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1、1,第二章 半导体基本器件,2,2.1 半导体二极管,2.1.1 半导体基本知识一、什么是半导体？导体(金属原子的外层电子受原子核的束缚力很小，自由电子成为导电的“载流子”),绝缘体,可运动的带电粒子,p39,3,半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si),锗(Ge)。,硅和锗的原子结构模型,(a)硅原子(b)锗原子 简化模型,硅和锗都是四价元素,原子的最外层轨道上有四个,价电子。,4,1.本征半导体（纯净的半导体晶体）,硅和锗的晶体结构,（）点阵结构（）共价键结构,点阵结构：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。原子最外层的价电子不仅围绕两个相邻原子共
2、用一对电子,5,热激发产生自由电子和空穴,室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚,成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为“空穴”。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。,在电子技术中,将空穴看成带正电荷的载流子。,6,空穴运动,有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补,这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。,（与自由电子的运动不同）,7,结论：,本征半导体中有两种载流子：,带负电荷的自由电子带正电荷的空穴 热激发产生的自由电子和空穴是成对
3、出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为“复合”。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。,8,N型和P型半导体(1)N型半导体,在硅晶体中掺入五价元素磷,磷原子的五个价电子有四个多出的一个电子不受共价键的束缚,室温下很,容易成为自由电子。磷原子失去一个电子成为正离子（在晶体中不能移动）每个磷原子都提供一个自由电子，自由电子数目大大增加，远远超过空穴数。这种半导体主要依靠电子导电，称为电子型或N型半导体。,9,N型半导体的特点：,自由电子 空 穴,多数载流子（简称多子）少数载流子（简称少子）,只要掺入极少量的杂质元素（1106），多子的浓度将比本征半导体载流子浓度增加近106倍。,掺
4、入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。,10,(2)P型半导体,在硅晶体中掺入三价元素硼,硼原子与相邻的四个硅原子由于缺少一个价电子而产生一个空位，这个空位很容易被邻近共价键中的价电子填补。硼原子,得到一个电子成为负离子（在晶体中不能移动），失去价电子的共价键中出现一个空穴，每个硼原子都产生一个空穴，空穴数目大大增加，远远超过自由电子数。这种半导体主要依靠空穴导电，称为空穴型或P型半导体,11,P型半导体的特点：,空 穴 自由电子,多数载流子（简称多子）少数载流子（简称少子）,掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。,少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。,12,
5、3.PN结的形成,预备知识:,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。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，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层,PN结,40,13,多子扩散运动形成空间电荷区,由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向扩散的结果，交界面P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子，这样在交界面处出现由数量相等的正负离子组成的空间电荷区，并产生由N区
6、指向P区的内电场EIN。,PN结,14,内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移,多子扩散,空间电荷区加宽内电场EIN增强,少子漂移,促使,阻止,EIN,EIN,空间电荷区变窄内电场EIN削弱,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结,15,小结：PN结中同时存在多子的扩散运动和,少子的漂移运动，达到动态平衡时，扩散运动产生的扩散电流和漂移运动产生的漂移互相抵消，PN结中总的电流为零。,41,16,4.PN结的单向导电性,外加正向电压（也叫正向偏置）,外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结
7、处于“导通”状态。,17,4.PN结的单向导电性,外加反向电压（也叫反向偏置）,外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流 IR，因为是少子漂移运动产生的，IR很小，这时称PN结处于“截止”状态。,18,PN结伏安特性,a.外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态 b.正向电压大于“开启电压UON”后，i 随着 u 增大迅速上升。,Uon0.5V(硅)Uon0.1V(锗),P42,19,P42,c.外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向电流 IR 很小。d.反向电压大于“击穿电压U（BR）”时，反向电流 IR
8、 急剧增加。,20,2.1.2 二极管符号及主要参数,A阳极 K阴极,二极管主要参数：1.最大正向电流 IF 2.反向击穿电压U（BR）3.反向电流 IR 4.最高工作频率,21,2.1.3 二极管应用举例,二极管的伏安特性是一个非线性的曲线，在实际分析电路中，导通时管压降视为一个固定值：UD0.7V（硅）UD0.3V（锗）p42 或视为一个理想开关，即导通时视为“短路”，截止时视为“开路”。这就是电子线路中经常采用的近似估算法。p44,22,Ui周期性矩形脉冲,23,2.1.3 稳压管及其应用,稳压管正常工作时处于反向击穿状态。为了避免稳压管因过流而损坏，必须加限流电阻。,24,2.2 半导
