半导体器件课件2

半導體器件

1.1.1

本征半導體半導體—導電能力介於導體和絕緣體之間的物質。本征半導體—純淨的半導體。如矽、鍺單晶體。載流子

—自由運動的帶電粒子。共價鍵—相鄰原子共有價電子所形成的束縛。矽(鍺)的原子結構簡化模型慣性核矽(鍺)的共價鍵結構價電子自由電子(束縛電子)空穴空穴空穴可在共價鍵內移動本征激發：複合：自由電子和空穴在運動中相遇重新結合成對消失的過程。漂移：自由電子和空穴在電場作用下的定向運動。在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，並在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。兩種載流子電子(自由電子)空穴兩種載流子的運動自由電子(在共價鍵以外)的運動空穴(在共價鍵以內)的運動

結論：1.本征半導體中電子空穴成對出現，且數量少；

2.半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電；

3.本征半導體導電能力弱，並與溫度有關。1.1.2雜質半導體一、N型半導體和P型半導體N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子為多數載流子空穴為少數載流子載流子數

電子數1.1.2雜質半導體一、N型半導體和P型半導體P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—

多子電子—

少子載流子數

空穴數二、雜質半導體的導電作用IIPINI=IP+INN型半導體I

INP型半導體

I

IP三、P型、N型半導體的簡化圖示負離子多數載流子少數載流子正離子多數載流子少數載流子1.1.3PN結一、PN結(PNJunction)的形成1.載流子的濃度差引起多子的擴散2.複合使交界面形成空間電荷區(耗盡層)

空間電荷區特點:無載流子，阻止擴散進行，利於少子的漂移。內建電場3.擴散和漂移達到動態平衡擴散電流等於漂移電流，

總電流I=0。二、PN結的單向導電性1.外加正向電壓(正向偏置)—forwardbias內電場外電場外電場使多子向PN結移動,中和部分離子使空間電荷區變窄。P區N區IF限流電阻擴散運動加強形成正向電流IF。IF=I多子

I少子

I多子2.外加反向電壓(反向偏置)

—reversebias

P

區N

區內電場外電場外電場使少子背離PN結移動，空間電荷區變寬。IRPN結的單向導電性：正偏導通，呈小電阻，電流較大;

反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運動加強形成反向電流IRIR=I少子

0三、PN結的伏安特性反向飽和電流溫度的電壓當量電子電量玻爾茲曼常數當T=300(27

C)：UT

=26mVOu

/VI

/mA正向特性反向擊穿加正向電壓時加反向電壓時i≈–IS1.2

半導體二極體1.2.1半導體二極體的結構和類型1.2.2二極體的伏安特性1.2.3二極體的主要參數1.2.1半導體二極體的結構和類型構成：PN結+引線+管殼=二極體(Diode)符號：A(anode)C(cathode)分類：按材料分矽二極體鍺二極體按結構分點接觸型面接觸型平面型點接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負極引線負極引線

面接觸型N型鍺PN結

正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極

引線負極

引線積體電路中平面型PNP型支持襯底1.2.2二極體的伏安特性一、PN結的伏安方程反向飽和電流溫度的電壓當量電子電量玻爾茲曼常數當T=300(27

C)：UT

=26mV二、二極體的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死區電壓iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(矽管)(鍺管)U

UthiD急劇上升0

U

Uth

UD(on)

=(0.6

0.8)V矽管0.7V(0.1

0.3)V鍺管0.2V反向特性ISU(BR)反向擊穿U(BR)

U

0iD=IS<0.1

A(矽)

幾十

A

(鍺)U<

U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：(Zener)反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。

(擊穿電壓<6V，負溫度係數)雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數突增。—PN結未損壞，斷電即恢復。—PN結燒毀。(擊穿電壓>6V，正溫度係數)擊穿電壓在6V左右時，溫度係數趨近零。矽管的伏安特性鍺管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020溫度對二極體特性的影響604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90CT

升高時，UD(on)以(2

2.5)mV/

C下降1.2.3二極體的主要參數1.

