《【教学课件】第1章半导体器件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【教学课件】第1章半导体器件.ppt（119页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第 1 章 半导体器件,教学内容,1.1 半导体的特性1.2 半导体二极管1.3 双极型三极管1.4 场效应三极管,教学要求,本章重点是各器件的特性与模型，特别要注意器件模型的适用范围和条件。对于半导体器件，主要着眼于在电路中的使用，关于器件内部的物理过程只要求有一定的了解。,1.1 半导体的特性,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。电阻率(10-610-4 cm),绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。电阻率(1010cm以上),半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。电阻率介于
2、(10-3109 cm),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。,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,共价键,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。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,本征半导体,本征半导体：纯净的、不含杂质的半导体。,1.本征半导体导电特性,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），半导体不能导电。,当温度升高时（如在室温下），由于热激发，使一些价电子获得足够的能量，脱离共价键的束缚成为自由电子。但自由电子数量很少，所以本征半导
3、体导电能力非常微弱。,空穴,自由电子,束缚电子,2.本征半导体的导电机理,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,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，而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。,动画演示,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)空穴移动产生的电流。,半导体与金属导体导电机理的区别：,导体：载流子自由电子半导体：载流子自由电子和空穴,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素。,杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显
4、著变化。,N 型半导体(Negative)：自由电子浓度大大增加的 杂质半导体，也称为 电子型半导体。,P型半导体(Positive)：空穴浓度大大增加的杂质 半导体，也称为空穴型半导体.,1、N 型半导体,失去一个电子，形成正离子,磷原子,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）,多数载流子（多子）自由电子(主要由掺杂形成)少数载流子（少子）空穴(本征激发形成),2、P 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟）,硼原子,夺取一个电子形成负离子,多数载流子空穴(主要由掺杂形成)少数载流子自由电子(本征激发形成),3、杂质半导体的示意表示法,在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要
5、取决于掺入的杂质浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度。无论是型或型半导体，从总体上看，仍然保持着电中性。,半导体的特点,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。导电能力受杂质影响很大。导电能力受温度、光照影响显著。,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,1.2 半导体二极管,1.2.1 PN结及其单向导电性,利用一定的掺杂工艺使一块半导体的一侧呈P型，另一侧呈N型，则其交界处就形成了PN结。,1、PN结中载流子的运动,扩散运动：由于两区载流子浓度的差异，引起载流子由浓度高的地方向浓度低的地方的迁移。电
6、子和空穴相遇时，将发生复合而消失，于是形成空间电荷区。,区失去空穴,带负电的离子,区失去电子,带正电的离子,建立起内电场，方向区,区,形成空间电荷区,漂移运动：少数载流子在内电场的作用下的运动。,区电子,区,区空穴,区,内电场方向区,区,扩散运动,扩散的结果使空间电荷区变宽,内电场越强使漂移运动越强，从而使空间电荷区变窄,空间电荷区两边存在电位差D称电位壁垒。硅：0.60.8锗：0.20.3,扩散运动,内电场,动态平衡,扩散电流,（多子）,大小相等,方向相反,漂移电流,（少子）,（空间电荷区、耗尽层）,PN结,PN结的形成,多子的扩散运动使空间电荷区变宽，少子的漂移运动使空间电荷区变窄，最终达
7、到动态平衡，扩漂，空间电荷区的宽度达到稳定，即形成PN结。空间电荷区又称耗尽层或阻挡层。,1、若将一块型半导体和一块型半导体简单放在一起，在它们的交界面上是否可以形成PN结？,2、PN结内部存在内电场,若将P区端和N区端用导线连接，是否有电流流通？,思考题,2、PN结的单向导电性,（1）PN 结正向偏置：正，负,内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。,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。,（2）PN 结反向偏置：P负，N正,PN结的特点：（1）PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；导通（2）PN结加反向电压时