9、体三极管,三极管的结构及工作原理,(a)管芯结构图(b)结构示意图(c)电路符号,三极管内部结构的特点：基区很薄，掺杂浓度最低.发射区掺杂浓度很高，远大于基区和集电区的掺杂浓度.发射区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结,NPN型三极管,b 基极,e 发射极,c 集电极,25,PNP型三极管,26,三极管电流的形成及分配,1.电流的形成 发射区向基区发射电子，形成发射极电流 IE 发射结正向偏置。,电子在基区复合形成基极电流 IB 由于基区很薄且空穴浓度很低，发射区电子进入基区后少数电子和基区空穴复合，绝大多数电子继续扩散到集电结附近。,集电结反向偏置，基区中扩散到
10、集电结附近的电子，在电场作用下漂移到集电区，形成集电极电流 IC。,27,三极管电流的形成及分配,1.电流的分配关系,发射区电子在基区每复合一个，就要向集电区供给个电子，这是三极管内固定不变的电流分配原则。,称为电流放大系数，值通常在20200之间,28,2.2.1 三极管的特性曲线,输入特性曲线输出特性曲线,P47倒3行,P48倒13行,29,uBE Uon(0.5V),IB=0,IC0,截止区,截止条件：uBE Uon(0.5V)特点：IB=0，IC0 c e 之间相当于断开的开关。,30,uBE Uon,放大区,uCE uBE,+,放大条件：uBE Uon uCE uBE 特点：IC=I
11、B，c e 之间相当于受控电流源。,P48,电流放大倍数,31,uBE Uon,饱和区,uCE uBE,+,饱和条件：uBE Uon uCE uBE 特点：IC IB，uCEUCES0.3V，c e 之间相当于闭合的开关。,32,饱和条件：uBE Uon uCE uBE 特点：IC IB，uCEUCES0.3V，c e 之间相当于闭合的开关。,截止条件：uBE Uon(0.5V)特点：IB=0，IC0 c e 之间相当于断开的开关。,截止和饱和两个状态通称为开关状态。,33,2.2.2 三极管的主要参数及应用,Ib,Ic,1 共发射极电流放大系数,=20-200,34,三极管的主要参数,2 击
12、穿电压 Ucbo,Uceo,Uebo,例如：Uebo=6V,Uebo,35,三极管的主要参数,Ib,Ic,3 最大电流ICM,最大功率PCM,Icm=600mA;PcM=625mW,设工作电流Ic=200mA Uce625/200=3V,36,例：P51,uI 周期性矩形脉冲,(1)uI=0 时,三极管截止，iB=0,iC=0,uO=UCiC RC=UC=12V(2)uI=5V 时，,37,例：P51,uI 周期性矩形脉冲,条件成立,假设三极管处于饱和状态,38,例：P51,39,PN结正向导通时，P区扩散到N区的空穴，边扩散，边复合逐渐减少，在N区内产生一定数量的空穴积累，形成梯度分布；同理
13、，N区的电子扩散到P区后，也将在P区内产生一定数量的电子积累。这些扩散到对方区域并积累的电子及空穴称为存储电荷。PN结正向导通时，PN结两侧出现的电子空穴积累的现象叫做电荷存储效应。,预备知识:,40,2.2.3 三极管的开关时间和极间电容,由于三极管内部电荷建立和消失均需一定的时间，截止和饱和两种状态的转换不可能瞬间完成。,延迟时间 td,上升时间 tr,开启时间 ton（几十到几百纳秒）,存储时间 ts,下降时间 tf,关闭时间 toff（几十到几百纳秒）,41,为TTL电路准备,输入电阻很大，而输出电阻很小 uOuI,特点：,2.2.4 共集电极电路,P54-55,42,2.3 MOS场
14、效应管,P型硅片作衬底，表面制作两个N型区，引出源极(s)和漏极(d)，覆盖一层SiO2，在漏源之间绝缘层上再制作一层金属铝，引出栅极(g)，衬底也引出一个电极B。,MOS场效应管是利用半导体表面的电场效应来控制输出电流的，输入端不需要供给电流,金属-氧化物-半导体场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor),43,uGS=0 时，漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性的电压，都不能导电。,uGS 为正时，产生一个电场，把P型衬底少子电子吸引到衬底表面，当uGS 增大到一定值UT时，电子在衬底表面形成一个N型层即N型导电沟道。,44,IG=0,ID=gmUG
15、S,小结：MOS管是一个受栅源电压uGS控制的器件 uGSUT时，D-S间无导电沟道，MOS管截止 uGSUT时，D-S间才会形成导电沟道，故称为N沟道增强型MOS管。uGS增大，导电沟道变宽。即改变uGS可以控制iD的大小。,45,n,p,p,注意PMOS管S D 电流从S流入，D流出,例：P61,参见表：P56,46,UGS(th)N:开启电压,转移特性,输出特性,uGSUGS(th)N，管子处于截止状态,D、S之间相当于断开的开关,uGS UGS(th)N，uDS较小。iD与uDS之间近似为线性关系，D、S之间相当于一个由uGS控制的可变电阻，uGS越大，曲线越陡，D、S之间的导通电阻越
16、小。,uGS UGS(th)N，uDS较大，iD取决于uGS，D、S之间相当于一个受控电流源。,47,转移特性,输出特性,在夹断区，管子处于截止状态,D、S之间相当于断开的开关。,在可变电阻区，D、S之间导通电阻rDS(ON)很小，约为几百欧姆。只要RD远大于这个导通电阻，漏源之间可以看作闭合的开关。,MOS管的开关特性,48,2.3.3 MOS场效应管的主要参数,开启电压UGS(th)N或UGS(th)P,输入电阻rGS,跨导gm,导通电阻rDS 也不是一个恒定值 在恒流区，rDS很大，在可变电阻区，导通电阻rDS很小，约为几百欧姆，用rDS(ON)表示。,极间电容CGS CGD CDS 影
17、响MOS管开关速度的主要因素。,常数,49,已知UGS(th)N=2.0V gm=1.3mAV rDS(ON)=875,(1)uI=0，管子截止，iD=0，uO=uDS=UCiD R1=UC=12V(2)uI=5V，管子工作在可变电阻区或恒流区 假设 uO=uDS=UCiD R1 0 可判断管子工作在可变电阻区 uO=uDS=UC rDS(ON)(rDS(ON)+R1)=0.9V,p60,50,已知UGS(th)P=2.0V gm=0.5mAV,(1)uI=0，uGS=uI UC=5V，管子导通，处于可变电阻区，uO=uR1=uDS+UC=5V(2)uI=5V，uGS=uI UC=0，管子截止,uO=uR1=0V,51,第四章P115：CMOS反向器,52,第二章 练习题 1，2，3，4，5(1)，6,
