半导体基础知识课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,(1-,*,),电子技术,第一章,半导体器件,模拟电路部分,1,第一章 半导体器件,1.1,半导体的基本知识,1.2,PN,结及半导体二极管,1.3,特殊二极管,1.4,半导体三极管,1.5,场效应晶体管,2,1.1 半导体的基本知识,1.1.1,导体、半导体和绝缘体,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。,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。,半导体：,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为,半导体,，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,3,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。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能,力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使,它的导电能力明显改变。,4,1.1.2,本征半导体,一、本征半导体的结构特点,Ge,Si,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成,晶体,。,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。,5,本征半导体：,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成,共价键,，共用一对价电子。,硅和锗的晶体结构：,6,硅和锗的共价键结构,共价键共,用电子对,+4,+4,+4,+4,+4表示除去价电子后的原子,7,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为,束缚电子,，常温下束缚电子很难脱离共价键成为,自由电子,，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,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。,+4,+4,+4,+4,8,二、本征半导体的导电机理,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,），它的导电能力为,0,，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为,自由电子,，同时共价键上留下一个空位，称为,空穴,。,1.载流子、自由电子和空穴,9,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,束缚电子,10,2.本征半导体的导电机理,+4,+4,+4,+4,在其它力的作用下，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。,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,。,11,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，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,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。,12,1.1.3,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著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P,型半导体：,空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N,型半导体：,自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,13,一、N,型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为,施主原子,。,14,+4,+4,+5,+4,多余,电子,磷原子,N,型半导体中的载流子是什么？,1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为,多数载流子,（,多子,），空穴称为,少数载流子,（,少子,）。,15,二、,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），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的,半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为,受主原子,。,+4,+4,+3,+4,空穴,硼原子,P,型半导体中空穴是多子，电子是少子,。,16,三、杂质半导体的示意表示法,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,杂质,型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子,。近似认为多子与杂质浓度相等。,17,1.2,PN,结及半导体二极管,2.1.1,PN,结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造,P,型半导体和,N,型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了,PN,结。,18,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,漂移运动,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,空间电荷区，,也称耗尽层。,19,漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,20,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,空间电荷区,N,型区,P,型区,电位,V,V,0,21,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍,P,中的空穴、,N,区,中的电子（,都是多子,）向对方运动（,扩散运动,）。,3、,P,区中的电子和,N,区中的空穴（,都是少,），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,22,2.1.2,PN,结的单向导电性,PN,结,加上正向电压,、,正向偏置,的意思都是：,P,区加正、,N,区加负电压。,PN,结,加上反向电压,、,反向偏置,的意思都是：,P,区加负、,N,区加正电压。,23,+,+,+,+,R,E,一、,PN,结正向偏置,内电场,外电场,变薄,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,24,二、,PN,结反向偏置,+,+,+,+,内电场,外电场,变厚,N,P,+,_,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。