8、，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流；截止（反向饱和电流IS）得出结论：PN结具有单向导电性。,二极管的伏安特性,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,二极管的电路符号：,阳极,阴极,点接触型,面接触型,伏安特性,死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降:硅管0.60.8V,锗管0.10.3V。,反向击穿电压UBR,正向特性,反向特性,反向饱和电流IS,二极管方程：,1.最大整流电流 IF,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.反向击穿电压UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作
9、电压UR一般是UBR的一半。,二极管的主要参数,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用主要利用它的单向导电性，应用于整流、限幅、保护等等。,3.反向电流 IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,4.二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,5.最高工作频率fM,fM主要取决于PN结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。,二极管的应用,（1）二极管电路的模型分析法
10、 理想模型：正向导通时，二极管正向压降为零；反向截止时，二极管电流为零。恒压源模型：正向导通时，二极管正向压降为常数（硅管0.7V，锗管0.2V）；反向截止时二极管电流为零。,（2）整流与检波电路 利用二极管的单向导电特性，将交变的双向信号，转变成单向脉动信号。,（3）限幅电路 利用二极管的导通和截止限制信号的幅度。,二极管的应用举例1：二极管半波整流(理想二极管),+,-,+,-,二极管的应用举例2：已知ui=12sint(V),VD为硅管管压降UD=0.7V，试画出输出电压波形。,UD=ui5 UD0.7V,即ui5.7V,VD导通，uo=5.7V;ui5.7V,VD截止，uo=ui.,1
11、.2.4 稳压管,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,二极管工作在反向击穿区，利用反向击穿特性，电流变化很大，引起很小的电压变化。,+,二极管的击穿：二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。,上述过程属电击穿，是可逆的，当加在稳压管两端的反向电压降低后，管子仍可恢复原来的状态。但它有一个前提条件，即反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率，超过了就会因为热量散不出去而使PN结温度上升，直到过热而烧毁，这属于热击穿。,稳压二极管的参数:,2.稳定电流IZ 一般来说，工作电流较大时稳压性能较好。,4
12、.额定功耗PZ,1.稳定电压 UZ,5.电压温度系数U（%/）,稳定电压在4V7V之间的稳压管，U的值比较小，表示其稳定电压值受温度的影响较小，性能比较稳定。,3.动态电阻rZ rz越小，稳压性能越好。,正常稳压时 VO=VZ,#稳压条件是什么？,#不加R可以吗？,稳压二极管的应用举例,当输入电压或负载电阻变化时，利用稳压管所起的电流调节作用，通过限流电阻上电压或电流的变化进行补偿，来达到稳压的目的。,题1-7 解：,RL两端电压UO=UZ=6V,流过稳压管的电流 IZ=IR-IO=20-6=14mA,光电二极管,发光二极管,反向电流随光照强度的增加而上升，可将光信号转换为电信号,国产二极管型
13、号命名及含义,2AP9N型锗材料小信号普通二极管,2CW56N型硅材料稳压二极管,1.3 双极型三极管（BJT）,三极管的结构,又称为半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。,NPN型,PNP型,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,集电结,发射结,符号,结构,NPN型三极管,PNP型三极管,1.3.2 三极管中载流子的运动和电流分配关系,外加电源使发射结正偏，集电结反偏。,收集,IC=ICn+ICBO ICn,IE=ICn+IBn IC+IB,动画演示,共基直流电流放大系数：,共射直流电流放大系数：,三极管具有电流放大作用的条件：,内部条件,发射区多数载流子浓度很高；
14、基区很薄，掺杂浓度很小；集电区面积很大，掺杂浓度低于发射区。,外部条件,思考题：三极管发射极和集电极能否互换？,特性曲线,实验线路,1、输入特性,死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。,工作压降：硅管uBE0.60.8V,锗管uBE0.20.3V。,2、输出特性,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。,此区域中uCEuBE,集电结正偏，集电结收集电子的能力降低，iC不再随着iB作线性变化，出现发射极发射有余，而集电极收集不足现象,称为饱和区.此时，硅管UCES0.3V（锗管0.1V)。,此区域中:iB=0,iC=ICEO,uBE 死区电压，称为
15、截止区。,输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏，集电结反偏。NPN:UBE0,UBC0,满足iC=iB,(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。NPN:UBE0,UBC0,PNP:UBEiCS=(Vcc-UCES)/RC UCEUCES=0.3V UCES-三极管临界饱和压降,iC不再受iB的控制,(3)截止区：发射结反偏，集电结反偏。NPN:UBE0,UBC0 iB=0，iC=ICEO 0,例1：=50，VCC=12V，RB=70k，RC=6k 当VBB=2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,VBB=2V时：,IC ICS，Q位于放大区。,VBB=5V时:,IC IcS
