二极管三极管场效应管

1、1,第一章 半导体器件基础,教学时数：8学时 重点与难点： 1、PN结的原理和二极管的等效电路。 2、半导体内部载流子运动规律。 3、晶体二极管、晶体三极管、结型场效应管、绝缘栅型场应管的工作原理和特性曲线。,2,1.1 半导体基础知识,1.1 半导体基础知识 1.1.1 本征半导体 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。 导体：容易导电的物体。 2. 绝缘体：几乎不导电的物体。,3,3. 半导体,半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定条件下可导电。 半导体的电阻率为10-3109 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,半导体特点： 1)

2、 在外界能源的作用下，导电性能显著变 化。光敏元件、热敏元件属于此类。 2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显 著增加。二极管、三极管属于此类。,4,1.1.2 本征半导体,1. 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。电子技术中用的最多的是硅和锗。,硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。其简化原子结构模型如下图：,外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。物质的性质是由价电子决定的 。,5,2.本征半导体的共价键结构,本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相

3、邻原子的吸引，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。如下图所示：,6,共价键性质,共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子组成的，这两个电子被成为束缚电子。 束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量，不易脱离轨道。 因此，在绝对温度T=0K（-273 C）时，由于共价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。,7,3. 电子与空穴,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

4、电，成为自由电子。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,8,电子与空穴,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。,9,电子与空穴的复合,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，如图所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。,本征激发和复合的过程（动画）,10,空穴的移动,由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又有

5、可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了电荷迁移电流。,空穴在晶体中的移动（动画）,电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴移动的方向相同。本征半导体中，产生电流的根本原因是由于共价键中出现了空穴。由于空穴数量有限，所以其电阻率很大。,11,1.1.3 杂质半导体,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 (2) P型半导体,12,1. 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

6、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；另外，硅晶体由于热激发会产生少量的电子空穴对，所以空穴是少数载流子。,13,N型半导体结构,提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带 单位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下图所示。,所以，N型半导体中的导电粒子有两种： 自由电子多数载流子（由两部分组成） 空穴少数载流子,14,2. 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

7、共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。当相邻共价键上的电子因受激发获得能量时，就可能填补这个空穴，而产生新的空穴。空穴是其主要载流子。,15,P型半导体结构,在P型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电子而成为一个带单位负电荷的负离子，三价杂质 因而也称为受主杂质。 而硅原子的共价键由于失去一个电子而形成空穴。所以P型半导体的结构示意图如图所示。,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。,16,本节中的有关概念,本征半导体、杂质半导体,自由电子、空穴,N型半导体、P型半导体,多数载流子、少数载流子,施主杂质、受主杂质,17,2.2 PN结及其

8、特性,PN结的形成,PN结的单向导电性,PN结的电容效应,18,PN结的形成,当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。此时，有多少个多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，二者产生的电流大小相等，方向相反。因此，在相对平衡时，流过PN结的电流为0。,19,PN结的形成,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。由于耗尽层的存在，PN结的电阻很大。,PN结的形成过程（动画）,PN结的形成过程中 的两种运动： 多数载流子扩散 少数载流子飘移,20,PN结的单向导电性,PN结具有单向导电性，

9、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。 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； P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。,21,(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。,低电阻 大的正向扩散电流,22,(2) PN结加反向电压时的导电情况,外加的反向电压方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子

10、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。,PN结的伏安特性,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。,高电阻 很小的反向漂移电流,23,（3） PN结的伏安特性,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。,24,3. PN结方程,根据理论分析，PN结两端的电压V与流过PN结的电流

11、I之间的关系为：,其中： IS为PN结的反向饱和电流； UT称为温度电压当量，在温度为300K(27C) 时， UT约为26mV；,所以上式常写为：,25,PN结方程,PN结正偏时，如果V VT 几倍以上，上式可改写为： 即I随V按指数规律变化。,PN结反偏时，如果V VT几倍以上，上式可改写为： 其中负号表示为反向。,26,4. PN结的击穿特性,如图所示，当加在PN结上的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然急剧增大，PN结产生电击穿这就是PN结的击穿特性。 发生击穿时的反偏电压称为PN结的反向击穿电压VBR。,PN结被击穿后，PN结上的压降高，电流大，功率大。当PN结上的功耗使PN结发热

