《常用半导体器》PPT课件

1、1.2 半导体二极管,1.3 双极型晶体管,1.4 场效应管,1.1 半导体的基础知识,第1章 常用半导体器件,重点掌握基本概念及器件的外特性,引入：物体分类根据物体的导电性，可将物体分为： 导体：低价元素，导电 绝缘体：高价元素或高分子元素，不导电 半导体：四价元素，导电能力介于以上二者之间,1.1 半导体的导电特性,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,一、本征半导体,1、定义：化学成分完全纯净的半导体制成单晶体结构。 2、共价键结构,1.1 半导体的导电特性,3、理解本征半导体的导电机理 温度为0K时，无自由电子，不导电 常温300K时，少数自由电

2、子本征激发,本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴，二者总是成对出现,温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强,载流子的产生与复合动态平衡温度一定，浓度一定,1.1 半导体的导电特性,二、杂质半导体,本征半导体特点？,1、电子浓度=空穴浓度； 2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！,(1) N型半导体 (2) P型半导体,在本征半导体中掺入微量元素杂质半导体,1.1 半导体的导电特性,(1)N型半导体,掺 杂：掺入少量五价杂质元素（如：磷）,多余 电子,磷原子,特 点： 多数载流子：自由电子（主要由杂质原子提供） 少数载流子：空穴（由本征激发形成）,(2）P型半导体（空穴型半导体

3、）,掺 杂：掺入少量三价杂质元素（如：硼）,特 点： 多子：空穴（主要由杂质原子提供） 少子：自由电子（ 由热激发形成）,杂质半导体的示意表示法,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,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,(3)杂质对半导体导电性的影响,1. 杂质半导体中的移动能形成电流。,（a. 多子、b.少子）,2. 掺入杂质越多，多子浓度越 ，少子浓度越。,（a. 高、b.低、c.不变）,3. 当温度升高时，多子的数量 ，少子的数量。,（a. 减少、b.基本不变、c.增多）,a

4、,b,b,a,影响很大 起导电作用的主要是多子。多子的数量主要与杂质浓度有关，近似认为多子与杂质浓度相等，受温度影响小。 少子浓度对温度敏感，影响半导体性能。,(3)杂质对半导体导电性的影响,小结,1、半导体的导电能力与、 和 有关。 2、在一定温度下，本征半导体因而产生，故其有一定的导电能力。 3、本征半导体的导电能力主要由决定；杂质半导体的导电能力主要由决定。 4、P型半导体中是多子，是少子。N型半导体中是多子，是少子。,本征激发,自由电子和空穴对,温度,掺杂浓度,空穴,自由电子,自由电子,空穴,温度,光强,杂质浓度,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区加宽，使内电场越强。,内

5、电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,当扩散和漂移达到动态平衡时，空间电荷区的宽度基本不变。扩散电流与漂移电流大小相等方向相反。,三、PN结,1、了解PN结的形成,PN结的实质：PN结=空间电荷区=耗尽层,1.1 半导体的导电特性,三、PN结,2、掌握PN结的单向导电性,(1) PN结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,I,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，正向电流较大， PN结导通。,(2)PN结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,2、掌握PN结的单向导电性,PN 结变宽,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量

6、很少，形成很小的反向电流。,IS,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。,正向导通，反向截止,2、掌握PN结的单向导电性,(2)PN结加反向电压（反向偏置）,3.了解PN结的电流方程,其中,IS 反向饱和电流,UT 温度的电压当量,在常温下（T=300K）,PN结所加端电压 u 与流过它的电流 i 的关系为：,4.掌握PN结的伏安特性,PN结电压与电流的关系曲线,（1）正向：指数规律,（2）反向：,（3）了解击穿特性：,齐纳击穿 高掺杂 击穿电压较低 雪崩击穿 低掺杂 击穿电压较高,5.

