数字电子技术基础简明教程课件——半导体器件.ppt

1、1,半导体器件,肖合九 教授,2,一、半导体的特性,1、半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗都是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。,锗(32) Ge,硅(14) Si,1 半导体的基础知识,3,2、半导体中的两种载流子：若把纯净的半导体材料制成单晶体，它们的原子将有序排列。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。两个相邻原子共用一对电子。,共价键,4,在一定温度下，若受光和热的激发，少数价电子将会挣脱共价键的束缚成为自由电子，在原来位置留下一个空穴。原子失去电子带正电，相当于空穴带正电。半导体中的自由电子和空穴都

2、能参与导电，于是半导体中有两种载流子，空穴为带正电荷的载流子，电子为带负电荷的载流子。自由电子和空穴同时产生。,硅原子,共价键,价电子,5,3、半导体的导电特性：,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 (可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,6,二、本征半导体,纯净的不含杂质、晶体结构排列整齐的半导体，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

3、,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,7,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（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,1、本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,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）。,8,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,注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导

4、电性能很差； (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很大。,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。,9,三、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（Negative）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

5、载流子。,1、N型半导体,10,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（Positive）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,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,2、P型半导体,11,1、漂移运动与扩散运动 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。,四、PN结及其单向导电性,12,2、PN

6、结的形成 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，当P型半导体和N型半导体相互“接触”后，由于两类半导体中多子（电子和空穴）浓度差的存在，在它们的交界面附近便出现了电子和空穴的扩散运动。 N区界面附近的多子电子将向P区扩散，并与P区的空穴复合，在N区界面附近剩下了不能移动的施主正离子，形成一个很薄的正电荷层。同样P区界面附近的多子空穴将向N区扩散，并与N区的电子复合，在P区界面附近剩下了不能移动的受主负离子，形成一个很薄的负电荷层。于是在两种半导体的交界面附近便形成了一个空间电荷区，这就是PN结。 PN结内不能移动的正负离子称为空间电荷区，在PN结内载流子的浓度远低于结外的

7、中性区，载流子几乎全部扩散到对方并被复合掉了，或者说载流子被消耗尽了，故又称为耗尽区。,13,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。,形成空间电荷区,14,多子扩散,形成空间电荷区产生内电场,少子漂移,促使,阻止,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结,15,3、 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

8、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。,16,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。,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。,17,一、填空题,1、半导体中有( )和( )两种载流子。,空穴,自由电子,2、N型半导体是在本征半导体中掺入极微量的( )价元素组成的。这种半导体内的多数载流子为( )，少数载流子为( )。,自由电子,五,空穴,3、

9、PN结加正向电压时，外电场的方向与内电场的方向( )，加负向电压时，外电场的方向与内电场的方向( )。,相反,相同,二、单项选择题,1、纯净的半导体称为( )。 A、N型半导体 B、P型半导体 C、本征半导体,C,2、PN结加正向电压时，空间电荷区将( )。 A、变窄 B、基本不变 C、变宽,A,18,2 半导体二极管,一、二极管的结构及符号,1、 点接触型,2、面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,3、 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,19,半导体二极管

10、的结构和符号,二极管的结构示意图,20,二、二极管的伏安特性,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,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,21,二极管的单向导电性,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

11、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。,22,三、主要参数,1. 最大整流电流 IF,2. 最高反向工作电压URM,3. 反向电流IR,4. 最大工作频率fM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,是指允许加在二极管两端的反向电压的最大值，其值通常取二极管反向击穿电压的一半或三分之二。击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,指在室温下，二极管未击穿时的反向电流值。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。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管

12、的几十到几百倍。,指二极管正常工作时的上限频率值。它的大小与PN结的结电容有关。超过此值，二极管的单向导电性能变差。,23,1、整流：改变信号波形，正弦波变脉动波。,已知：二极管理想化 求：uO波形,四、二极管应用举例,分两个半周分析 信号正半周时：D导通uO=ui 信号负半周时：D截止uO=0,24,、检波作用：从载波信号中检出音频信号。,旁路高频信号,载波信号经二极管后负半波被削去,检出音频信号,25,、限幅：把输出信号的幅度限制在某电平范围内。,已知：二极管UD0.7V 求：uO波形,26,下图中，已知uA=3V，uB=0V，DA、DB为锗管，求输出端F的电位并说明二极管的作用。,、箝位

13、与隔离,隔离作用二极管D截止时，相当于断路，阳极与阴极被隔离。,箝位作用二极管D导通时，管压降小，强制阳极与阴极电位基本相同。,2.7V,DA管的嵌位作用：DA管优先导通，把uO嵌位在30.32.7V。 DB管的隔离作用：DB管加上反向电压而截止，输入端B和输出端F隔离开。,27,六、特殊用途二极管,. 符号,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,. 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。,1. 稳压管,28,. 主要参数, 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。

