《半导体器件与模型》PPT课件

第一章,半导体器件与模型,1.1半导体的导电特性,1.1.1本征半导体,半导体具有某些特殊性质：光敏热敏、掺杂特性,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、本征半导体的结构与模型,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,现代电子学中，用得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。,除去价电子后的原子,价电子,本征半导体：,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,硅和锗的共价键结构,共价键共用电子对,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。,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。,2、本征半导体的导电原理,可将空穴看成带正电荷的载流子,本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴,热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为复合。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。,自由电子,空穴,温度增加将使价电子获得能量，挣脱共价键束缚成为自由电子，同时在原位留下空穴。,本征激发（热激发）,3、本征半导体中载流子浓度,温度一定时，载流子的产生和复合将达到动态平衡，此时载流子浓度为一热平衡值，温度升高，本征激发产生的载流子数目将增加，但同时复合作用也增加，载流子的产生和复合将在新的更大浓度值的基础上达到动态平衡。,本征激发中有,据理论分析和实验证明，有,本征半导体的导电能力很弱，可通过掺杂来进行改善,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。,1.半导体中两种载流子,2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。,4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。,5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。,小结,1.1.2杂质半导体,掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体。,P型半导体,P型半导体中空穴是多数载流子（多子），主要由掺杂形成；电子是少数载流子（少子），由热激发形成,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质称为受主杂质,本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成P型半导体(或空穴型半导体),在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体（电子型半导体）。,在N型半导体中自由电子是多子,它主要由杂质原子提供；空穴是少子,由热激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而带正电荷成为正离子，五价杂质原子被称为施主杂质,N型半导体,1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。,3.杂质半导体总体上保持电中性。,4.杂质半导体的表示方法如下图所示。,2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,N型半导体,P型半导体,说明：,1.1.3半导体中的电流,1、漂移电流,外加电场时，载流子在电场力的作用下形成定向运动，称为漂移运动，并由此产生电流，称为漂移电流。,漂移电流为两种载流子漂移电流之和，方向与外电场一致。,2、扩散电流,当半导体有光照或者载流子注入时，半导体中将出现载流子的浓度差，载流子将由高浓度区域向低浓度区域运动，这种定向运动称为扩散运动，由此形成的电流称为扩散电流。,1.2PN结,1.2.1PN结的形成,将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层PN结。,多子扩散,耗尽层,阻挡层,势垒区,1.2.2PN结的导电特性,1、正向特性,PN结外加直流电压VF：P区接高电位（正电位），N区接低电位（负电位）,内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。,正偏正向电流,正偏时，PN结呈现为一个小电阻。