16、，Q位于饱和区。,判断三极管的工作状态可有以下方法:,根据发射结和集电结的偏置电压来判别.根据偏置电流IB、IC、ICS来判别。3.根据UCE的值来判别，UCE VCC,管子工作在截止区；UCE0，管子工作在饱和区。,例2：试判断各三极管分别工作在哪个区？,UBE=0.7V（正偏）UBC=4.3V（反偏）放大状态,饱和,根据晶体管的三个电极电位，判别三个电极及管子类型,原理,NPN管：UBE0,UBC0,步骤,三管脚两两相减，其中差值为0.7V(或0.2V）的管脚为B或E，另一管脚为C,并由此可知是硅管（或锗管）。,假设三个管脚中电位居中的管脚为B，求UBE、UBC，若符合UBE0,UBC0,
17、则为PNP。,管子处于放大状态,例3：一个晶体管处于放大状态，已知其三个电极的电位分别为5V、9V和5.2V。试判别三个电极，并确定该管的类型和所用的半导体材料。,解：分别设U1=5V,U2=9V,U3=5.2V U1U3=55.2=0.2V,因此是锗管，2脚为集电极C。由于3脚的电位在三个电位中居中，故设为基极B，则1为发射极E，有：UBE=U3U1=5.25.=0.2V 0 UBC=U3U2=5.29=3.8V0,因此，为NPN型锗管，5V、9V、5.2V所对应的电极分别是发射极、集电极和基极。,共基直流电流放大系数：,共射直流电流放大系数：,共射交流电流放大系数：,共基交流电流放大系数：
18、,一般为几十几百,1、电流放大系数：,三极管的主要参数,在以后的计算中，一般作近似处理：=,例4：已知UCE=6V时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA。求：和,解：,2、反向饱和电流,(1)集电极基极反向饱和电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,(2)集电极发射极反向饱和电流ICEO(穿透电流）,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。,反向电流的值越小，表明三极管的质量越高。,3、极限参数,(1)集电极最大允许电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正
19、常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,(2)极间反向击穿电压,U(BR)CEO基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。,U(BR)CBO发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。,(3)集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC 流过三极管，所发出的焦耳 热为：,PC=ICUCE,必定导致结温 上升，所以PC 有限制。,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作区,1.4 场效应晶体管（FET),场效应管的特点：,压控器件：利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流。,单极型器件：仅由一种载流子（多子）参与导电，不易受温度和辐射的影响。,场效应管的分类：,场效应管,结型（JFET),绝
20、缘栅型（IGFET)（MOS),N沟道,P沟道,耗尽型,增强型,N沟道,N沟道,P沟道,P沟道,均为耗尽型,1.4.1 结型场效应管:,1、结构,基底：N型半导体,两边是P区,导电沟道,G栅极,D漏极,S源极,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）,ID,uDS=0V时,uGS=0导电沟道较宽。,uGS0,耗尽区宽度增大，沟道相应变窄。,但当uGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。,N,uGS=UGS(off)（夹断电压）,两侧耗尽层合拢，导电沟道被夹断。,改变uGS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小，但uDS=0，所以iD始终等于零。
21、,N沟道结型场效应管UGS(off)为负值。,uGS保持不变（UGS(off)0,uDS较小时，iD随uDS的增大几乎成正比地增大。,越靠近漏极处，PN结反压越大,耗尽层最宽，源极处耗尽层最窄。,再增大uDS，当uGD=UGS(off)漏极处的耗尽层开始合拢在一起，称为预夹断。,再增大uDS，夹断长度会略有增加，但夹断处场强很大，仍能将电子拉过夹断区，形成漏极电流。在从源极到夹断处的沟道上，沟道内电场基本上不随uDS改变而变化。iD基本不随uDS增加而上升，漏极电流趋于饱和IDSS。,uDS0,uGS0时,当uGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟道比较宽，iD比较大。,N,继续增大VGG,则两边耗
22、尽层的接触部分逐渐增大。uGSUGS(off)时，耗尽层全部合拢，导电沟道完全夹断，iD0，称为夹断。,结论：,JFET栅极、沟道（与源极相连）之间的PN结是反偏的，因此，iG=0，输入电阻很高。,JFET是电压控制器件，iD受uGS控制。由于每个管子的UGS(off)为一定值，预夹断点会随uGS改变而改变。,预夹断前，iD与uDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,可变电阻区,夹断区,恒流区,3、特性曲线,输出特性曲线uGS一定下的iD-uDS曲线,击穿区,恒流区：(又称饱和区或放大区）,特点：(1)受控性：输入电压uGS控制输出电流iD,(2)恒流性：输出电流iD 基本上不受输出电压