12、，并超过它的耗散功率时，PN结将发生热击穿。这时PN结的电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致PN结烧毁。,27,5 . PN结的电容效应,PN结除了具有单向导电性外，还有一定的电容效应。按产生电容的原因可分为： 势垒电容CB ， 扩散电容CD 。,28,(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。势垒电容的示意图如下图。,势垒电容示意图,29,(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

13、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。,扩散电容示意图,反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图所示。,30,扩散电容CD,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。,扩散电容示意图,PN结在反偏时主要考虑势垒电容。,PN结在正偏时主要考虑扩散电容。,31,1.2.1 半导体二极管的结构类型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管

14、。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如下图所示。,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。,点接触型二极管的结构示意图,32,二极管的结构,平面型,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。,面接触型,33,1.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线,半导体二极管的伏安特性曲线如图所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。,34,二极管的伏安特性曲线,根据理论推导，二极管的伏

15、安特性曲线可用下式表示,式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。,35,硅二极管的开启电压Von=0.5 V左右， 锗二极管的开启电压Von=0.1 V左右。,当0VVon时，正向电流为零，Von称为死区电压或开启电压。,当V0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：,当VVon时，开始出现正向 电流，并按指数规律增长。,(1) 正向特性,36,当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：,当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向

16、电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。,当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压 。,(2) 反向特性,37,反向特性,在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。 硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。,从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|7V时,主要是雪崩击穿；若|VBR|4V时, 则主要是齐纳击穿。当在4V7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。,38,2.3.4 半导体二极管的温度特性,温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管

17、温度每增加8，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。近似认为二极管管温度每增加10，反向电流大约增加一倍,另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1，正向压降大约减小2mV，即具有负的温度系数。这些可以从所示二极管的伏安特性曲线上看出。,39,1.2.3 半导体二极管的参数,半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压UBR、最大反向工作电压UR、反向电流IR、最高工作频率fmax和结电容Cj等。几个主要的参数介绍如下：,(1) 最大整流电流IF,二极管长期连续工 作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。,(2) 反向击穿电压UBR 和最大

18、反向工作电压UR,40,半导体二极管的参数,(3) 反向电流IR : 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA;10-9A)级；锗二极管在微安(A)级。,(4) 正向压降UF：在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。,(5) 动态电阻rd：反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然， rd与工作电流的大小有关，即 rd =VF /IF,41,2.3.6 二极管电路及其分析方法,简单的二极管电路如图所示，由二极管、电阻和电压源组成，其分析方法一般有两种

19、： 图解法、模型法（等效电路法）。,42,1. 图解法,图示电路可分为A、B两部分。,A部分的电压与电流关系：VD=V - IR,B部分的电压与电流关系就是二极管的伏安特性。,在二极管的伏安特性上画出VD=V - IR ，如图所示：,最后得出二极管两端的电压VD和流过二极管的 电流I，如图所示。,43,2. 模型分析法,(1) 二极管的大信号模型： 根据二极管伏安特性，可把它分成导通和截止两种状态。,44,大信号模型,所以二极管导通时，其上的电压和流过它的电流 可表示为：,一般硅二极管正向导通压降为0.6V0.8V 锗二极管正向导通压降为0.1V0.3V 以0.7或0.2计算将引入10%的误差

20、。但如果V足够大，则VD实际引入的误差并不大。,如果V 0.7V(0.3V):,45,理想模型,46,1.2.4 二极管及二极管特性的折线近似,一、理想二极管,特性,符号及 等效模型,正偏导通，uD = 0；反偏截止， iD = 0 U(BR) = ,二、二极管的恒压降模型,UD(on),uD = UD(on),0.7 V (Si),0.2 V (Ge),三、二极管的折线近似模型,UD(on),斜率1/ rD,rD,UD(on),47,小信号模型,(2) 二极管的小信号模型： 从二极管伏安特性上看出，二极管导通后，其电压变化量与电流变化量之比近似于常数： 此时的二极管相当于一个动态电阻，其阻值

21、是正向特性曲线在工作点上的斜率的倒数，如图所示。,48,2.3.7 二极管基本应用,vo,vi,49,二极管基本应用,|vi |0.7V时， D1、D2中有一个导通，所以vo =0.7V,vo,vi,50,二极管基本应用,2. 利用单向导电性构成整流和开关电路,不管输入信号处于正或负半周，负载上得到的都是正向电压。,vi,vo,51,2.4 稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图所示。,符号,应用电路,伏安特性,52,2.4.1 稳压二极管参数,从稳压二极管的伏安特

