第二章 半导体基本器件.ppt

1,第二章半导体基本器件,2,2.1半导体二极管,2.1.1半导体基本知识一、什么是半导体？导体(金属原子的外层电子受原子核的束缚力很小，自由电子成为导电的“载流子”),绝缘体,可运动的带电粒子,p39,3,半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si),锗(Ge)。,硅和锗的原子结构模型,(a)硅原子(b)锗原子简化模型,硅和锗都是四价元素,原子的最外层轨道上有四个,价电子。,4,1.本征半导体（纯净的半导体晶体）,硅和锗的晶体结构,（）点阵结构（）共价键结构,点阵结构：每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。原子最外层的价电子不仅围绕两个相邻原子共用一对电子,5,热激发产生自由电子和空穴,室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚,成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为“空穴”。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。,在电子技术中,将空穴看成带正电荷的载流子。,6,空穴运动,有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补,这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。,（与自由电子的运动不同）,7,结论：,本征半导体中有两种载流子：,带负电荷的自由电子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。,8,N型和P型半导体(1)N型半导体,在硅晶体中掺入五价元素磷,磷原子的五个价电子有四个多出的一个电子不受共价键的束缚,室温下很,容易成为自由电子。磷原子失去一个电子成为正离子（在晶体中不能移动）每个磷原子都提供一个自由电子，自由电子数目大大增加，远远超过空穴数。这种半导体主要依靠电子导电，称为电子型或N型半导体。,9,N型半导体的特点：,自由电子空穴,多数载流子（简称多子）少数载流子（简称少子）,只要掺入极少量的杂质元素（1106），多子的浓度将比本征半导体载流子浓度增加近106倍。,掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。,10,(2)P型半导体,在硅晶体中掺入三价元素硼,硼原子与相邻的四个硅原子由于缺少一个价电子而产生一个空位，这个空位很容易被邻近共价键中的价电子填补。硼原子,得到一个电子成为负离子（在晶体中不能移动），失去价电子的共价键中出现一个空穴，每个硼原子都产生一个空穴，空穴数目大大增加，远远超过自由电子数。这种半导体主要依靠空穴导电，称为空穴型或P型半导体,11,P型半导体的特点：,空穴自由电子,多数载流子（简称多子）少数载流子（简称少子）,掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。,少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。,12,3.PN结的形成,预备知识:,半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动.在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。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,40,13,多子扩散运动形成空间电荷区,由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向扩散的结果，交界面P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子，这样在交界面处出现由数量相等的正负离子组成的空间电荷区，并产生由N区指向P区的内电场EIN。,PN结,14,内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移,多子扩散,空间电荷区加宽内电场EIN增强,少子漂移,促使,阻止,EIN,EIN,空间电荷区变窄内电场EIN削弱,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结,15,小结：PN结中同时存在多子的扩散运动和,少子的漂移运动，达到动态平衡时，扩散运动产生的扩散电流和漂移运动产生的漂移互相抵消，PN结中总的电流为零。,41,16,4.PN结的单向导电性,外加正向电压（也叫正向偏置）,外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于“导通”状态。,17,4.PN结的单向导电性,外加反向电压（也叫反向偏置）,外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流IR，因为是少子漂移运动产生的，IR很小，这时称PN结处于“截止”状态。,18,PN结伏安特性,a.外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态b.正向电压大于“开启电压UON”后，i随着u增大迅速上升。,Uon0.5V(硅)Uon0.1V(锗),P42,19,P42,c.外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向电流IR很小。d.反向电压大于“击穿电压U（BR）”时，反向电流IR急剧增加。,20,2.1.2二极管符号及主要参数,A阳极K阴极,二极管主要参数：1.最大正向电流IF2.反向击穿电压U（BR）3.反向电流IR4.最高工作频率,21,2.1.3二极管应用举例,二极管的伏安特性是一个非线性的曲线，在实际分析电路中，导通时管压降视为一个固定值：UD0.7V（硅）UD0.3V（锗）p42或视为一个理想开关，即导通时视为“短路”，截止时视为“开路”。