7、了解PN结的电容效应,表现为： 势垒电容CB（barrier) 扩散电容CD (diffusion),(1) 势垒电容CB,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成,(2) 扩散电容CD(Diffusion),5.了解PN结的电容效应,5.了解PN结的电容效应,势垒电容和扩散电容均是非线性电容 结电容CjCb+Cd 在低频工作时，PN结的结电容的容抗很大，可视为开路，其作用可忽略不计。 在高频时，PN结容抗变小，必须考虑结电容的影响。,结构示意图,一、了解结构类型和符号,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路,二极管 = PN结 + 引线 + 管壳。 类型：点接触型、面接触型和平面型,

8、1.2 半导体二极管,PN结面积大，用 于低频大电流整流电路,PN 结面积大的用于大功率整 流，结面积小的用作开关管。,结构示意图,符号,二、重点掌握伏安特性,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0.10.3V,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,室温附近，温度每升高1C，正向压降减小 2 - 2.5 mV，温度每升高10 C ，反向电流增大约一倍。,三、了解主要参数,1. 最大整流电流 IF,二极管长期工作

9、时，允许流过二极管的最大正向平均电流。几mA到几百安培,2. 反向工作峰值电压UR,保证二极管不被击穿允许外加的最大反向电压。通常为U (BR)的一半。,3. 反向电流IR,指二极管未击穿时的反向电流。 愈小愈好。 一般几纳安到几微安。,4. 最高工作频率fM :其值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，则fM愈低。,死区电压 = 0 导通电压 = 0,1、理想二极管,2、恒压降模型,死区电压 = 0 .7V 导通电压 0.7V （硅管）,四、熟练应用二极管的等效电路,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,使用时要加限流电阻,五、稳压二极管,（2）稳定电流IZ：稳压管工作在

10、稳压状态时的参考电流，电流低于此值时稳压效果变坏。 IZmin,（4）额定功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 UZ：规定电流下稳压管的反向击穿电压,（3）动态电阻,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,1.光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,六、其他类型二极管,有正向电流流过时发光。电光的能量转换器件。 电路中常用做指示或显示及光信息传送。,七段显示发光二极管,3.发光二极管,符号,六、其他类型二极管,2020/8/6,e：发射区 b：基区 c：集电区,集电结,发射结,基区,集电区,发射区,发射极e(Emitter), 基极b(Base

11、), 集电极c(Collector),发射结 集电结,1.3 晶体三极管,一、晶体管的结构及类型,基极,发射极,集电极,NPN型,两种类型:NPN和PNP,PNP电路符号,NPN电路符号,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,1. 各电极电流分配关系及电流放大作用,结论:,IE = IC +IB IC = IB IE = (1 + ) IB,二、重点掌握晶体管电流放大作用,IC = IB,共射极电流放大倍数,2020/8/6,2. 放大条件,内部条件？,三区掺杂不同！,发射结正偏，集电结反偏。,对NPN型：VC VB VE 对PNP

12、型：VC VB VE,二、重点掌握晶体管电流放大作用,外部条件：,IEN,ICN,IEP,ICBO,IE,IC,IB,IBN,空穴流与电流方向相同； 电子流与电流方向相反。,IE=IEN + IEP 且IEN IEP,IC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN,IB= IEP + IBN - ICBO,推导,3. 了解内部载流子传输过程,对于NPN型三极管，集电极电流和基极电流是流入三极管，发射极电流是流出三极管，流进的电流等于流出的电流，即IE= IB + IC。 发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度低且很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。,两个二极管能否代替一个三极管？,不能

13、！,三、晶体管的共射特性曲线,晶体管各电极电压与电流的关系曲线。,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,1. 输入特性,UCE不变时，呈指数关系曲线 UCE增大时，曲线右移,iB=f(uBE) UCE=const,2. 输出特性,iC(mA ),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,iC=f(uCE) IB=const,此区域中 : IB=0, IC0, UBE 开启电压，称为截止区。,iC=f(uCE) IB=const

14、,此区域中集电结、发射结均正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,iC=f(uCE) IB=const,输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏，集电结反偏。 即： IC=IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V,(3) 截止区： UBE 死区电压且集电结反偏， 此时 IB=0 ， IC=ICEO 0,应当指出，当uCE增大到某一值时，iC将急剧增加，这时三极管发生击穿。,例1：测量三极管三个电极对地电位如图。试判断三极管的工作状态。,1.电流放大系数 共射直流放大系数,四、了解晶体管的主要参数,共射交流电流

15、放大系数,当ICBO和ICEO很小时，,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,2. 极间反向电流 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,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。,三极管消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。 PC =iC uCE PCM,ICM,ICUCE=PCM,安全工作区,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,1、温度每

16、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 2-2.5mV， 即UBE具有负温度系数。,3、温度每升高 1C， 增加 0.5%1.0%。,五、了解温度对晶体管特性及参数的影响,1.4 场效应管(FET),结型场效应管JFET N沟道结型场效应管 P沟道结型场效应管 绝缘栅型场效应管MOS 增强型 N 沟道增强型MOS管 P 沟道增强型MOS管 耗尽型 N 沟道耗尽型MOS管 P沟道耗尽型MOS管,一、结型场效应管JFET,1、 结构及电路符号,N沟道结型场效应管,P沟道结型场效应管,2、工作原理（以N沟道为例）,uDS=0V时,PN结反偏，|uGS|越大则

