补充 半导体器件.ppt

单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,内容提要,半导体器件是组成各种电子电路,包括模拟电路和数字电路，集成电路和分立元件电路的基础。本章首先介绍半导体的特性，半导体中载流子的运动，阐明,PN,结的单向导电性，然后介绍半导体二极管、稳压管、半导体三极管及场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。,常用半导体器件,掌握器件要领10字令：,功能、结构、原理、曲线、参数,1.1.1,半导体的特性,一、定义,导电能力介于导体和绝缘体之间的物体称,半导体,。,如：硅（,Si,）、,锗（,Ge,）、,硒（,Se）,以及大多数金属氧化物和硫化物,二、特性,1.,温度,导电能力可做成各种热敏元件,2.,受光照,导电能力可做成各种光电器件,3.,掺入微量杂质,导电能力（几十万,几百万倍）可制做半导体器件。如半导体二极管、三极管、场效应及晶闸管等。,1.1,半导体基础知识,1.1.2,本征半导体,纯净的半导体，单晶结构，排列整齐,称为,本征半导体,。它是共价键结构。,本征半导体的共价键结构,硅原子,价电子,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,在常温下自由电子和空穴的形成,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,复合,成对出现,成对消失,自由电子和空穴称为载流子,载流子导电规律,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,外电场方向,空穴移动方向,电子移动方向,在外电场作用下，,电子,和,空穴,均能参与导电。这是半导体导电与导体导电最本质的区别。,价电子填补空穴,注意,本,征,半导体中载流子的浓度除与半导体材料本身的性质有关外，还与温度密切相关。半导体材料性能对温度的这种敏感性，,既可用来制造热敏和光敏器件，,又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。,1.1.3,杂质半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,一、,N,型半导体,磷原子,多余价电子,自由电子,正离子,通过扩散工艺，在本征半导体中掺入微量特定元素，便可形成,杂质半导体,。,在纯净的硅或锗晶体中掺入微量五价元素（如磷）所形成的杂质半导体称,N,型半导体,。,+4,+5,N,型半导体结构示意图,少数载流子,多数载流子,正离子,在,N,型半导中，自由电子是多数载流子,，,空穴是少数载流子。,二、,P,型半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,在纯净的硅或锗的晶体中掺入微量的三价元素（如硼）所形成的杂质半导体称,P,型半导体,。,+4,硼原子,填补空位,+4,+3,负离子,P,型半导体结构示意图,少数载流子,负离子,多数载流子,在,P,型半导中，空穴是多数载流子,，,自由电子是少数载流子。,注意,不论是,N,型半导体还是,P,型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，,但整个晶体仍然是不带电的，呈电中性。,通过掺入杂质来提高半导体的导电能力不是最终目的，因为导体的导电能力更强。杂质半导体的奇妙之处在于，掺入不同的性质、不同浓度的杂质，并使,P,型和,N,型半导体采用不同的方式结合，可以制造出用途各异的半导体器件。,P 区,N 区,1.2.1,PN,结的形成,扩散、漂移,采用不同的掺杂工艺，在同一块半导体单晶上形成,P,型半导体和,N,型半导体，在它们的交界面处就形成了一个,PN,结。