二极管与三极管(第二讲)2010ppt课件

.,1,第一章半导体器件概述,1.1PN结及二极管1.1.1半导体及PN结1.1.2二极管的基本特性1.1.3二极管的电路模型及主要参数1.1.4特殊二极管1.2半导体三极管1.3半导体场效应管1.4集成运算放大器,.,2,1.1.1半导体和PN结,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。电阻率为10-5.cm量级。,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。电阻率为1014-1022.cm量级。,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。电阻率为10-3-109.cm量级,1.1PN结及二极管,.,3,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：,半导体特性,掺入杂质则导电率增加几百倍,掺杂特性,-半导体器件,温度增加使导电率大为增加,温度特性,-热敏器件,光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势-光敏器件、光电器件,光照特性,.,4,1.本征半导体,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。,.,5,常用的本征半导体,Si,+14,Ge,+32,+4,本征半导体,完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：99.9999999%，“九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。,.,6,.,7,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,.,8,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。,.,9,本征半导体的导电机理,在绝对0度（-273）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。,载流子、自由电子和空穴,.,10,自由电子,空穴,束缚电子,.,11,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。,本征半导体的导电机理,.,12,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：自由电子移动产生的电流。空穴移动产生的电流。,.,13,本征半导体载流子的浓度：,电子浓度ni:表示单位体积的自由电子数空穴浓度pi:表示单位体积的空穴数。,B与材料有关的常数Eg禁带宽度T绝对温度k玻尔曼常数,1.本征半导体中电子浓度ni=空穴浓度pi,2.载流子的浓度与T、Eg有关,.,14,载流子的产生与复合:,g载流子的产生率即每秒成对产生的电子空穴的浓度。R载流子的复合率即每秒成对复合的电子空穴的浓度。当达到动态平衡时g=R,.,15,2.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。,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高,掺入的三价元素如硼（或铟），形成P型半导体,掺入的五价元素如磷（或锑），形成N型半导体,.,16,(1)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。,.,17,多余电子,磷原子,由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,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）。,.,18,(2)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。,.,19,杂质半导体的示意表示法,P型半导体,N型半导体,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。,.,20,(1)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。,3.PN结及半导体二极管,若使P型半导体和N型半导体“亲密接触”，会发生什么现象？,.,21,P区,N区,扩散运动,载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流成为扩散电流,内电场,内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动.同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动.,扩散运动=漂移运动时达到动态平衡,PN结的形成,.,22,内电场阻止多子扩散,载流子浓度差,多子扩散,杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,扩散运动,多子从浓度大向浓度小的区域运动，称为扩散。扩散运动产生扩散电流。,漂移运动,少子向对方运动，称为漂移。漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流为0。,PN结,稳定的空间电荷区，,又称为高阻区、,耗尽层，,.,23,PN结的接触电位,内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V,接触电位V决定于材料及掺杂浓度锗：V=0.20.3硅：V=0.60.7,.,24,1)PN结加正向电压时的导电情况,外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。PN结呈现低电阻。,P区电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,内,外,(2)PN结的单向导电性,.,25,2)PN结加反向电压时的导电情况,外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。PN结呈现高电阻。,P区电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；,内,外,.,26,结论：PN结具有单向导电性。