,2、反向特性,硅PN结的Is为pA级温度T增加Is增大,PN结反偏：P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小电流,反偏时，PN结呈现为一个大电阻。,反偏反向电流,结论,PN结正向偏置,空间电荷区变窄,正向电阻很小（理,想时为0）,正向电流较大,PN结导通,PN结反向偏置,空间电荷区变宽,想时为）,反向电流（反向饱和电流）极小（理想时为0）,PN结截止,反向电阻很大（理,单向导电性,PN结正向偏置时导通，反向偏置时截止,3、PN结的正向伏安特性,PN结所加端电压vD与流过它的电流I的关系为：,一般而言，要产生正向电流时，外加电压远大于VT，正向电流远大于Is，则可得,Is非常小，常忽略不计。,门坎电压Vth,1.2.3PN结的击穿特性,二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。击穿时对应的反向电压称为击穿电压，计为V(BR)。,击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。,雪崩击穿：,如果掺杂浓度较低，PN结较厚实，当反向电压增高时，空间电荷区增厚，内电场加强，有利于少子的漂移运动，使少子在其中获得加速，从而把电子从共价键中撞出，形成雪崩式的连锁反应，载流子急剧增加，反向电流猛增，形成雪崩击穿。,由于PN结较厚，对电场强度要求高，所需反向电压大。,齐纳击穿：,高掺杂情况下，阻挡层很窄，宜于形成强电场，而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子空穴对，致使电流急剧增加。,击穿现象破坏了PN结的单向导电性，我们在使用时要避免。,*击穿并不意味着PN结烧坏。,可利用击穿特性制成稳压二极管。,击穿电压的温度特性：,齐纳击穿电压具有负温度系数,击穿电压低于6V的击穿属于齐纳击穿击穿电压高于6V的击穿属于雪崩击穿,雪崩击穿电压具有正温度系数,PN结的温度特性,T在电流不变情况下管压降Vth反向饱和电流IS，V(BR),硅PN结稳定性较锗结好,温度每升高1度，反相饱和电流增加1倍,正向特性左移，反向特性下移,1.2.4PN结的电容特性,1、势垒电容CT：PN结上的反偏电压变化时，空间电荷区相应变化，结区中的正负离子数量也发生改变，即存在电荷的增减，这相当于电容的充放电，PN结显出电容效应，称为势垒电容。,PN结的总电容：,2、扩散电容CD：正偏时，多数载流子的扩散运动加强，多子从一个区进入另一区后继续扩散，一部分复合掉了，这样形成一定浓度分布，结的靠P区一侧集结了电子，另一侧集结了空穴，即形成了电荷的积累，这种效应用扩散电容表示。,利用PN结的电容特性，可以构成变容二极管,低频使用时，可忽略结电容的影响。,1.2.5二极管的结构和主要参数,1、二极管的结构,平面型二极管：用于集成电路中。,面接触型二极管：PN结面积大，允许通过较高较大电流，但结电容大，适于低频工作。,点接触型二极管：PN结面积小，结电容小，工作频率高，但不能承受较高反向电压和较大电流。,2、二极管的VI特性,死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压VBR,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、二极管的主要参数,1）最大整流电流IFM,2）最高反向电压VRM,3）反向电流IR,4）最高工作频率fM,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VWRM一般是VBR的一半,二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流越小，管子的单向导电性越好。温度越高反向电流越大。硅管的反向电流小于锗管,前三项是二极管的直流参数，主要利用二极管的单向导电性，应用于整流、限幅、保护等等,1.3二极管的等效模型及分析方法,1、指数模型,2、理想二极管开关模型,适应于电源电压远大于二极管的管压降时,电路模型,3、二极管恒压降模型,电源电压不是很大，可与二极管的导通压降比拟时，应考虑二极管的管压降,硅二极管管压降常取为0.7V，锗管压降取0.2V。,4、折线模型,当二极管导通时，端电压很小的变化将引起电流的很大变化，在一些应用场合，不能忽略这个变化。,二极管特性曲线在Q点的斜率为,当二极管工作在Q点附近时，折线与曲线正切于该点，由切线的斜率可求得等效电压,5、小信号模型,当外加信号工作在特性曲线的某一小范围内时，二极管的电流将与外加电压的变化成线性关系，可用小信号模型来进行等效。,静态电压,静态电流,未加交流信号时的静态工作点,管子的体电阻,1.3.2二极管电路的分析方法,1、图解法,静态工作点的图解,线性电路方程,二极管电流方程,据电路原理，两者端电压和电流相等。两线交点Q为静态工作点，对应的IQ为静态电流，VQ为静态电压。