22、性曲线上可以确定稳压二极管的参数。,(1) 稳定电压VZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所 对应的反向工作电压。,(2) 动态电阻rZ 其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rZ =VZ /IZ,(3)稳定电压温度系数VZ。温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。当VZ4 V时， VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。当4 VVZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,53,稳压二极管参数,(4) 最大耗

23、散功率 PZM 稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。,(5) 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流IZmin 稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率， 即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZIZmin则不能稳压。,54,2.4.2 稳压管应用,稳压管正常工作的两个条件：a. 必须工作在反向击穿状态（利用其正向特性除外）；b. 流过管子的电流必须介于稳定电流和最大电流之间。,典型应用如图所示： 当输入电压vi和负载电阻RL在一定范围内变化时，流过稳

24、压管的电流发生变化，而稳压管两端的电压Vz变化很小，即输出电压vo基本稳定。,问题：不加R可以吗？ 稳压条件是什么？,电阻R的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,55,稳压管应用,如果输入电压Vi （ Vi VZ）确定，稳压管处于稳压状态。,负载电阻RL太大，IL减小，IZ增大，只要IZ IZmin，稳压管仍能正常工作。,56,1.3 双极型半导体 三极管,1.3.1 晶体三极管,1.3.2 晶体三极管的特性曲线,1.3.3 晶体三极管的主要参数,57,(Semiconductor Trans

25、istor),1.3.1 晶体三极管,一、结构、符号和分类,发射极 E,基极 B,集电极 C,发射结,集电结, 基区, 发射区, 集电区,emitter,base,collector,NPN 型,PNP 型,分类： 按材料分： 硅管、锗管 按结构分： NPN、 PNP 按使用频率分： 低频管、高频管 按功率分： 小功率管 1 W,58,二、电流放大原理,1. 三极管放大的条件,内部 条件,发射区掺杂浓度高,基区薄且掺杂浓度低,集电结面积大,外部 条件,发射结正偏 集电结反偏,2. 满足放大条件的三种电路,共发射极,共集电极,共基极,实现电路,59,3. 三极管内部载流子的传输过程,1) 发射区

26、向基区注入多子电子， 形成发射极电流 IE。,I CN,多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。,IE,少数与空穴复合，形成 IBN 。,I BN,基区空 穴来源,基极电源提供(IB),集电区少子漂移(ICBO),I CBO,IB,IBN IB + ICBO,即：,IB = IBN ICBO,3) 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 IC,IC,I C = ICN + ICBO,2)电子到达基区后,三极管内载流子运动,60,4. 三极管的电流分配关系,当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：,IB = I BN ICBO,IC = ICN +

27、ICBO,IE = IC + IB,穿透电流,61,1.3.2 晶体三极管的特性曲线,一、输入特性,输入 回路,输出 回路,与二极管特性相似,特性基本重合(电流分配关系确定),特性右移(因集电结开始吸引电子),导通电压 UBE(on),硅管： (0.6 0.8) V,锗管： (0.2 0.3) V,取 0.7 V,取 0.2 V,62,二、输出特性,截止区： IB 0 IC = ICEO 0 条件：两个结反偏,2. 放大区：,3. 饱和区：,uCE u BE,uCB = uCE u BE 0,条件：两个结正偏,特点：IC IB,临界饱和时： uCE = uBE,深度饱和时：,0.3 V (硅管),UCE(SAT)=,0.1 V (锗管),放大区,截止区,饱 和 区,条件：发射结正偏 集电结反偏 特点：水平、等间隔,ICEO,输 出 特 性,63,三、温度对特性曲线的影响,1. 温度升高，输入特性曲线向左移。,温度每升高 1C，UBE (2 2.5) mV。,温度每升高 10C，ICBO 约增大 1 倍。,2. 温度升高，输出特性曲线向上移。,T1,T2 ,温度每升高 1C， (0.5 1)%。,输出特性曲线间距增大。,O,64,1.3.3 晶体三极管的主要参数,一、电流放大系数,1. 共发射极电流放大系数, 直流电流放大系数, 交流电流放大系数,一般为几十 几百,2. 共