IF—

最大整流電流(最大正向平均電流)2.

URM—

最高反向工作電壓，為U(BR)/2

3.

IR

—

反向電流(越小單向導電性越好)4.

fM—

最高工作頻率(超過時單向導電性變差)iDuDU(BR)IFURMO影響工作頻率的原因—PN結的電容效應

結論：1.低頻時，因結電容很小，對PN結影響很小。高頻時，因容抗增大，使結電容分流，導致單向導電性變差。2.結面積小時結電容小，工作頻率高。1.3

二極體電路的分析方法1.3.1理想二極體及二極體特性的折線近似1.3.2圖解法和微變等效電路法1.3.1理想二極體及二極體特性的折線近似一、理想二極體特性uDiD符號及等效模型SS正偏導通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=

二、二極體的恒壓降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)三、二極體的折線近似模型uDiDUD(on)

U

I斜率1/rDrD1UD(on)UD(on)例1.3.1

矽二極體，R=2k

，分別用二極體理想模型和恒壓降模型求出VDD=2V和VDD=10V時IO和UO的值。[解]VDD=2V

理想IO=VDD/R=2/2

=1(mA)UO=VDD=2V恒壓降UO=VDD–UD(on)=2

0.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2

=0.65(mA)VDD=10V

理想IO=VDD/R=10/2

=5(mA)恒壓降UO=10

0.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)VDD大，

採用理想模型VDD小，

採用恒壓降模型例1.3.2

試求電路中電流I1、I2、IO和輸出電壓

UO的值。解：假設二極體斷開UP=15VUP>UN二極體導通等效為0.7V的恒壓源PNUO=VDD1

UD(on)=15

0.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UO

VDD2)/R=(14.3

12)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)例1.3.3二極體構成“门”電路，設V1、V2均為理想二極體，當輸入電壓UA、UB為低電壓0V和高電壓5V的不同組合時，求輸出電壓UO的值。0V正偏導通5V正偏導通0V輸入電壓理想二極體輸出電壓UAUBV1V20V0V正偏導通正偏導通0V0V5V正偏導通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏導通0V5V5V正偏導通正偏導通5V例1.3.4

畫出矽二極體構成的橋式整流電路在ui

=15sin

t(V)作用下輸出uO的波形。(按理想模型)Otui

/V15RLV1V2V3V4uiBAuOOtuO/V15若有條件，可切換到EWB環境觀察橋式整流波形。例1.3.5

ui=2sin

t(V)，分析二極體的限幅作用。ui較小，宜採用恒壓降模型ui<0.7VV1、V2均截止uO=uiuO=0.7Vui

0.7VV2導通V１截止ui<

0.7VV1導通V2截止uO=

0.7V思考題:V1、V2支路各串聯恒壓源，輸出波形如何？(可切至EWB)OtuO/V0.7Otui

/V2

0.71.3.2圖解法和微變等效電路法一、二極體電路的直流圖解分析

uD=VDD

iDRiD=f(uD)1.2V100

iD

/mA128400.30.6uD/V1.20.9MN直流負載線斜率

1/R靜態工作點斜率1/RDiDQIQUQ也可取UQ=0.7VIQ=(VDD

UQ)/R=5(mA)二極體直流電阻RDiD

/mAuD/VO二、交流圖解法電路中含直流和小信號交流電源時,二極體中含交、直流成分C隔直流

通交流當ui=0時iD=IQUQ=0.7V(矽)，0.2V(鍺)設ui=sin

wtVDDVDD/RQIQwtOuiUQ斜率1/rdiD

/mAuD/VOVDDVDD/RQIQwtOuiUQiD

/mAwtOid斜率1/rdrd=UT/IQ=26mV/IQ當ui幅度較小時，二極體伏安特性在Q點附近近似為直線uiudRidrd三、微變等效電路分析法對於交流信號電路可等效為例1.3.6