,N,区的电子向,P,区扩散并与空穴复合,P,区的空穴向,N,区扩散并与电子复合,空间电荷区,内电场方向,1.2,PN,结,漂移,1.2.2,PN,结的单向导电性,内电场方向,E,外电场方向,R,I,P 区,N 区,外电场驱使,P,区的空穴进入空间,电荷区抵消一部分负空间电荷,N,区电子进入空间电荷区,抵消一部分正空间电荷,空间电荷区变窄,扩散运动增强，形,成较大的正向电流，此时,PN,结导通,一、外加正向电压（正向偏置）,P 区,N 区,内电场方向,E,R,空间电荷区变宽,外电场方向,I,R,二、外加反向电压（反向偏置）,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,少数载流子越过,PN,结形成很小的反向电流，此时,PN,结截止,多数载流子的扩散运动难于进行,结论,当,PN,结正向偏置时，,I,F,较大，,PN,结处于导通状态；,当,PN,结反向偏置时，反向电流,I,R,0，PN,结截止；,单向导电性,3.,反向电流,I,R,是由少数载流子产生的，对温度非常敏感,正极引线,触丝,N,型锗,支架,外壳,负极引线,一、点接触型二极管,1.3.1,二极管的结构和符号,PN结,PN,结的结面积小，不能通过较大的电流，但其结电容较小（一般在,1,pF,以下），工作频率可高达,100,MHZ,以上，因此适用于高频检波和小功率的高频整流电路。,1.,结构,2.,特点,1.3,半导体二极管,二、面接触型二极管,1.,结构,2.,特点,PN,结的结面积大，能够通过较大的电流，但其结电容大，因此只能在较低的频率下工作，一般仅用于整流电路,正极,负极,底座,金锑,合金,PN,结,三、平面型二极管,1.,结构,2.,特点,PN,结结面积,大的,可用于大功率整流，结面积,小的,可作为脉冲数字电路中的开关管。,正极引线,二氧化硅保护层,负极引线,P,型区,N,型硅,PN结,四、按材料划分二极管,五、符号,正极,负极,D,硅,管：,面接触型,一般为硅,锗,管：,点接触型,一般为锗管,1.3.2,二极管的伏安特性,600,400,200,0.1,0.2,0,0.4,0.8,50,100,I,D,/,mA,U,D,/V,硅管的伏安特性,反向特性,死区,I,S,正向特性,U,BR,I,D,/,mA,U,D,/V,0.4,0.8,40,80,2,4,6,0.1,0.2,锗管的伏安特性,反向特性,0,正向特性,U,on,i,D,=,f,（,u,D,）,i,D,+,u,D,D,死区电压（开启电压）,U,on,Si,管：,0.5,V,左右,Ge,管：,0.1,V,左右,导通电压,Si,管：,0.6,V0.8V,Ge,管：,0.2,V0.3V,注意,二极管的伏安特性受温度的影响。如当环境温度升高时，二极管的正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。,二极管方程,i,D,=,I,s,(e,/,1),u,D,U,T,U,T,：,温度的电压当量。常温下，即,T=300K（27,0,C）,时，,U,T,=26mV,。,在正向,段：当,u,D,U,T,时，,i,D,=,I,s,e,/,u,D,U,T,在,反向段：当,|,u,D,|,U,T,时，,i,D,I,S,1.3.3,二极管的主要参数,一.,最大整流电流,I,F,：,是二极管长期运行时允许通过的,最大,正向电流。,二.,最高反向工作电压,U,R,：,二极管工作时允许外加的,最大,反向电压。,器件的参数是其各方面性能的定量描述，它是设计、分析电路，选择器件的主要依据。各种器件的参数可由手册查得。,注意,二极管的正向平均电流不得超过此值，否则可能使管子,过热,而烧坏。,注意,二极管的反向电压不得超过此值，否则二极管可能因,过压,被击穿。,三.,反向电流,I,R,：,二极管未击穿时的反向电流。它愈小，二极管的单向导电性愈好。由于反向电流是由少数载流子形成的，所以其受温度的影响很大。,四.,最高工作频率,f,M,：,二极管工作的上限频率。,f,M,的值主要取决于,PN,结结电容的大小，结电容愈大，则,f,M,愈,低。,利用结电容,变容二极管,在,实际应用中，应根据管子所用场合，按其承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件选择满足要求的二极管。