空穴),二、二极管,1.特性,单向导电,正向电阻小(理想为0)，反向电阻大()。,小结,2.主要参数,正向最大平均电流IF,反向,最大反向工作电压U(BR)(超过则击穿),反向饱和电流IR(IS)(受温度影响),IS,3.二极管的等效模型,理想模型(大信号状态采用),正偏导通电压降为零相当于理想开关闭合,反偏截止电流为零相当于理想开关断开,恒压降模型,UD(on),正偏电压UD(on)时导通等效为恒压源UD(on),否则截止，相当于二极管支路断开,UD(on)=(0.60.8)V,估算时取0.7V,硅管：,锗管：,(0.20.4)V,0.3V,折线近似模型,相当于有内阻的恒压源UD(on),4.二极管的分析方法,图解法,微变等效电路法,5.特殊二极管,工作条件,主要用途,稳压二极管,反偏,稳压,发光二极管,正偏,发光,光敏二极管,反偏,光电转换,三、两种半导体放大器件,双极型半导体三极管(晶体三极管BJT),单极型半导体三极管(场效应管FET),两种载流子导电,多数载流子导电,晶体三极管,1.形式与结构,NPN,PNP,三区、三极、两结,2.特点,基极电流控制集电极电流并实现放大,放大条件,内因：发射区载流子浓度高、基区薄、集电区面积大,外因：发射结正偏、集电结反偏,3.电流关系,IE=IC+IB,IC=IB+ICEO,IE=(1+)IB+ICEO,IE=IC