,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,.,27,式中Is饱和电流;UT=kT/q等效电压k波尔兹曼常数；T=300K（室温）时UT=26mV,PN结电流方程,由半导体物理可推出：,当加反向电压时：,当加正向电压时：,(uUT),.,28,(3)PN结的反向击穿,反向击穿,PN结上反向电压达到某一数值，反向电流激增。,雪崩击穿,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。,齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。,击穿可逆。掺杂浓度小的二极管容易发生,击穿可逆。掺杂浓度大的二极管容易发生,不可逆击穿,热击穿,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。,.,29,势垒电容CB,由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。,(4)PN结电容,.,30,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。,扩散电容CD,当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。,.,31,PN结电容Cj=CB+CDCj一般为1几百pf，低频时可忽略不计。在高频情况下，PN结正偏时，电阻较小，结电容较大（主要由扩散电容CD决定）;PN结反偏时，电阻较大，结电容较小（主要由势垒电容CB决定）。,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,.,32,1.二极管的结构,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管,二极管按结构分,点接触型,面接触型,平面型,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路,PN结面积大，用于工频大电流整流电路,往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,1.1.2二极管的基本特性,.,33,2.二极管的伏安特性,是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线,1.当加正向电压时,PN结电流方程为：,2.当加反向电压时,I随U，呈指数规律,I=-Is,基本不变,.,34,2.二极管的伏安特性(续),1)正向起始部分存在一个死区或门坎，称为阈值电压Uth。硅：Uth=0.5-0.6V;锗：Uth=0.1-0.2V导通压降UD(ON)。硅:UD(ON)=0.6-0.8V;锗:UD(ON)=0.2-0.3V2)加反向电压时，反向电流很小即Is硅(nA)0.7V时，二极管导通，导通后，UD=0.7V锗管：当UD0.3V时，二极管导通，导通后，UD=0.3V稳压管是一种应用很广的特殊类型的二极管，工作区在反向击穿区。可以提供一个稳定的电压。使用时注意加限流电阻。二极管基本用途是整流稳压和限幅。半导体光电器件分光敏器件和发光器件，可实现光电、电光转换。光电二极管应在反压下工作，而发光二极管应在正偏电压下工作。,小结,.,60,半导体二极管图片,附录,.,61,半导体二极管图片,附录,.,62,半导体二极管图片,附录,.,63,1.2半导体三极管,半导体三极管又称晶体三极管，简称晶体管或三极管在三极管内，有两种载流子：电子与空穴，它们同时参与导电，故晶体三极管又称为双极型三极管，简记为BJT（英文Bipo1arJunctionTransistor的缩写）它的基本功能是具有电流放大作用,.,64,BJT的结构,发射结,集电结,两种结构类型：,NPN型,PNP型,发射区,集电区,基区,发射极,基极,集电极,.,65,1.由三层半导体组成，有三个区、三个极、两个结,2.发射区掺杂浓度高、,BJT的结构,基区薄、集电结面积大,.,66,1.2.1三极管的基本工作原理,半导体三极管有3个电极，在实际使用中有一个电极输入信号，一个电极输出信号，还有一个则作为输入输出的公共端按公共端电极的不同，有共射、共基和共集3种基本组态起放大作用时的必备条件：发射结正偏、集电结反偏,.,67,三极管的三种组态,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；,起放大作用时的必备条件：发射结正偏、集电结反偏,.,68,1.三极管内部载流子的传输过程,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IBN，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。,.,69,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ICN。,.,70,三极管各区的作用:,发射区向基区提供载流子,基区传送和控制载流子,集电区收集载流子,发射结加正向电压,集电结加反向电压,三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压才能起放大作用,外部工作条件：,发射结加正向电压即发射结正偏,集电结加反向电压即集电结反偏,.,71,ICBO,1.发射区向基区扩散空穴，形成发射极电流IE,2.空穴在基区扩散和复合，形成了基区复合电流IBN,3.集电极收集从发射区扩散到基区的空穴，形成了电流ICN,同时由于集电结反偏，少子在电场的作用下形成了漂移电流ICBO,电流之间的分配关系,IB=IBN-ICBO,IC=ICN+ICBO,IE=IB+IC,2.电流分配关系,.,72,三极管的三种组态,双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态：,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；,.,73,共基极直流放大系数,从发射区注入的载流子到达集电极部分所占的百分比,由前面得到的电流之间的分配关系,可得：,的数值一般在0.9-0.99之间,从发射区注入的载流子绝大部分到达集电区，只有一小部分在基区复合,.,74,共发射极连接：,输入电流,输出电流,共射直流放大系数,当IB=0时,穿透电流,