常用半导体器件-课件

1、 第一章 常用半导体器件第一章 常用 器件半导体 类别项目 导体绝缘体代表物质 一般最外层电子数外层电子受原子核的束缚力 导电性 金属惰性气体硅、锗 4=4小易大二者之间不易二者之间半导体1.1.1 本征半导体1.1 半导体基础知识纯净的晶体结构的半导体无杂质?GeSi半导体硅和锗的最外层电子（价电子）都是四个。结构特点通过一定的工艺过程，可将其制成晶体。即为本征半导体Intrinsic semiconductor 本征半导体的结构示意图+4+4+4+4 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。共用电子常温下价电子很难脱离共价键成为自由电子导电能力很弱Share electro

2、n +4+4+4+4热和光的作用 自由电子 空穴一些价电子获得足够的能量而脱离共价键束缚电子空穴对本征激发（热激发）带正电带负电游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合Intrisic excitation +4+4+4+4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。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。本征半导体的两种载流子温度越高，载流子的浓度越高，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

3、移动产生的电流。 在本征半导体中掺入少量合适的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。1.1.2 杂质半导体 N 型半导体+4+4+5+4磷原子多余电子掺入少量的五价元素磷（或锑）取代，形成共价键多出一个电子磷原子成为不能移动的正离子施主原子Impurity semiconductor +4+4+5+4N 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）。Negative+4+4+3+4空位硼原子空穴P

4、 型半导体掺入少量的三价元素硼（或铟）取代，形成共价键产生一个空位吸引束缚电子来填补受主原子硼原子成为不能移动的负离子空穴是多子，电子是少子Positive(3)、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。小结4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。 N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。 5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度 和材料性质有关。 1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。 2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由 电子和空穴对，故其有一定的导

5、电能力。 3、本征半导体的导电能力主要由温度决定； 杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。一、PN 结的形成利用掺杂工艺，将P 型半导体和N 型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面处就形成了PN 结。1.1.3 PN结N 型半导体P 型半导体+PN结+物质因浓度差会产生扩散运动N区自由电子浓度远高于P区。P区空穴浓度远高于N区。自由电子空穴空间电荷区，也称耗尽层。扩散的结果是产生空间电荷区。+内电场E+-在电场力作用下，载流子产生的运动称为漂移运动自由电子空穴电位VV0最终扩散和漂移这一对相反的运动达到平衡，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。多子的扩散运动空间

6、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 总结 因浓度差 由杂质离子形成空间电荷区达到平衡，空间电荷区宽度固定不变 二、 PN结的单向导电性+REPN 结正向偏置内电场外电场变薄PN+_外加电源将使扩散运动源源不断的进行，形成正向电流，PN结导通forward bias PN 结反向偏置+内电场外电场变厚NP+_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。PN结截止REReverse bias PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。 PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的

7、反向漂移电流， PN结截止。总结Unilateral conductivity 三、PN结VCR方程PN结两端的外电压u与流过PN结的电流i之间的关系UT: 温度电压当量， = kT/q，一般取值为26mv； k为玻耳曼常数 T为热力学温度 q为电子电荷量IS：反向饱和电流ABC四、PN结的电容效应1. 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2. 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散过程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容： 结电容不

8、是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！barrier capacity Diffused capacity NP+-1.2 半导体二极管外壳封装阴极引线阳极引线semiconductor diode 1.2.1 半导体二极管的结构类型按结构分类点接触型面接触型平面型(1) 点接触型二极管阳极引线阴极引线PN结面积小不能通过较大的电流结电容小工作频率高 适用于高频电路和小功率整流阳极引线阴极引线(2) 面接触型二极管PN结面积大能通过较大的电流结电容大能在低频下工作一般仅作为整流管使用合金法PN结面积可大可小阳极引线阴极引线视结面积的大小用于大功率整流和开关电路中二极管的电