17、耗尽层越宽，导电沟道越窄。,UDS=0时,uGS达到一定值时（夹断电压UGS(off)）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS 0V，漏极电流ID=0A。,UGS(off)uGS0时,当uDS=0时，iD=0。,uDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。,UGS(off)uGS0时,N,D,当uDS ,使uGD=uG S- uDS=UGS（off)时，在靠漏极处夹断预夹断。,UGS(off)uGS0时,N,D,uDS再，预夹断点下移。,UGS(off)uGS0时,uDSID 几乎不变。,（1）输出特性曲线： iD=f（uDS ）UGS=常数,3、结型场效应三极管的特性

18、曲线,四个区： 可变电阻区： 预夹断前。 恒流区： 预夹断后。 iD / uGS 常数= gm iD = gm uGS （放大原理） 夹断区 击穿区,(a) 输出特性曲线 (b) 转移特性曲线,（2）转移特性曲线： iD=f（ uGS ）uDS=常数,IGFET(Insulated Gate Field Effect Transistor) MOS(Metal-Oxide-Semiconductor),应用：集成电路 分类： N沟道增强型 N沟道耗尽型 P沟道增强型 P沟道耗尽型,二、绝缘栅型场效应管,取一块P型半导体作为衬底，用B表示。,用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘层。,然后用光刻工

19、艺腐蚀出两个孔。,扩散两个高掺杂的N区。,从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。,在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。,形成两个PN结。（绿色部分）,结构,1、N沟道增强型MOS管,令漏源电压uDS=0，加入栅源电压uGS。,uGS排斥空穴，形成一层负离子层（耗尽层）。,感生电子电荷，在漏源之间形成导电沟道。称为反型层。,若加上uDS ，就会有漏极电流 iD产生。,反型层,工作原理,（1）栅源电压uGS的控制作用,工作原理,（1）栅源电压uGS的控制作用,当uGS较小时， iD0 当uGS增加到一定数值使 iD 刚刚出现，对应的UGS称为开启电压，用UGS(th)或UT表

20、示。,改变uGS改变沟道影响iD ：uGS对iD有控制作用。,设uGSUGS(th)，增加uDS，沟道变化如下：,uDS从漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和衬底之间反偏最大，PN结的宽度最大。 漏源之间会形成一个倾斜的PN结区。,预夹断,工作原理,（2）漏源电压uDS的控制作用,转移特性曲线,（3）N沟道增强型MOS管特性曲线,iD = f ( uGS ) UDS=const,夹断区,可变电阻区,工作原理,输出特性曲线,iD = f ( uD ) UGS=const,S,D,G,P,N,+,N,+,S,i,O,2,型衬底,B,+,在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了一定量的正离子。,结构和符号,当u

21、GS=0时，这些正离子已经感生出电子形成导电沟道。只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,2、N沟道耗尽型MOS管,夹断电压,饱和漏极电流IDSS,当UGS=0时，对应的漏极电流用IDSS表示。 当UGS0时，将使ID进一步增加，直至进入恒流区，漏极电流保持不变。 UGS0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。此时的UGS称为夹断电压，用符号UGS(off)表示,特性曲线,N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在UGS UGS(th) 0,三、场效应管的主要参数,直流参数,交流参数,极限参数,夹断电压UGS(off) 夹断电压是耗尽型FET的参数

22、，当UGS=UGS(off) 时,漏极电流为零。,饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应管当UGS=0时所对应的漏极电流。,直流输入电阻RGS(DC) 栅源间所加的恒定电压UGS与栅极电流IG之比。 结型场效应管RGS (DC)约大于107， MOS管RGS (DC)约是1091015。,（1）直流参数,开启电压UGS(th) 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于 开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,低频跨导gm ：数值大小反映了uGS对iD控制作用的强弱。,gm是转移特性曲线上某一点的切线斜率，由于转移特性曲线的非线性，iD越大，gm也越大。,（2）交流参数,极间电容： Cgs栅极与源极间电容 Cgd 栅极与漏极间电容 Cds 漏极与源极间电容,最大漏极电流 IDB：管子正常工作时漏极电流的上限值。,（3