《半导体基础》PPT课件

模拟电路与数字电路,物理教研室,参考文献:,童诗白,华成英主编,高等教育出版社。,阎石主编,高等教育出版社。,教材:,林捷等编,人民邮电出版社。,第一章半导体器件,1、半导体基础知识2、二极管3、三极管4、场效应管,导体、半导体和绝缘体,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。,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。,一、本征半导体的结构特点,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。,本征半导体,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,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。,硅和锗的晶体结构：,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,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。,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,空穴,束缚电子,自由电子,二、本征半导体的导电机理,1.载流子、自由电子和空穴,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。,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。,电子和空穴产生过程动画演示,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）。,一、N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵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。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,一、N型半导体,多余电子,磷原子,N型半导体中的载流子是什么？,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）。,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。,三、杂质半导体的示意表示法,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。,PN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。,2.1.2PN结及半导体二极管,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，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,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。,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,空间电荷区中没有载流子。,注意:,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）。,P区中的电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,PN结的单向导电性,PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。,PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。,一、PN结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,二、PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,PN结的伏安特性：,u为PN结两端的电压降,i为流过PN结的电流,IS为反向饱和电流,UT=kT/q，称为温度的电压当量,其中k为玻耳兹曼常数1.381023q为电子电荷量1.6109T为热力学温度，对于室温（相当T=300K）则有UT=26mV。,当u0uUT时,当u|UT|时,PN结的伏安特性曲线及表达式,根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图,正偏,IF（多子扩散）,IR（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿烧坏PN结,电击穿可逆,3、PN结的击穿,雪崩击穿：反向电压过大，阻挡层内电场很强而造成。齐纳击穿：PN结两边掺杂浓度高，使阻挡层宽度变小所致。,二、温度对二极管伏安特性的影响,在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。,二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。,1、在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。,2、因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。,3、PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。,（）,判断题,（）,（）,半导体二极管,一、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,半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管PN结面积很小，结电容很小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。面接触型二极管PN结面积大，结电容也小，多用在低频整流电路中。,二、伏安特性,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UBR,最大整流电流I最高反向工作电压UR反向电流I极间电容（结电容）最高工作频率fM,器件的参数是对其特性的定量描述，也是我们正确使用和合理选择器件的依据。半导体二极管主要参数有：,二极管的主要参数,指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，它是由结的结面积和外界散热条件决定的。实际应用时，二极管的平均电流不能超过此值，并要满足散热条件，否则会烧坏二极管。,二极管使用时所允许加的最大反向电压,超过此值二极管就有发生反向击穿的危险。通常取反向击穿电压UBR的一半作为UR。,指在室温下，二极管未击穿时的反向电流值。该电流越小，管子的单向导电性能就越好。另由于反向电流是由少数载流子形成，所以温度升高，反向电流会急剧增加，因而在使用时要注意温度的影响。,主要由结的结电容大小决定。结电容越大,则其允许的最高工作频率越低。,1.2.4二极管等效电路,一、由伏安特性折线化得到的等效电路,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：二极管半波整流,桥式整流电路,与门电路,稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,稳压管的参数主要有以下几项：,1.稳定电压UZ,指稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。,2.稳定电流IZ(IZminIZmax),指稳压管正常工作时的参考电流。若工作电流小于IZmin，则不能稳压；若工作电流大于IZmax，则会因功耗过大而烧坏。,3.动态电阻rZ,指稳压管两端电压和电流的变化量之比。,rZ=U/I,rZ愈小,反映稳压管的击穿特性愈陡,稳压性越好.,4.电压的温度系数稳定电压aU,指稳压的电流保持不变时，环境温度每变化所引起的稳定电压变化的百分比。,一般：UZ7V，aU为正值；,UZUZ7V，aU值较小，稳压性能稳定。,5.额定功率Z,指稳压管工作电压UZ与最大工作电流IZmax的乘积.Z=UZIZmax,额定功率决定于稳压管允许的温升。,发光二极管LED(LightEmittingDiode),1.符号和特性,工作条件：正向偏置,一般工作电流几十mA，导通电压(12)V,符号,特性,发光二极管,二极管极性的简易判别法,黑表笔-阳极红表笔-阴极,二极管正向偏置电阻很小,黑表笔-阴极,红表笔-阳极,二极管反向偏置电阻很大,基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,2.1.3半导体三极管,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,发射结,集电结,晶体管放大原理,EB,RB,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。,EB,RB,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。,IB=IBE-ICBOIBE,EB,RB,基极电流IB小，集电极电流IC大，,根据基尔霍夫第一定律：,直流电流放大系数,若取电流的变化量，则有,交流放大系数,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,NPN型三极管,PNP型三极管,(UCUBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE0.3V,(3)截止区：UBE死区电压，IB=0，IC=ICEO0,三、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,放大元件，起电流放大作用，是整个放大电路的核心。,输入,输出,参考点,耦合电容C1：隔直作用：隔断放大电路与信号源之间的直流通路交流耦合：保证交流信号顺利通过,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。,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。,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25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,6.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：,PC=ICUCE,必定导致结温上升，所以PC有限制。,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作区,场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。,1.7场效应晶体管,场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。特点：输入电阻高、噪声低、热稳定性能好、抗辐射能力强。主要用于大规模和超大规模集成电路中。单极型晶体管常用于数字集成电路,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,耗尽型是当vGS=0时，存在导电沟道，iD0.增强型是当vGS=0时，不存在导电沟道，iD=0,源极，用S或s表示,N型导电沟道,漏极，用D或d表示,1.7.1JFET的结构和工作原理,1.结构,#符号中的箭头方向表示什么？,2.工作原理（以N沟道为例）,vDS=0V时,N,G,S,D,vDS,VGS,iD,PN结反偏，VGS越负,则耗尽区越宽，导电沟道越窄。,VGS对沟道的控制作用,VGS达到一定值时耗尽区碰到一起，DS间的导电沟道被夹断。,当沟道夹断时，对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。,VGS继续减小,对于N沟道的JFET，VP0。,N,G,S,D,VDS,VGS,iD,VDS=0V时,VDS对沟道的控制作用,当VGS=0时，,VDS,iD,G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,N,G,S,D,VDS,VGS,越靠近漏端，PN结反压越大,iD,当VDS增加到使VGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。,此时VDS,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,G,S,D,VDS,VGS,iD,N,VGS和VDS同时作用时,VGS越小耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。iD减小。,当VPVGS0时,感应出电子,VT称为阈值电压,UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。,当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。,当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。,UDS增加，UGD=VT时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。,漏极特性曲线（分三个区域）,截止区恒流区可变电阻区,漏极特性曲线（分三个区域）,截止区：VGS109,漏极特性曲线（分三个区域）,恒流区：iD基本上由VGS决定，与VDS关系不大,漏极特性曲线（分三个区域）,可变电阻区：当VDS较低（近似为0），VGS一定时，这个电阻受VGS控制、可变。,1.7.2场效应管的主要参数及注意事项1.主要参数1)开启电压UGS(th)和夹断电压UGS(off)UDS等于某一定值，使漏极电流ID等于某一微小电流时，栅源之间所加的电压UGS，对于增强型管，称为开启电压UGS(th)；对于耗尽型管和结型管，称为夹断电压UGS(off)。2)饱和漏极电流IDSS饱和漏极电流是指工作于饱和区时，耗尽型场效应管在UGS=0时的漏极电流。,3）低频跨导gm（又称低频互导）低频跨导是指UDS为某一定值时，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比，即,式中，ID为漏极电流的微变量；UGS为栅源电压微变量。g