这就是电子线路中经常采用的近似估算法。p44,22,Ui周期性矩形脉冲,23,2.1.3稳压管及其应用,稳压管正常工作时处于反向击穿状态。为了避免稳压管因过流而损坏，必须加限流电阻。,24,2.2半导体三极管,三极管的结构及工作原理,(a)管芯结构图(b)结构示意图(c)电路符号,三极管内部结构的特点：基区很薄，掺杂浓度最低.发射区掺杂浓度很高，远大于基区和集电区的掺杂浓度.发射区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结,NPN型三极管,b基极,e发射极,c集电极,25,PNP型三极管,26,三极管电流的形成及分配,1.电流的形成发射区向基区发射电子，形成发射极电流IE发射结正向偏置。,电子在基区复合形成基极电流IB由于基区很薄且空穴浓度很低，发射区电子进入基区后少数电子和基区空穴复合，绝大多数电子继续扩散到集电结附近。,集电结反向偏置，基区中扩散到集电结附近的电子，在电场作用下漂移到集电区，形成集电极电流IC。,27,三极管电流的形成及分配,1.电流的分配关系,发射区电子在基区每复合一个，就要向集电区供给个电子，这是三极管内固定不变的电流分配原则。,称为电流放大系数，值通常在20200之间,28,2.2.1三极管的特性曲线,输入特性曲线输出特性曲线,P47倒3行,P48倒13行,29,uBEUon(0.5V),IB=0,IC0,截止区,截止条件：uBEUon(0.5V)特点：IB=0，IC0ce之间相当于断开的开关。,30,uBEUon,放大区,uCEuBE,+,放大条件：uBEUonuCEuBE特点：IC=IB，ce之间相当于受控电流源。,P48,电流放大倍数,31,uBEUon,饱和区,uCEuBE,+,饱和条件：uBEUonuCEuBE特点：ICIB，uCEUCES0.3V，ce之间相当于闭合的开关。,32,饱和条件：uBEUonuCEuBE特点：ICIB，uCEUCES0.3V，ce之间相当于闭合的开关。,截止条件：uBEUon(0.5V)特点：IB=0，IC0ce之间相当于断开的开关。,截止和饱和两个状态通称为开关状态。,33,2.2.2三极管的主要参数及应用,Ib,Ic,1共发射极电流放大系数,=20-200,34,三极管的主要参数,2击穿电压Ucbo,Uceo,Uebo,例如：Uebo=6V,Uebo,35,三极管的主要参数,Ib,Ic,3最大电流ICM,最大功率PCM,Icm=600mA;PcM=625mW,设工作电流Ic=200mAUce625/200=3V,36,例：P51,uI周期性矩形脉冲,(1)uI=0时,三极管截止，iB=0,iC=0,uO=UCiCRC=UC=12V(2)uI=5V时，,37,例：P51,uI周期性矩形脉冲,条件成立,假设三极管处于饱和状态,38,例：P51,39,PN结正向导通时，P区扩散到N区的空穴，边扩散，边复合逐渐减少，在N区内产生一定数量的空穴积累，形成梯度分布；同理，N区的电子扩散到P区后，也将在P区内产生一定数量的电子积累。这些扩散到对方区域并积累的电子及空穴称为存储电荷。PN结正向导通时，PN结两侧出现的电子空穴积累的现象叫做电荷存储效应。,预备知识:,40,2.2.3三极管的开关时间和极间电容,由于三极管内部电荷建立和消失均需一定的时间，截止和饱和两种状态的转换不可能瞬间完成。,延迟时间td,上升时间tr,开启时间ton（几十到几百纳秒）,存储时间ts,下降时间tf,关闭时间toff（几十到几百纳秒）,41,为TTL电路准备,输入电阻很大，而输出电阻很小uOuI,特点：,2.2.4共集电极电路,P54-55,42,2.3MOS场效应管,P型硅片作衬底，表面制作两个N型区，引出源极(s)和漏极(d)，覆盖一层SiO2，在漏源之间绝缘层上再制作一层金属铝，引出栅极(g)，衬底也引出一个电极B。,MOS场效应管是利用半导体表面的电场效应来控制输出电流的，输入端不需要供给电流,金属-氧化物-半导体场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor),43,uGS=0时，漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性的电压，都不能导电。,uGS为正时，产生一个电场，把P型衬底少子电子吸引到衬底表面，当uGS增大到一定值UT时，电子在衬底表面形成一个N型层即N型导电沟道。,44,IG=0,ID=gmUGS,小结：MOS管是一个受栅源电压uGS控制的器件uGSUT时，D-S间无导电沟道，MOS管截止uGSUT时，D-S间才会形成导电沟道，故称为N沟道增强型MOS管。uGS增大，导电沟道变宽。即改变uGS可以控制iD的大小。,45,n,p,p,注意PMOS管SD电流从S流入，D流出,例：P61,参见表：P56,46,UGS(th)N:开启电压,转移特性,输出特性,uGSUGS(th)N，管子处于截止状态,D、S之间相当于断开的开关,uGSUGS(th)N，uDS较小。iD与uDS之间近似为线性关系，D、S之间相当于一个由uGS控制的可变电阻，uGS越大，曲线越陡，D、S之间的导通电阻越小。,uGSUGS(th)N，uDS较大，iD取决于uGS，D、S之间相当于一个受控电流源。,47,转移特性,输出特性,在夹断区，管子处于截止状态,D、S之间相当于断开的开关。,在可变电阻区，D、S之间导通电阻rDS(ON)很小，约为几百欧姆。只要RD远大于这个导通电阻，漏源之间可以看作闭合的开关。,MOS管的开关特性,48,2.3.3MOS场效应管的主要参数,开启电压UGS(th)N或UGS(th)P,输入电阻rGS,跨导gm,导通电阻rDS也不是一个恒定值在恒流区，rDS很大，在可变电阻区，导通电阻rDS很小，约为几百欧姆，用rDS(ON)表示。,极间电容CGSCGDCDS影响MOS管开关速度的主要因素。,常数,49,已知UGS(th)N=2.0Vgm=1.3mAVrDS(ON)=875,(1)uI=0，管子截止，iD=0，uO=uDS=UCiDR1=