ui

=5sint(mV)，VDD=4V，R=1k

，求iD和uD。[解]1.靜態分析令ui

=0，取UQ0.7VIQ=(VDD

UQ)/R=3.3mA2.動態分析rd=26/IQ=26/3.38(

)Idm=Udm/rd=5/80.625(mA)id

=0.625sin

t3.總電壓、電流=(0.7+0.005sin

t)V=(3.3+0.625sint)mA1.4

特殊二極體1.4.1穩壓二極體1.4.2光電二極體1.4.1穩壓二極體一、伏安特性符號工作條件：反向擊穿iZ/mAuZ/VO

UZ

IZmin

IZmax

UZ

IZ

IZ特性二、主要參數1.

穩定電壓UZ

流過規定電流時穩壓管兩端的反向電壓值。2.穩定電流IZ

越大穩壓效果越好，小於Imin時不穩壓。3.

最大工作電流IZM

最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4.動態電阻rZrZ=

UZ/

IZ

越小穩壓效果越好。幾

幾十

5.穩定電壓溫度係數CT一般，UZ<4V，CTV<0(為齊納擊穿)具有負溫度係數；UZ>7V，CTV>0(為雪崩擊穿)具有正溫度係數；4V<UZ<7V，CTV很小。例1.4.1

分析簡單穩壓電路的工作原理，

R為限流電阻。IR=IZ+ILUO=UI

–IRRUIUORRLILIRIZ1.4.2發光二極體與光敏二極體一、發光二極體LED(LightEmittingDiode)1.符號和特性工作條件：正向偏置一般工作電流幾十mA，導通電壓(1

2)V符號u/Vi

/mAO2特性2.主要參數電學參數：IFM

，U(BR)

，IR光學參數：峰值波長

P，亮度

L，光通量

發光類型：可見光：紅、黃、綠顯示類型：普通LED，不可見光：紅外光點陣LED七段LED,二、光敏二極體1．符號和特性符號特性uiO暗電流E=200lxE=400lx工作條件：反向偏置2.主要參數電學參數：暗電流，光電流，最高工作範圍光學參數：光譜範圍，靈敏度，峰值波長實物照片補充：選擇二極體限流電阻步驟：1.設定工作電壓(如0.7V；2V(LED)；UZ)2.確定工作電流(如1mA；10mA；5mA)3.根據歐姆定律求電阻R=(UI

UD)/ID(R要選擇標稱值)1.5雙極型半導體三極管1.5.1晶體三極管1.5.2晶體三極管的特性曲線1.5.3晶體三極管的主要參數(SemiconductorTransistor)1.5.1晶體三極管一、結構、符號和分類NNP發射極E基極B集電極C發射結集電結—基區—發射區—集電區emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型ECBECB分類：按材料分：矽管、鍺管按功率分：小功率管<500mW按結構分：NPN、PNP按使用頻率分：低頻管、高頻管大功率管>1W中功率管0.5

1W二、電流放大原理1.三極管放大的條件內部條件發射區摻雜濃度高基區薄且摻雜濃度低集電結面積大外部條件發射結正偏集電結反偏2.滿足放大條件的三種電路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共發射極共集電極共基極實現電路:3.三極管內部載流子的傳輸過程1)

發射區向基區注入多子電子，形成發射極電流

IE。ICN多數向BC結方向擴散形成ICN。IE少數與空穴複合，形成IBN。IBN基區空穴來源基極電源提供(IB)集電區少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO2)電子到達基區後(基區空穴運動因濃度低而忽略)ICNIEIBNI

CBOIB3)

集電區收集擴散過來的載流子形成集電極電流ICICIC=ICN+ICBO4.三極管的電流分配關係當管子製成後，發射區載流子濃度、基區寬度、集電結面積等確定，故電流的比例關係確定，即：IB=I

BN

ICBOIC=ICN+ICBO穿透電流IE=IC+IB1.5.2晶體三極管的特性曲線一、輸入特性輸入回路輸出回路與二極體特性相似O特性基本重合(電流分配關係確定)特性右移(因集電結開始吸引電子)導通電壓UBE(on)矽管：(0.6