14、, 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。, 动态电阻, 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM, 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,29,2. 发光二极管,3. 光电二极管,30,半导体三极管是由三层半导体材料组成的。有三个区域：基区、发射区、集电区。有两个PN结，发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电结 。有三个电极：基极b、发射极e和集电极c。 两个PN结，把半导体分成三个区域。这三个区域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三极管有两种类型：NPN型和PNP型。,3 半导体三极管及基

15、本放大电路,一、三极管的结构及符号,半导体三极管又叫晶体管，主要由于放大电路和开关电路，在电子电路中得到了广泛的应用。,31,NPN型,PNP型,箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向,32,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,结构特点：,集电区：面积最大， 但掺杂浓度低,电流放大作用的内部条件：这些结构上的特点是三极管具有电流放大作用的内部条件。,33,二、三极管的电流分配关系和放大作用,1、电流放大作用的外部条件,从电位的角度看：,为了实现三极管的电流放大作用除了上述的内部条件外，还必须具有一定的外部条件，即给发射结加上正向电压(偏置)，集电结加上反向电压

16、(偏置)。如图所示。,NPN ： 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB 即 VCVB VE,以NPN管为例来说明半导体三极管各极间电流分配关系及其电流放大作用。,共发射极电路,输入回路,输出回路,发射极E是输入回路和输出回路的公共点，因此称这种接法为共发射极电路。,34,2、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 + IC 2） IC IB ， IC IE 3） IC IB,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，是一个电流控制的电流源器件。,改变可变电阻RB，测

17、基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE，结果如下表所示。,35,3、三极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。,36,3、三极管内部载流子的运动规律,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE- ICBO IBE,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

18、IB =0, 则 IC ICE0,37,三、三极管的伏安特性,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。,共发射极电路,输入回路,输出回路,测量三极管特性的电路如下图所示。,38,1、输入特性,输入特性如图所示,硅管：死区电压0.5V，发射结导通电压约为0.7V 锗管：死区电压0.1V，发射结导通电压约为0.3V,特点： 1、输入特性也有一个“死区”。在死区内，UBE虽已大于零，但IB仍为零。 2、一般情况下，当UCE1V以后，输入特性几乎与UCE1V的特性重合，因此常用UCE1V的一条曲线来代表所有输入特性曲线。,39,2、输

19、出特性,放大区,输出特性曲线如图所示，通常分三个工作区：,(1)放大区,输出特性曲线上IB0 和UCE1V的区域为放大区。在这个区域，发射结正偏、集电结反偏，即VCVBVE 。,放大区的特点是IC由IB决定，而与UCE关系不大。即IB固定时，IC基本不变，具有恒流的特性。 改变IB，则可以改变IC ，而且IB远小于IC，IC的大小受IB控制，ICIB ，表明IC是受基极电流控制的受控电流源，有电流放大作用。,40,（2）截止区,IB 0 特性曲线以下区域为截止区，有 IC 0 。,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。三极管在电路中犹如一个断开的开关。,饱和区,

20、截止区,（3）饱和区,当UCEUBE时，发射结、集电结均处于正偏，即VBVCVE晶体管工作于饱和状态。IC随着UCE的增大基本成正比例上升关系，管压降很小，UCES 称饱和压降。深度饱和时，硅管 UCES 0.3V，锗管UCES 0.1V。由于深度饱和时UCES约等于零，三极管在电路中犹如一个闭合的开关。,41,四、主要参数,1. 电流放大系数，,直流电流放大系数,交流电流放大系数,当晶体管接成发射极电路时，,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。,注意：,和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0 较小的情况下，两者数值接近。,常用晶体管

21、的 值在20 200之间。,42,例：在UCE= 6 V时， 在 Q1 点IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 点IB=60 A, IC=2.3mA。,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,43,2.集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。 温度ICBO,3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大。 温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,44,4. 集电极最大允许电流 ICM,5. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,集电极电流

22、 IC上升太大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。,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. 集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。 PC PCM =IC UCE,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,45,五、 共射极放大电路,、共射基本放大电路组成,共射放大电路,三极管VT：放大元件, iC= iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大区 。 集电极直流电源VCC：放大电路的总

23、能源，同时兼作偏置电源。 基极偏置电阻RB ：使发射结处于正偏，并提供大小适当的基极电流。 集电极电阻RC ：它与VCC配合，使集电结反偏,保证三极管工作在放大区。 耦合电容C1 、C2 ：分别接在放大电路的输入端和输出端，起隔直通交的作用。,由三极管、电阻、电容和直流电源组成。,46,、放大电路中各电量的表示方法,1、电压、电流的方向规定：规定电压都以输入、输出回路的公共端为负，其他各点为正；电流方向以三极管各电极电流的实际方向为参考方向 。 1、电压、电流符号的规定 、直流分量，用大写字母和大写下标表示。如IB表示基极的直流电流。 、交流分量，用小写字母和小写下标表示。如ib表示基极的交流