,直流负载线,2、工程近似分析方法3、小信号分析方法,交流信号的图解,线性电路方程,2、工程近似法,1）整流电路,2）限幅电路,限幅电路常来选择预置电平范围内的信号。作用是把输出信号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平（称作限幅电平），且再不随输入电压变化。,若二极管具有理想的开关特性，那么，当v低于E时，D截止，voE；当v高于E以后，D导通，vov。,思考：将二极管极性反转，将得到什么效果？,3）开关电路,例:电路如图，求：VAB,忽略二极管正向压降，二极管D2可看作短路,取B点作参考点，V1阳=6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴，由于V2阳电压高，因此D2优先导通,VAB=0V，D1截止,4）低电压稳压电路,当电路工作时，若电源出现波动或者负载发生改变，将引起输出电压的变化，为稳定输出电压，可采用二极管稳压电路。,戴维南等效电路,rd的引入，使VI的变化对电流变化的影响减小,所以输出电压稳定,3、小信号等效分析法,小信号等效电路,二极管电路如图，求输出电压。其中,输入交流信号较小时，可将二极管视为线性元件，用引线电阻和体电阻串联来等效。,1.3.3特殊二极管,1、稳压二极管,(a)符号,(b)2CW17伏安特性,DZ,反向击穿电压即稳压值,稳压管的主要参数,(1)稳定电压VZ,(2)动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压,rZ=VZ/IZ,(3)最大耗散功率PZM,(4)最稳定工作电流IZmax和最大小稳定工作电流IZmin,(5)温度系数VZ,简单稳压电路,问题：1）不加R可以吗？,2）上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ，VO的波形是怎样的？,（1）设电源电压波动(负载不变),VIVOVZIZ,VOVRIR,（2）设负载变化(电源不变)略,2、变容二极管,4、PIN二极管,5、光电二极管,发光二极管,光敏二极管,光电耦合器件,3、肖特基二极管,1.4半导体三极管,1、三极管的分类,按照材料分：硅管、锗管等,按照频率分：高频管、低频管,按照功率分：小、中、大功率管,按照结构分：NPN型和PNP型,(a)和(b)都是小功率管，(c)为中功率管，(d)为大功率管,1.4.1三极管的结构、符号及分类,2、基本结构和符号,结构特点,1）发射区掺杂浓度很高，且发射结的面积较小,2）集电结的面积大于发射结的面积，便于收集电子,3）基区非常薄，掺杂溶度也很低,三极管具有电流放大作用的内因,3、三极管（放大电路）的三种组态,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,如何判断组态？,晶体管具有电流放大作用的外部条件：,三极管的工作状态,饱和区,反向工作区,截止区,正向工作区,小信号放大电路的工作区,1.4.2三极管放大区的工作原理,电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IE,电子流向电源正极形成IC,发射极注入载流子,电子在基区中的扩散与复合,集电区收集电子,1、三极管的载流子运动过程,三极管的电流分配关系,集电极电流,发射极电流,基极电流,ICIB,整理可得：,ICBO称反向饱和电流,ICEO称穿透电流,1）共射直流电流放大系数,2）共射交流电流放大系数,2、晶体管的共射电流放大系数,是共射极电流放大系数，只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般1（10100）,三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用,2）共基交流电流放大系数,3、共基电流放大系数,1）共基直流电流放大系数,为共基极电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般=0.90.99,1.4.3三极管的伏安特性曲线,1、共基电路特性曲线,输入特性曲线,基区宽度调制效应导致输出电压的增加使曲线左移。,输出特性曲线,放大区：发射结正偏、集电结反偏，输入电流对输出电流有控制作用。,共基组态交流电流传输系数,基区宽度调制效应导致曲线随vCB增加而略微上倾,截止区：,饱和区：vCB0,发射结正偏、集电结反偏，iC随iB线性变化。,共发组态交流电流传输系数,饱和区：vCBvGS(off)情况下,即当vDSvGS-vGS(off)对应于不同的vGS，d-s间等效成不同阻值的电阻。,(2)当vDS使vGDvGS(off)时，d-s之间预夹断,(3)当vDS使vGDvGS(off)时，iD几乎仅仅决定于vGS，而与vDS无关。此时，可以把iD近似看成vGS控制的电流源。,2、JFET的特性曲线,输出特性曲线,恒流区,是vGS=0时，vGD=VP的饱和漏极电流,当vDS很小时，相当于一个线性电