,R,E,25,2.1.3,半导体二极管,一、基本结构,PN,结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,引线,外壳线,触丝线,基片,点接触型,PN,结,面接触型,P,N,二极管的电路符号：,26,二、伏安特性,U,I,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降:硅管,0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压,U,BR,27,三、主要参数,1.最大整流电流,I,OM,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,U,BR,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电压,U,WRM,一般是,U,BR,的一半。,28,3.反向电流,I,R,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。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,29,4.,微变电阻,r,D,i,D,u,D,I,D,U,D,Q,i,D,u,D,r,D,是二极管特性曲线上工作点,Q,附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，,r,D,是对,Q,附近的微小变化区域内的电阻。,30,5.,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,C,B,和,扩散电容,C,D,。,势垒电容：,势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是,势垒电容,。,扩散电容：,为了形成正向电流（扩散电流），注入,P,区的少子（电子）在,P,区有浓度差，越靠近,PN,结浓度越大，即在,P,区有电子的积累。同理，在,N,区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。,这样所产生的电容就是扩散电容,C,D,。,P,+,-,N,31,C,B,在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN,结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,r,d,32,二极管：,死区电压=0.5V，正向压降,0.7V(硅二极管),理想二极管：,死区电压=0，正向压降=0,R,L,u,i,u,o,u,i,u,o,t,t,二极管的应用举例1：,二极管半波整流,33,二极管的应用举例2：,t,t,t,u,i,u,R,u,o,R,R,L,u,i,u,R,u,o,34,1.3 特殊二极管,1.3.1,稳压二极管,U,I,I,Z,I,Zmax,U,Z,I,Z,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,+,-,U,Z,动态电阻：,r,z,越小，稳压性能越好。,35,（4）,稳定电流,I,Z,、,最大、最小稳定电流,I,zmax,、,I,zmin,。,（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压,U,Z,（2）电压温度系数,U,（,%/,）,稳压值受温度变化影响的的系数。,（3）动态电阻,36,稳压二极管的应用举例,u,o,i,Z,D,Z,R,i,L,i,u,i,R,L,稳压管的技术参数:,负载电阻,。,要求,当输入电压由正常值发生,20%波动时，负载电压基本不变。,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为,I,z,max,。,求：,电阻,R,和输入电压,u,i,的正常值。,方程1,37,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为,I,z,min,。,方程2,u,o,i,Z,D,Z,R,i,L,i,u,i,R,L,联立方程1、2，可解得：,38,1.3.2 光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,I,U,照度增加,39,1.3.3 发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,40,1.4 半导体三极管,1.4.1,基本结构,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,NPN,型,P,N,P,集电极,基极,发射极,B,C,E,PNP,型,41,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,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,42,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,发射结,集电结,43,1.4.2 电流放大原理,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,C,I,E,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,I,BE,进入,P,区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流,I,BE,，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流,I,E,。,44,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,C,I,E,集电结反偏，有少子形成的反向电流,I,CBO,。,I,CBO,I,C,=,I,CE,+,I,CBO,I,CE,I,BE,I,CE,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,I,CE,。,45,I,B,=,I,BE,-,I,CBO,I,BE,I,B,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,C,I,E,I,CBO,I,CE,I,C,=,I,CE,+,I,CBO,I,CE,I,BE,46,I,CE,与,I,BE,之比称为电流放大倍数,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,47,B,E,C,I,B,I,E,I,C,NPN,型三极管,B,E,C,I,B,I,E,I,C,PNP,型三极管,48,1.4.3,特性曲线,I,C,m,A,A,V,V,U,CE,U,BE,R,B,I,B,E,C,E,B,实验线路,49,一、,输入特性,U,CE,1V,I,B,(,A),U,BE,(V),20,40,60,80,0.4,0.8,工作压降：硅管,U,BE,0.60.7V,锗管,U,BE,0.20.3V。