9、路符号阳极阴极二端无源元件(3) 平面型二极管扩散法+-ui半导体二极管图片1.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线uiPN结二极管近似分析时：(1) 二极管和PN结伏安特性的区别二极管存在半导体体电阻和引线电阻二极管表面 漏电流单向导电性ui几点说明二极管的正向特性阳极阴极+-uu00uUonUon开启电压正向电流为零uUon开始出现正向电流，并按指数规律增长。二极管的反向特性阳极阴极+-uuUZ时作用同二极管u增加到UZ 时，稳压管击穿(a)Voltage-regulation diode 2、稳压管的主要参数规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。(1)稳定电压 UZ稳压管低

10、于此值稳压情况变坏，常记作IZmin(2)稳定电流 IZ工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比(3)动态电阻rZrZ =UZ /IZ(4)额定功耗PZMPZM= UZ IZmax最大稳定电流(5)温度系数表示温度每变化1稳压值的变化量例1 电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压uo的波形。设DZ为硅稳压二极管，稳定电压为5V, 正向导通压降忽略不计。+ui-3V RDZ+uo-解： ui-3V D导通 uo= -3V ui-3V D截止 uo= ui 2V 2VuiD反向击穿 uo= 2V ui/V t o6uo/V t o22-3-3ABVB= uiVA= -3V例2

11、稳压管的稳定电UZ=6V, 最小稳定电流IZmin=5mA,最大稳定电流IZmax=25mA, 负载电阻RL=600。求限流电阻R的取值范围。UI=10VRDZ+UO-RLILIDZIR+-解： UO=UZ =6V IL= UO RL = 6 600 =0.01A =10mA 当IDZ=IZmin=5mA时 IR=IDZ+IL =5+10 =15mA R= UI-UOIR= 10-61510-3=227当IDZ=IZmax=25mA时 IR=25+10 =35mA R= 10-63510-3=114R=1142271.3 晶体三极管管中有两种不同极性的载流子参与导电， 所以又称做双极型晶体管由

12、两个 PN 结组合而成，是一种CCCS器件BJTCrystal triode 较薄，掺杂浓度低面积很大掺杂浓度很高集电结发射结 NPN型PNN发射区集电区基区基极b发射极e集电极c 1.3.1 晶体管的结构及类型emitter base collector 集电结发射结NPN型cPNNeb发射区集电区基区基极发射极集电极发射结集电区PNP型NPPeb基区集电结发射区集电极c发射极基极cbeecb我国晶体管的型号命名方法 3AX81以 NPN 型三极管为例讨论cNNPebbec表面看三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。不具备放大作用 1.3.2 晶体管的电流放大作用

13、三极管内部结构要求：NNPebc1. 发射区高掺杂。2. 基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。3. 集电结面积大。三极管放大的外部条件：VBBVCC-uo+RbRc 共射放大电路电流单位：mAiB 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10iC 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95iE uBE晶体管C、E之间相当于开路放大区输出特性曲线可以分为三个区域:放大区发射结正偏集电结反偏uBE Uon ,且uCE uBE 曲线基本平行等距。输出曲线具有恒流特性饱和区输出特性曲线可以分

14、为三个区域:饱和区发射结正偏集电结正偏uBE Uon ,且uCEVE有可能NPN1.5VTRbRciC-6VVE =0VB0即 VBVE不可能PNP1.4 场效应管利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流Field Effect Transistor简称FETBJT（三极管）电流控制元件(iB iC)工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。工作时，只有一种载流子（多子）参与导电，因此它是单极型器件。 特点：输入电阻极高，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，耗电省，集成工艺简单。 应用：大规模、超大规模集成电路。N沟道N沟道耗尽型N沟道增强型P沟道分类：绝缘栅型场效应管结型

15、场效应管P沟道P沟道栅极gNP漏极d源极sN型半导体为基底高掺杂的P型半导体导电沟道耗尽层1.4.1 结型场效应管Junction Field Effect Transistor结构符号1.4.1 结型场效应管Junction Field Effect Transistor结构在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是 N 型的，称 N 沟道结型场效应管。gds栅极gNP漏极d源极sP 沟道场效应管P 沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道gsd在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区(N+)，导电沟道为 P 型，多数载流子为空穴。符号GDSgds一、

