常用半导体器件

第1章常用半导体器件,1.2半导体二极管,1.3晶体三极管,1.1半导体基础知识,1.4场效应管,1.1半导体基础,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,一、本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）,本征半导体的导电机理,此现象称为本征激发。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流(1)自由电子作定向运动电子电流(2)价电子递补空穴空穴电流,理论分析表明(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响大。,自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目，即浓度一定,二、杂质半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,动画,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。,掺入三价元素,在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,动画,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。,a,b,c,4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）,b,a,三、PN结,1.PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P型半导体,N型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称PN结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,动画,形成空间电荷区,2.PN结的单向导电性,PN结加正向电压（正向偏置）,PN结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,动画,PN结变宽,PN结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,动画,PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,根据半导体的物理原理，可从理论上分析得到PN结的伏安特性的表达式，此式通常称为二极管方程，即：,IS为反向饱和电流,UT为温度的电压当量，在常温（300K）下，UT26mV。,3.PN结的电流方程,4.伏安特性,反向击穿电压U(BR),外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,1.2半导体二极管,一、基本结构,二、伏安特性,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿电压U(BR),导通压降,外加电压大于开启电压二极管才能通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,1.特点：非线性,硅0.60.8V锗0.10.3V,开启电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,2.伏安特性受温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移，反向特性下移,三、主要参数,1.最大整流电流IF,二极管长期使用时，允许流过的最大正向平均流。,2.反向工作峰值电压UR,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3.反向峰值电流IR,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IR受温度的影响，温度越高反向电流越大。,4.最高工作频率fM,fM是二极管工作的上限截止频率。超过此值时，由于结电容作用，将不能很好体现单向导电性。,二极管的单向导电性,1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,二极管电路分析举例,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。,若V阳V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=6V否则，UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳=6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=12VUD1=6V，UD2=12VUD2UD1D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0V,例2:,流过D2的电流为,求：UAB,ui8V，二极管导通，可看作短路uo=8Vui8V，二极管截止，可看作开路uo=ui,已知：二极管是理想的，试画出uo波形。,8V,例3：,二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为8V,动画,四、二极管的等效电路,1.由伏安特性折线化得到的等效电路,理想二极管,近似分析中最常用,理想开关导通时UD0截止时IS0,导通时UDUon截止时IS0,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,四、二极管的等效电路,1.由伏安特性折线化得到的等效电路,例题2（P17）,Q越高，rd越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,2.二极管的微变等效电路,五稳压二极管,1.符号,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,2.伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,3.主要参数,(1)稳定电压UZ稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2)电压温度系数环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3)动态电阻,(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM,(5)最大允许耗散功率PZM=UZIZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,应用稳压管应注意的问题稳压管稳压时，一定要外加反向电压，保证管子工作在反向击穿区。当外加的反向电压值大于或等于UZ时，才能起到稳压作用；若外加的电压值小于UZ，稳压二极管相当于普通的二极管使用。在稳压管稳压电路中，一定要配合限流电阻的使用，保证稳压管中流过的电流在规定的范围之内。,符号,光的颜色视发光材料的波长而定。如采用磷砷化镓，可发出红光或黄光；如采用磷化镓，可发出绿光。它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，1.53V，电流为几几十mA。,发光二极管,六光电器件,1、发光二极管,当在发光二极管（LED）上加正向电压，并有足够大的正向电流时，就能发出可见的光。这是由于电子与空穴复合而释放能量的结果。,点式LED,字段式LED,点阵式LED,光柱式LED,LED的类型,2、光电二极管,将光信号转换为电流信号。,符号,发光二极管,光电二极管是在反向电压作用下工作。当无光照时，和普通二极管一样，其反向电流很小。当有光照时，其反向电流增大，称为光电流。,光电二极管,1.3半导体三极管,基区：最薄，掺杂浓度最低,发射区：掺杂浓度最高,发射结,集电结,集电区：面积最大,一基本结构,半导体三极管,基极,发射极,集电极,NPN型,符号：,NPN型三极管,PNP型三极管,二晶体管电流放大作用,1.三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP发射结正偏VBVB,2.各电极电流关系及电流放大作用,结论:,1）三电极电流关系IE=IB+IC2）ICIB，ICIE3）ICIB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化。,3.晶体管内部载流子的运动规律,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,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。,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。,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。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,IC=ICE+ICBOICE,IB=IBE-ICBOIBE,ICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数,集射极穿透电流,温度ICEO,(常用公式),若IB=0,则ICICE0,3.三极管内部载流子的运动规律,三特性曲线,即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。,为什么要研究特性曲线：1）直观地分析管子的工作状态2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,测量晶体管特性的实验线路,1、输入特性,工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,2.输出特性,IB=0,20A,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1)放大区,在放大区有IC=IB，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。,（2）截止区,IB0以下区域为截止区，有IC0。,在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。,饱和区,截止区,（3）饱和区,当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IBIC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。对于小功率管，可认为UCEUBE处于临界状态,四、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,例：在UCE=6V时，在Q1点IB=40A,IC=1.5mA；在Q2点IB=60A,IC=2.3mA。求,在以后的计算中，一般作近似处理：=。,Q1,Q2,在Q1点，有,由Q1和Q2点，得,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,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.最大集电极电流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,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,当USB=-2V时：,IB=0，IC=0,IC最大饱和电流：,Q位于截止区,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,ICICmax(=2mA)，Q位于放大区。,USB=2V时：,USB=5V时:,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k，当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,Q位于饱和区，此时IC和IB已不是倍的关系。,五晶体管参数与温度的关系,1、温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优于锗管。,2、温度每升高1C，UBE将减小(22.5)mV，即晶体管具有负温度系数。,3、温度每升高1C，增加0.5%1.0%。,温度对三极管输入特性的影响,温度对三极管输出特性的影响,例1.3.1现已测得某电路中几只NPN型晶体管三个极的直流电位如下表所示，b-e间开启电压0.5v试分别说明各管子的工作状态。,放大,饱和,放大,截止,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。,结型场效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,场效应管有两种:,1.4场效应晶体管,N,基底：N型半导体,两边是P区,G(栅极),S源极,D漏极,一、结构,1.4.1结型场效应管:,导电沟道,N沟道结型场效应管,P沟道结型场效应管,半导体三极管(场效应管）图片,二、工作原理（以N沟道为例）,uDS=0V时,N,G,S,D,UDS,uGS0，越靠近漏端，PN结反压越大,ID,uDS=0，多子无定向移动，则iD=0。,2.uGS为UGS(off)0v中某一固定值时，uDS对iD的影响。,N,G,S,D,UDS,uGS,uDS逐渐增大时，uGD=uGS-uDS,沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。,iD,N,G,S,D,UDS,UGS,当uGD=UGS(off)漏端的沟道被夹断，称为预夹断。,uDS增大则被夹断区向下延伸。,iD,uGDUGS（th）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道。,栅极金属层聚集正电荷，排斥P型上侧的空穴，剩下负离子，形成耗尽层,UGS(th)称为开启电压,UGS越大，导电沟道越宽，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=UGS(off)时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。,三、增强型N沟道MOS管的特性曲线,转移特性曲线,输出特性曲线,UGS0,总结,一、本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）,本征半导体的导电机理,此现象称为本征激发。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,二、杂质半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,动画,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。,掺入三价元素,在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,动画,无论