0.8)V鍺管：

(0.2

0.3)V取0.7V取0.2V二、輸出特性iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321截止區：

IB

0

IC=ICEO

0條件：兩個結反偏截止區ICEOiC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212.放大區：放大區截止區條件：

發射結正偏集電結反偏特點：

水準、等間隔ICEOiC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843213.飽和區：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0條件：兩個結正偏特點：IC

IB臨界飽和時：

uCE

=uBE深度飽和時：0.3V(矽管)UCE(SAT)=0.1V(鍺管)放大區截止區飽和區ICEO三、溫度對特性曲線的影響1.溫度升高，輸入特性曲線向左移。溫度每升高1

C，UBE

(22.5)mV。溫度每升高10

C，ICBO

約增大1倍。OT2>T12.溫度升高，輸出特性曲線向上移。iCuCET1iB=0T2>iB=0iB=0溫度每升高1

C，

(0.51)%。輸出特性曲線間距增大。O1.5.3晶體三極管的主要參數一、電流放大係數1.共發射極電流放大係數iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321—直流電流放大係數

—交流電流放大係數一般為幾十

幾百QiC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212.共基極電流放大係數

1一般在0.98以上。

Q二、極間反向飽和電流CB極間反向飽和電流

ICBO，CE極間反向飽和電流ICEO。三、極限參數1.ICM

—集電極最大允許電流，超過時

值明顯降低。2.PCM—集電極最大允許功率損耗PC=iC

uCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作區U(BR)CBO

—發射極開路時C、B極間反向擊穿電壓。3.U(BR)CEO

—基極開路時C、E極間反向擊穿電壓。U(BR)EBO

—集電極極開路時E、B極間反向擊穿電壓。U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO

(P34

2.1.7)已知:ICM=20mA,PCM

=100mW，U(BR)CEO=20V，當UCE

=

10V時，IC<

mA當UCE

=

1V，則IC<

mA當IC

=

2mA，則UCE<

V

1020201.6場效應管

引言1.6.1結型場效應管1.6.3場效應管的主要參數1.6.2MOS場效應管引言場效應管FET

(FieldEffectTransistor)類型：結型JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)絕緣柵型IGFET(InsulatedGateFET)特點：1.單極性器件(一種載流子導電)3.工藝簡單、易集成、功耗小、

體積小、成本低2.輸入電阻高

(107

1015

，IGFET可高達1015

)1.6.1結型場效應管1.結構與符號N溝道JFETP溝道JFET2.工作原理uGS

0，uDS

>0

此時

uGD=UGS(off)；

溝道楔型耗盡層剛相碰時稱預夾斷。預夾斷當uDS

，預夾斷點下移。3.轉移特性和輸出特性UGS(off)當UGS(off)

uGS0時,uGSiDIDSSuDSiDuGS=–3V–2V–1V0V–3VOO一、增強型N溝道MOSFET

(MentalOxideSemi—FET)1.6.2MOS場效應管1.結構與符號P型襯底(摻雜濃度低)N+N+用擴散的方法製作兩個N區在矽片表面生一層薄SiO2絕緣層SD用金屬鋁引出源極S和漏極DG在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極GB耗盡層S—源極SourceG—柵極Gate

D—漏極DrainSGDB2.工作原理1)uGS

對導電溝道的影響

(uDS=0)反型層(溝道)1)uGS

對導電溝道的影響

(uDS=0)a.

當UGS=0

，DS間為兩個背對背的PN結；b.

當0<UGS<UGS(th)(開啟電壓)時，GB間的垂直電場吸引

P區中電子形成離子區(耗盡層)；c.