16、结型场效应管工作原理 N 沟道结型场效应管用改变 uGS 大小来控制漏极电流 iD 的。(VCCS)gdsNN型沟道P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流 iD 减小。1. 当uDS = 0 时， uGS 对导电沟道的控制作用iD = 0gdsN型沟道P+P+ (a)uGS = 0耗尽层很窄，导电沟道很宽耗尽层逐渐加宽，导电沟道相应变窄。耗尽层闭合，导电沟道被夹断。UGS(off)为夹断电压，为负值。一、结型场效应管工作原理iD = 0dgsP+P+R(b) UGS(off) uGS 0VGGiD = 0dgs(c) uGS

17、 UGS(off)VGGP+P+uGD = UGS(off)？R2. uGS为UGS(off)0中一固定值时, uDS 对漏极电流iD的影响。iD = 0dgsP+P+N型沟道(a) uDS = 0VGG导电沟道由uGS确定， iD =0(b) uDS 由零逐渐增加iD随uDS的增大而线性增大，d-s呈现电阻特性；导电沟道从s极到d极逐渐变宽gdsNiSiDuDSVGG P+P+iD决定于uDSuGD= uGS -uDS 漏极一边的耗尽层出现夹断区，称uGD = UGS(off)为预夹断夹断区加长，iD 几乎仅决定于uGS，表现出恒流特性uDSuGDgdsNiSiDuDSVGG(c) uGD

18、= UGS(off)P+P+gdsiSiDuDSVGG(d) uGD UGS(off)P+iD决定于uGS3.当uGD UGS(off)时 , uGS 对漏极电流iD的控制作用场效应管为电压控制元件(VCCS)。3.当uGD UGS(off)时 , uGS 对漏极电流iD的控制作用 在uGD uGS(off)情况下, 对应于不同的uGS ，d-s间等效成(2)当uDS使uGDuGS(off)时，d-s之间预夹断(3)当uGD uGS(off)uGD uGS(off)uGS0，就可以形成漏极电流iD。在栅极下方导电沟道中的电子，因与P型区的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着uGS的继续增加，

19、反型层变厚，iD增加。uGS 0 g吸引电子 反型层 导电沟道uGS 反型层变厚 uDS iD （2）漏源电压uDS对漏极电流iD的控制作用（a）若uGSUGS(th)且固定为某一值:uDS=uDGuGS=uGDuGSuGD=uGSuDSuDS为0或较小时， uGD=uGSuDS UGS(th)，此时uDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。这时iD随uDS增大。uDS iD uDSuGS-UGS(th)uGS为大于UGS(th)的某一值时, uDS对iD的影响可变电阻区预夹断恒流区(a) 转移特性曲线UGS 0；UGS 正、负、零均可iD/mAuGS /VOUGS(off)(a)转移特性

20、IDSS(b)输出特性iD/mAuDS /VO+1VUGS=0-3 V-1 V-2 V43215101520N 沟道耗尽型 MOS 场效应管三个区：可变电阻区、恒流区、夹断区。种 类符 号转移特性曲线输出特性曲线 结型N 沟道耗尽型 结型P 沟道耗尽型 绝缘栅型 N 沟道增强型sgdsgdiDUGS= 0V+uDS+0sgdBuGSiD0UGS(th)各类场效应管的符号和特性曲线+UGS = UGS(th)uDSiD+0iDUGS= 0V-uDSOuGSiDUGS(off)IDSSuGSiDUGS(off)IDSS种 类符 号转移特性曲线输出特性曲线绝缘栅型N 沟道耗尽型绝缘栅型P 沟道增强型耗尽型IDsgdBuDSiD_UGS=0+_0iDuGSUGS(off)IDSS0