,U,CE,=0V,U,CE,=0.5V,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,50,二、,输出特性,I,C,(,m,A ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域满足,I,C,=,I,B,称为线性区（放大区）。,当,U,CE,大于一定的数值时，,I,C,只与,I,B,有关，,I,C,=,I,B,。,51,I,C,(,m,A ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域中,U,CE,U,BE,集电结正偏，,I,B,I,C,，,U,CE,0.3V称为饱和区。,52,I,C,(,m,A ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域中:,I,B,=0,I,C,=,I,CEO,U,BE,I,C,，,U,CE,0.3V,(3)截止区：,U,BE,死区电压，,I,B,=0，,I,C,=,I,CEO,0,54,例：,=50，,U,SC,=12V，,R,B,=70k，,R,C,=6k,当,U,SB,=,-2V,，2V，5V时，,晶体管的静态工作点,Q,位,于哪个区？,当,U,SB,=-2V时：,I,C,U,CE,I,B,U,SC,R,B,U,SB,C,B,E,R,C,U,BE,I,B,=0，,I,C,=,0,I,C,最大饱和电流：,Q,位于截止区,55,例：,=50，,U,SC,=12V，,R,B,=70k，,R,C,=6k,当,U,SB,=-2V，,2V,，5V时，,晶体管的静态工作点,Q,位,于哪个区？,I,C,I,c,max,(=2 mA),，,Q,位于饱和区。(实际上，此时,I,C,和,I,B,已不是,的关系）,57,三、主要参数,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射,直流电流放大倍数,：,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为,I,B,，,相应的集电极电流变化为,I,C,，则,交流电流放大倍数,为：,1.电流放大倍数,和,58,例：,U,CE,=6V,时：,I,B,=40,A,I,C,=1.5 mA；,I,B,=60 A,I,C,=2.3 mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：,=,59,2.,集-基极反向截止电流,I,CBO,A,I,CBO,I,CBO,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。,60,B,E,C,N,N,P,I,CBO,I,CEO,=,I,BE,+,I,CBO,I,BE,I,BE,I,CBO,进入,N,区，形成,I,BE,。,根据放大关系，由于,I,BE,的存在，必有电流,I,BE,。,集电结反偏有,I,CBO,3,.,集-射极反向截止电流,I,CEO,I,CEO,受温度影响很大，当温度上升时，,I,CEO,增加很快，所以,I,C,也相应增加。,三极管的温度特性较差,。,61,4.集电极最大电流,I,CM,集电极电流,I,C,上升会导致三极管的,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,I,CM,。,5.集-射极反向击穿电压,当集-射极之间的电压,U,CE,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,25,C,、,基极开路时的击穿电压,U,(BR)CEO,。,62,6.集电极最大允许功耗,P,CM,集电极电流,I,C,流过三极管，,所发出的焦耳,热为：,P,C,=,I,C,U,CE,必定导致结温,上升，所以,P,C,有限制。,P,C,P,CM,I,C,U,CE,I,C,U,CE,=,P,CM,I,CM,U,(BR)CEO,安全工作区,63,1.5 场效应晶体管,场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。,结型场效应管,JFET,绝缘栅型场效应管,MOS,场效应管有两种:,64,N,基底：N型半导体,P,P,两边是P区,G(栅极,),S源极,D漏极,一、结构,1.5.1 结型场效应管:,导电沟道,65,N,P,P,G,(栅极,),S,源极,D,漏极,N沟道结型场效应管,D,G,S,D,G,S,66,P,N,N,G,(栅极,),S,源极,D,漏极,P,沟道结型场效应管,D,G,S,D,G,S,67,二、工作原理（以,P,沟道为例）,U,DS,=0V时,P,G,S,D,U,DS,U,GS,N,N,N,N,I,D,PN,结反偏，,U,GS,越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。,68,P,G,S,D,U,DS,U,GS,N,N,I,D,U,DS,=0V时,N,N,U,GS,越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。,但当,U,GS,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。,69,P,G,S,D,U,DS,U,GS,N,N,U,DS,=0时,U,GS,达到一定值时（,夹断电压,V,P,）,耗尽区碰到一起，,DS,间被夹断，这时，即使,U,DS,0V，,漏极电流,I,D,=0A。,I,D,70,P,G,S,D,U,DS,U,GS,U,GS,0、,U,GD,V,P,时耗尽区的形状,N,N,越靠近漏端，,PN,结反压越大,I,D,71,P,G,S,D,U,DS,U,GS,U,GS,V,p,且,U,DS,较大时,U,GD,V,P,时耗尽区的形状,N,N,沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。,I,D,72,G,S,D,U,DS,U,GS,U,GS,V,p,U,GD,=,V,P,时,N,N,漏端的沟道被夹断，称为,予夹断。,U,DS,增大则被夹断区向下延伸。,I,D,73,G,S,D,U,DS,U,GS,U,GS,0,时,U,GS,足够大时（,U,GS,V,T,）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道。,感应出电子,V,T,称为阈值电压,85,U,GS,较小时，导电沟道相当于电阻将,D-S,连接起来，,U,GS,越大此电阻越小。,P,N,N,G,S,D,U,DS,U,GS,86,P,N,N,G,S,D,U,DS,U,GS,当,U,DS,不太大时，导电沟道在两个,N,区间是均匀的。,当,U,DS,较大时，靠近,D,区的导电沟道变窄。,87,P,N,N,G,S,D,U,DS,U,GS,夹断后，即使,U,DS,继续增加，,I,D,仍呈恒流特性,。,I,D,U,DS,增加，,U,GD,=,V,T,时，靠近,D,端的沟道被夹断，称为予夹断。,88,三、增强型,N,沟道,MOS,管的特性曲线,转移特性曲线,0,I,D,U,GS,V,T,89,输出特性曲线,I,D,U,DS,0,U,GS,0,90,四、耗尽型,N,沟道,MOS,管的特性曲线,耗尽型的,MOS,管,U,GS,=0,时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。,转移特性曲线,0,I,D,U,GS,V,T,91,输出特性曲线,I,D,U,DS,0,U,GS,=0,U,GS,0,92,电子技术,第一章,结束,模拟电路部分,93,