當uGS

UGS(th)

時，襯底中電子被吸引到表面，形成導電溝道。uGS

越大溝道越厚。2)

uDS

對

iD的影響(uGS>UGS(th))

DS間的電位差使溝道呈楔形，uDS

，靠近漏極端的溝道厚度變薄。預夾斷(UGD=

UGS(th))：漏極附近反型層消失。預夾斷發生之前：uDS

iD

。預夾斷發生之後：uDS

iD不變。3.轉移特性曲線2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)當uGS>UGS(th)

時：uGS=2UGS(th)

時的

iD值開啟電壓O4.輸出特性曲線可變電阻區uDS<uGS

UGS(th)uDS

iD

，直到預夾斷飽和(放大區)uDS

，iD

不變

uDS加在耗盡層上，溝道電阻不變截止區uGS

UGS(th)

全夾斷iD=0

iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止區

飽和區可變電阻區放大區恒流區O二、耗盡型N溝道MOSFETSGDBSio2

絕緣層中摻入正離子在uGS=0時已形成溝道；在DS間加正電壓時形成iD，uGS

UGS(off)

時，全夾斷。二、耗盡型N溝道MOSFET輸出特性uGS/ViD/mA轉移特性IDSSUGS(off)夾斷電壓飽和漏極電流當uGS

UGS(off)

時，uDS/ViD/mAuGS=4V2V0V2VOO三、P溝道MOSFET增強型耗盡型SGDBSGDBN溝道增強型SGDBiDP溝道增強型SGDBiD2–2OuGS/ViD/mAUGS(th)SGDBiDN溝道耗盡型iDSGDBP溝道耗盡型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–5O5FET符號、特性的比較OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN溝道結型SGDiDSGDiDP溝道結型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5V1.6.3場效應管的主要參數開啟電壓UGS(th)(增強型)

夾斷電壓

UGS(off)(耗盡型)

指uDS=某值，使漏極電流iD為某一小電流時的uGS

值。UGS(th)UGS(off)2.飽和漏極電流IDSS耗盡型場效應管，當uGS=0時所對應的漏極電流。IDSSuGS/ViD/mAOUGS(th)UGS(off)3.直流輸入電阻RGS指漏源間短路時，柵、源間加

反向電壓呈現的直流電阻。JFET：RGS>107

MOSFET：RGS=109

1015

IDSSuGS/ViD/mAO4.低頻跨導gm

反映了uGS對iD的控制能力，單位S(西門子)。一般為幾毫西

(mS)uGS/ViD/mAQOPDM=uDSiD，受溫度限制。5.漏源動態電阻rds6.最大漏極功耗PDM小結第1

章一、兩種半導體和兩種載流子兩種載流子的運動電子—自由電子空穴—價電子兩種半導體N型(多電子)P型(多空穴)二、二極體1.特性—單向導電正向電阻小(理想為0)，反向電阻大(

)。iDO

uDU(BR)IFURM2.主要參數正向—最大平均電流IF反向—最大反向工作電壓U(BR)(超過則擊穿)反向飽和電流IR(IS)(受溫度影響)IS3.二極體的等效模型理想模型(大信號狀態採用)uDiD正偏導通電壓降為零相當於理想開關閉合反偏截止電流為零相當於理想開關斷開恒壓降模型UD(on)正偏電壓

UD(on)

時導通等效為恒壓源UD(on)否則截止，相當於二極體支路斷開UD(on)=(0.6

0.8)V估算時取0.7V矽管：鍺管：(0.1

0.3)V0.2V折線近似模型相當於有內阻的恒壓源UD(on)4.二極體的分析方法圖解法微變等效電路法5.特殊二極體工作條件主要用途穩壓二極體反偏穩壓發光二極體正偏發光光敏二極體反偏光電轉換三、兩種半導體放大器件雙極型半導體三極管(晶體三極管

BJT)單極型半導體三極管(場效應管

FET)兩種載流子導電多數載流子導電晶體三極管1.形式與結構NPNPNP三區、三極、兩結2.特點基極電流控制集電極電流並實現放大放大條件內因：發射區載流子濃度高、

基區薄、集電區面積大外因：發射結正偏、集電結反偏3.電流關係IE=I