半导体器件PPT课件

第1章半导体器件,1.1半导体器件的基本知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4场效应管,1.1半导体器件的基本知识,1.1.1本征半导体及其导电性,1.1.2杂质半导体,1.1.3半导体中载流子运动和温度特性,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3109cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,1.1.1本征半导体及其导电性,(1)本征半导体的共价键结构,(2)电子空穴对,(3)空穴的移动,本征半导体化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。,(1）本征半导体的共价键结构,硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。,这种结构的立体和平面示意图见图01.01。,（2）电子空穴对,当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图01.02所示。,本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。,图01.02本征激发和复合的过程,(3)空穴的移动,自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,1.1.2杂质半导体,(1)N型半导体(2)P型半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,(1）N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,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导体的结构示意图如图01.04所示。,图01.04N型半导体结构示意图,(2)P型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，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。三价杂质因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图如图01.05所示。,图01.05P型半导体的结构示意图,图01.05P型半导体的结构示意图,漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向一致。扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运动。,1.1.3半导体的载流子运动和温度特性,一、载流子的运动,二、杂质对半导体导电性的影响,掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。,1.1.4PN结,一、PN结的形成,二、PN结的单向导电性,三、PN结的电容效应,四、PN结的击穿特性,一、PN结的形成,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差多子的扩散运动由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,内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,图01.06PN结的形成过程,PN结形成的过程可参阅图01.06。,二、PN结的单向导电性,如果外加电压使PN结中：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。,(1)PN结加正向电压时的导电情况,外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,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结呈现低阻性。,PN结加正向电压时的导电情况如图01.07所示。,图01.07PN结加正向电压时的导电情况,(2)PN结加反向电压时的导电情况,外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,PN结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。,图01.08PN结加反向电压时的导电情况,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。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,图01.08PN结加反向电压时的导电情况,三、PN结的电容效应,PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB，二是扩散电容CD。,(1)势垒电容CB,势垒电容是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。,(2)扩散电容CD,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。,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。,四、PN结的击穿特性,当反向电压超过反向击穿电压UB时，反向电流将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此现象称为PN结的反向击穿。有两种解释：,雪崩击穿：当反向电压足够高时（U6V）PN结中内电场较强，使参加漂移的载流子加速，与中性原子相碰，使之价电子受激发产生新的电子空穴对，又被加速，而形成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤增。齐纳击穿：对掺杂浓度高的半导体，PN结的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压（UIEPIEN=ICN+IBN且有IENIBN，ICNIBN,IC=ICN+ICBO,IB=IEP+IBNICBO,IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO)IE=IC+IB,(1)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，见图02.03。,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；,图02.03三极管的三种组态,1.3.1.3双极型半导体三极管的电流关系,(2)三极管的电流放大系数,对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系数来说明，定义:,称为共基极直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN，所以的值小于1,但接近1。由此可得:,IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=(IC+IB)+ICBO,因1,所以1,定义:=IC/IB=(ICN+ICBO)/IB称为共发射极接法直流电流放大系数。于是,这里，B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E两电极取出。,输入特性曲线iB=f(vBE)vCE=const输出特性曲线iC=f(vCE)iB=const,本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即,1.3.1.4双极型半导体三极管的特性曲线,共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如图02.04所示。,图02.04共发射极接法的电压-电流关系,简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB和vBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。为了排除vCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使vCE=const(常数)。,(1)输入特性曲线,vCE的影响，可以用三极管的内部反馈作用解释，即vCE对iB的影响。,共发射极接法的输入特性曲线见图02.05。其中vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当vCE1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，IC/IB增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但vCE再增加时，曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。输入特性曲线的分区：死区非线性区线性区图02.05共射接法输入特性曲线,(2)输出特性曲线,共发射极接法的输出特性曲线如图02.06所示，它是以iB为参变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明，当vCE=0V时，因集电极无收集作用，iC=0。当vCE稍增大时，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，如vCE1VvBE=0.7VvCB=vCE-vBE=0.7V集电区收集电子的能力很弱，iC主要由vCE决定。图02.06共发射极接法输出特性曲线,当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，如vCE1VvBE0.7V运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后vCE再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域(这与输入特性曲线随vCE增大而右移的图02.06共发射极接法输出特性曲线原因是一致的)。