24、电流。 、交直流分量，表示直流分量和交流分量之和，即交流叠加在直流上，用小写字母和大写下标表示。如iB表示基极电流总的瞬时值，其数值为iBIBib 。 、交流有效值，用大写字母和小写下标表示。如Ib表示基极的正弦交流的有效值。 、交流最大值，用交流有效值符号再增加小写m下标表示。如Ibm表示基极交流电流最大值。,47,、共射放大电路的电压放大作用,无输入信号(ui = 0)时:,uo = 0 uBE = UBE uCE = UCE,48,结论：,(1) 无输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的 电压和电流:IB、UBE和 IC、UCE 。,(IB、UBE) 和(IC、UCE)分别对应于输入、输

25、出特性曲线上的一个点，称为静态工作点。,49,UBE,无输入信号(ui = 0)时:,uo = 0 uBE = UBE uCE = UCE,？,有输入信号(ui 0)时,uCE = UCC iC RC,uo 0 uBE = UBE+ ui uCE = UCE+ uo,50,结论：,(2) 加上输入信号电压后，各电极电流和电压的大 小均发生了变化，都在直流量的基础上叠加了 一个交流量。,+,集电极电流,直流分量,交流分量,动态分析,静态分析,51,结论：,(3) 若参数选取得当，输出电压可比输入电压大， 即电路具有电压放大作用。,(4) 输出电压与输入电压在相位上相差180， 即共发射极电路具有

26、反相作用。,52,用图解法分析动态工作情况,RL=,由uo和ui的峰值（或峰峰值）之比可得放大电路的电压放大倍数。,53,一、填空题,1、硅二极管的死区电压约为( )，导通管压降为( )。,0.5V,0.7V,2、三极管结构特点：基区( )，发射区 ( ) ,集电区 ( ) 。,面积最大，掺杂浓度低,3、三极管有( )区、( )区、( )区及( )结、( )结组成。,发射,基,二、单项选择题,1、如果三极管的( )，则该管工作在饱和区。 A、发射结反偏、集电结反偏 B、发射结正偏、集电结反偏 C.发射结正偏、集电结正偏,C,A,最薄，掺杂浓度最低,掺杂浓度最高,集电,发射,集电,2、如果三极管

27、的( )，则该管工作在截止区。 A、发射结反偏、集电结反偏 B、发射结正偏、集电结反偏 C.发射结正偏、集电结正偏,54,4 场效应管,晶体三极管是以很小输入电流控制输出电流的放大元件，在放大状态工作时要有一定的输入电流，称为电流控制元件。 场效应管是以很小输入电压控制输出电流的放大元件，在放大状态工作时要有一定的输入电压，无输入电流， 称为电压控制元件。它具有输入电阻高（可高达108以上）、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省、易集成等优点，因此得到广泛应用。,场效应管的分类,55,MOSFET的结构及原理,一、结构及符号,绝缘栅场效应管是利用电压控制漏极电流的原理制成的，按其工作方式不

28、同可分为增强型和耗尽型两种类型，每种又各有N沟道和P沟道的形式。,N沟道绝缘栅场效应管的内部结构如图(a)所示。用一块P型硅片作衬底,在上面生成两个掺杂浓度很高的N区，分别引出一个金属电极作为源极S和漏极D；再在P型硅片上覆盖二氧化硅绝缘层，并引出金属电极作为栅极G。由于栅极与源极、漏极及衬底绝缘，故名绝缘栅场效应管，简称IGFET。又因为金属、氧化物与半导体材料分层分布，又称金属氧化物半导体场效应管，简称MOS管。符号如图(b)、(c)所示。,56,二、工作原理,1UGS0，没有导电沟道 MOS管的源极和衬底通常是接在一起的。从图可以看出，增强型MOS管的漏极D和源极S之间有两个背靠背的PN

29、结。当栅源电压UGS0时，即使加上漏源电压UDS，而且不论UDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD 0。,2UGS UGS(th) 时，出现N型沟道 若在栅-源极间加上正向电压，即UGS0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时P衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。,57,当UGS数值较小，吸引电子的能力 不强时，漏源极之间仍无导电沟道 出现。UGS增加时，吸引到P衬底表面 层的电

30、子就增多，当UGS达到某一数 值时，这些电子在栅极附近的P衬底 表面便形成一个N型薄层，且与两个 N+区相连通，在漏源极间形成N型 导电沟道，其导电类型与P衬底相反， 故又称为反型层。 UGS越大，作用于 半导体表面的电场就越强，吸引到P 衬底表面的电子就越多，导电沟道越 厚，沟道电阻越小。我们把开始形成沟道时的栅源极电压称为开启电压，用UGS(th)表示。由上述分析可知，N沟道增强型MOS管在UGSUGS(th)时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当UGSUGS(th)时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压UDS ，才有漏极电流产生。而且UGS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，iD增大。这种必须在UGSUGS(th)时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS 管。,58,3、沟道增强型管的特性曲线 N沟道增强型MOS管的转移特性曲线与输出特性曲线如图所示，可分为四个区：可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。,VGS(th),夹断区,2VGS(th),59,三、N沟道耗尽型MOS管,N沟道耗尽型MOS管结构和符号如下图所示。与 N沟道增强型MOS管不同的是， N沟道耗尽型MOS管的绝缘层中掺入了大量的正离子，所以，即使在UGS0时，耗尽层与