23、uDS的影响。,用途:可做放大器和恒流源。,可变电阻区:,特点:(1)当uGS 为定值时,iD 是 uDS 的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受 uGS 控制。,（2）管压降uDS 很小。,用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关。,夹断区（截止区）,特点：,用途：做无触点的、接通状态的电子开关。,击穿区,uDS升高到某一限度时，PN结因反向偏置电压过高而被击穿，iD将突然增大，场效应管被击穿。管子不能在击穿区工作,uGS/V,iD/mA,0,IDSS,UGS（off）,转移特性曲线uDS一定下的iD-uGS曲线,夹断电压,饱和漏极电流,P沟道结型场效应管的特性曲线,转
24、移特性曲线,iD,uDS,输出特性曲线,0,uGS=0V,1V,2V,3V,4V,结型场效应管的缺点：,1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。,2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。,3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。,绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。,1.4.2 绝缘栅场效应管:,1、N沟道增强型MOS场效应管,金属铝,两个高掺杂N区,SiO2绝缘层,P型衬底,导电沟道,（金属氧化物半导体场效应管）（MOSFET）,（1）结构及符号,N沟道增强型,源极,栅极,漏极,uGS=0时,D、S间相当于两个背靠背的PN结,（2
25、）工作原理,不论D、S间有无电压，均无法导通，不能导电。,uGS0时,uGS足够大时（uGSUGS(th)），形成电场GB,把衬底中的电子吸引到上表面，除复合外，剩余的电子在上表面形成了N型层（反型层）为D、S间的导通提供了通道。,UGS(th)称为阈值电压(开启电压）,源极与衬底接在一起,N沟道,uGSUGS(th),uDS较小时，漏极电流iD将随uDS上升而增大。,当uDS较大时，栅漏之间的电位差最小，靠近漏端的导电沟道最窄；栅源之间的电位差最大，导电沟道最宽。,uDS增加到一定程度，uGD=uGS-uDS=UGS(th)时，靠近D端的沟道被夹断，称为预夹断。,夹断后，uDS 继续增加，将
26、形成一夹断区，iD趋于饱和，呈恒流特性。,输出特性曲线,uGS0,（3）特性曲线,可变电阻区,截止区,恒流区,对比,转移特性曲线,开启电压,2UGS(th),IDO,2、N沟道耗尽型MOS场效应管,预埋了导电沟道,uGS=0时就有导电沟道，只要uDS0,即有iD；uGS0时，沟道变窄，iD减小；uGSUGS(off)时,导电沟道消失，iD=0。,转移特性曲线,夹断电压,uGS0,uGS=0,uGS0,输出特性曲线,P 沟道增强型,予埋了导电沟道,P 沟道耗尽型,各种场效应管对比,1.4.3 场效应管主要参数,1、直流参数,(1)饱和漏极电流IDSS:耗尽型场效应管的参数。,(2)夹断电压UGS
27、(off)：耗尽型场效应管的参数。,(3)开启电压UGS(th)：增强型场效应管的参数。,(4)直流输入电阻RGS:由于场效应管的栅极几乎不取电流，因此其输入电阻很高。,2、交流参数,(1)低频跨导gm:表征场效应管放大作用的重要参数，用以描述栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用。,单位：毫西门子（mS）,(2)极间电容：极间电容越小，管子的高频性能越好。,3、极限参数,(1)漏极最大允许耗散功率PDM(2)漏源击穿电压U(BR)DS(3)栅源击穿电压U(BR)GS,双极型三极管与场效应三极管的比较,双极型三极管 场效应三极管,结构 与分类,NPN型PNP型,结型：N沟道、P沟道,载流子,多
28、子、少子,多子,输入量,控制,噪声,温度特性,输入电阻,静电影响,集成工艺,电流,电压,电流控制电流源,电压控制电流源,较大,较小,受温度影响较大,受温度影响较小,几十到几千欧姆,几兆欧以上,不受静电影响,易受静电影响,不易大规模集成,适宜大规模、超大规模集成,1.本征半导体中加入微量的5价元素的杂质，构成的是_型半导体，其多数载流子是_，少数载流子是_。,本章复习,N,电子,空穴,2杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于_，少数载流子的浓度与_密切相关。,杂质浓度,温度,3.当PN结外加正向电压时，扩散电流_ 漂移电流，耗尽层变_；当PN结外加反向电压时，扩散电流_ 漂移电流，耗尽层变_。
29、,大于,窄,小于,宽,4.二极管最主要的特性是_。在常温下，硅二极管的开启电压约_ V，导通后在较大电流下的正向压降约_V；锗二极管的开启电压约_ V，导通后在较大电流下的正向压降约_ V。,单向导电性,0.5,0.7,0.1,0.2,5稳压管稳压是利用它的特性，所以必须给稳压管外加电压。,反向击穿,反向,6.为保证三极管处于放大状态，其发射结必须加_偏置电压，集电结必须加_偏置电压。,正向,反向,7.半导体三极管通常可能处于_、_、_三种工作状态。,截止区,放大区,饱和区,8.下图(a)和(b)是两个放大管的不完整的符号，根据图中所给数据和电流方向，判断它们的导电类型分别为_ 型和_型，用半
30、导体材料_和_制成，电流放大系数分别为_和_。,NPN,PNP,硅,锗,50,20,9.三极管处于放大状态时，是工作在其特性曲线的_区；场效应管工作在放大状态时，是工作在其特性曲线的_区。,放大,恒流,10.三极管的ICEO大，说明其_。,热稳定性差,11场效应管是一种控器件，它利用 控制漏极电流iD。,压,栅源电压uGS,12.某三极管的极限参数PCM150mW，ICM=100mA，U(BR)CEO=30V，若它的工作电压UCE10V，则工作电流IC不得超过_ mA；若工作电压UCE=1V，则工作电流不得超过_ mA；若工作电流IC1mA,则工作电压不得超过_ V。,15,100,30,第一章 结 束,