,输出特性曲线可以分为三个区域:,饱和区iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE0.7V(硅管)。此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7V左右(硅管)。,半导体三极管的参数分为三大类:直流参数交流参数极限参数(1)直流参数直流电流放大系数1.共发射极直流电流放大系数=（ICICEO）/IBIC/IBvCE=const,1.3.1.5半导体三极管的参数,在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上，通过垂直于X轴的直线(vCE=const)来求取IC/IB，如图02.07所示。在IC较小时和IC较大时，会有所减小，这一关系见图02.08。,图02.08值与IC的关系,图02.07在输出特性曲线上决定,2.共基极直流电流放大系数=（ICICBO）/IEIC/IE显然与之间有如下关系:=IC/IE=IB/1+IB=/1+,极间反向电流1.集电极基极间反向饱和电流ICBOICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。,2.集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO和ICBO有如下关系ICEO=（1+）ICBO相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。如图02.09所示。,图02.09ICEO在输出特性曲线上的位置,(2)交流参数交流电流放大系数1.共发射极交流电流放大系数=IC/IBvCE=const,在放大区值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上，通过垂直于X轴的直线求取IC/IB。或在图02.08上通过求某一点的斜率得到。具体方法如图02.10所示。,图02.10在输出特性曲线上求,2.共基极交流电流放大系数=IC/IEVCB=const当ICBO和ICEO很小时，、，可以不加区分。,特征频率fT三极管的值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。,(3)极限参数集电极最大允许电流ICM,如图02.08所示，当集电极电流增加时，就要下降，当值下降到线性放大区值的7030时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当ICICM时，并不表示三极管会损坏。图02.08值与IC的关系,集电极最大允许功率损耗PCM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PCM=ICVCBICVCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用VCE取代VCB。,由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区，见图02.12。图02.12输出特性曲线上的过损耗区和击穿区,国家标准对半导体三极管的命名如下:3DG110B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,1.3.1.6半导体三极管的型号,例如：3AX31D、3DG123C、3DK100B,1.4.1绝缘栅场效应三极管的工作原理1.4.2结型场效应三极管1.4.3场效应三极管的参数和型号1.4.4双极型和场效应型三极管的比较,1.4场效应半导体三极管,场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。,从场效应三极管的结构来划分，它有两大类。1.结型场效应三极管JFET(JunctiontypeFieldEffectTransister),2.绝缘栅型场效应三极管IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransister)IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET（MetalOxideSemiconductorFET）,绝缘栅型场效应三极管MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)。分为增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道,N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图02.13。其中：D(Drain)为漏极，相当c；G(Gate)为栅极，相当b；S(Source)为源极，相当e。图02.13N沟道增强型MOSFET结构示意图,1.4.1绝缘栅场效应三极管的工作原理,(1)N沟道增强型MOSFET结构,根据图02.13，N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，,一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。,工作原理1栅源电压VGS的控制作用,当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。,当栅极加有电压时，若0VGSVGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。,VGS对漏极电流的控制关系可用ID=f(VGS)VDS=const这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图02.14。,进一步增加VGS，当VGSVGS(th)时（VGS(th)称为开启电压)，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。,随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。,图02.14VGS对漏极电流的控制特性转移特性曲线,转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下gm=ID/VGSVDS=const(单位mS),ID=f(VGS)VDS=const,2漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影响如图02.15所示。根据此图可以有如下关系,VDS=VDGVGS=VGDVGSVGD=VGSVDS,当VDS为0或较小时，相当VGSVGS(th)，沟道分布如图02.15(a)，此时VDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,图02.15(a)漏源电压VDS对沟道的影响,当VDS为0或较小时，相当VGSVGS(th)，沟道分布如图02.15(a)，此时VDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,当VDS增加到使VGS=VGS(th)时，沟道如图02.15(b)所示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。,当VDS增加到VGSVGS(th)时，沟道如图02.15(c)所示。此时预夹断区域加长，伸向S极。VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。,当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，VDS对ID的影响，即ID=f(VDS)VGS=const这一关系曲线如图02.16所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。,图02.16漏极输出特性曲线,ID=f(VDS)VGS=const,1.4.3结型场效应三极管,(1)结型场效应三极管的结构JFET的结构与MOSFET相似，工作机理则相同。JFET的结构如图02.19所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。一个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。图02.19结型场效应三极管的结构,(2)结型场效应三极管的工作原理,根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。,栅源电压对沟道的控制作用,当VGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏、源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。当VGS0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏、源间的沟道将变窄，ID将减小，VGS继续减小，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VGS(off)。,漏源电压对沟道的控制作用,当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断，当VDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延长。以上过程与绝缘栅场效应三极管的十分相似。,在栅极加上电压，且VGSVGS(off)，若漏源电压VDS从零开始增加，则VGD=VGS-VDS将随之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分，,(3)结型场效应三极管的特性曲线,JFET的特性曲线有两条，一是转移特性曲线，二是输出特性曲线。它与MOSFET的特性曲线基本相同，只不过MOSFET