,二极管的,应用范围很广,它可用于整流、检波、函数发生器、波形整形、元件保护（限幅、钳位、隔离）以及在数字电路中作为开关元件。,例题,【例1】,下图中，已知,V,A,=3V,，,V,B,=0V,，,D,A,、,D,B,为锗管，求输出端,Y,的电位，并说明每个,二极管的,作用。,解：,D,A,优先导通，则,V,Y,=30.3=2.7V,D,A,导通后，,D,B,因反偏而截止，起隔离作用，,D,A,起钳位作用，将,Y,端的电位钳制在,+2.7,V,。,D,A,12V,Y,A,B,D,B,R,2.7V,3V,0V,【例2】,下图是,二极管,限幅电路，,D,为理想二极管，,E,=,3V,，,u,i,=,6 sin,t,V,，,试画出,u,o,及,u,D,的波形。,2,u,i,3V,时，,D,截止，,I,R,=0,，,u,O,=,u,i,u,D,=,u,O,3V,u,i,3V,时，,D,导通，,u,D,=0,，,u,O,=3V,u,i,/,V,t,6,3,0,2,解：,t,3,0,6,u,o,/,V,t,0,9,u,D,/,V,3,D,E,3V,R,u,i,u,o,u,R,u,D,I,R,1.3.4,二极管的等效电路,能够模拟二极管特性的电路称二极管,等效电路,，也称二极管的,等效模型,。,一、二极管的大信号模型,1.,理想二极管,(,导通时正向压降为零,截止时反向电流为零,),的等效模型,2.,二极管导通时正向压降为一常量,U,T,，,截止时反向电流为零的二极管的等效模型,0,i,D,u,D,i,D,u,D,0,U,T,U,on,3.,二极管导通且正向压降,u,D,大于,U,T,后,其电流,i,D,与,u,D,成,线性关系（直线斜率为,1/,r,D,），,截止时反向电流为零的等效模型,i,D,u,D,0,U,T,以上三个等效电路中,1,的误差最大，,3,的误差最小，一般情况下多采用,2,所示的等效电路。,U,T,r,D,二、二极管的小信号模型（微变等效电路）,二极管外加直流正向电压时，将有一电流，则反映在其伏安特性曲线上的点为,Q,（,Q,点称为静态工作点）。,若在,Q,点基础上外加微小的变化量，则可用以,Q,点为切点的直线来近似微小变化时的曲线，即可将二极管等效成一个线性器件，用动态电阻,r,D,来表示，且,r,D,=,u,D,/,i,D,。,u,D,i,D,r,D,i,D,u,D,i,D,0,I,D,U,D,Q,u,D,稳压管实质上是一种,特殊的面接触型半导体硅二极管,。它工作于,反向击穿区,，在一定的电流范围内，端电压几乎不变，所以这段特性可以用来稳压，因而广泛用于稳压电源与限幅电路。,商品化稳压管的稳定电压数值范围很宽，可以从,2200,V，,其额定功率从几瓦 数十瓦。,1.4,稳压管二极管,稳压管按其击穿方式分为齐纳击穿和雪崩击穿。前者掺杂浓度高，稳压值低（小于,4,V）；,而后者掺杂浓度低，稳压值高（大于,7,V）。,1.4.1,稳压管的伏安特性,I,Z,/,mA,U,Z,/V,0,正向特性,穿区,特性,U,Z,I,Zmin,I,Zmax,伏安特性,D,Z,正极,负极,符号,D,1,D,2,U,Z,r,d,等效电路,反向,特性,1.4.2,稳压管的主要参数,一.,稳定电压,U,Z,：,是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。,U,Z,具有一定的离散性。,二.,稳定电流,I,Z,：,保证管子进入反向击穿区的电流。,I,Z,=,I,Zmin,I,Zmax,只要不超过管子的额定功率，电流愈大，稳压效果愈好。,I,Z,U,Z,I,Z,/,mA,U,Z,/V,0,U,Z,I,Zmin,I,Zmax,四.,动态电阻,r,Z,：,r,Z,=,I,Z,U,Z,三.,最大允许耗散功率,P,Z,M,：,P,ZM,=,U,Z,I,Zmax,通过上式可求出,I,zmax,。,稳压管的功耗超过,P,ZM,时，,会因,结温升高,而烧坏。,由上式可,看出，,r,Z,愈小，管子的稳压性能愈好,。,五.,电压温度系数,：,=,U,Z,T,上,式,表明,为温度每变化,1,0,C,稳压值的变化量。稳定电压小于,4,V,的管子具有负温度系数，即温度升高时,U,Z,下降；稳定电压大于,7,V,的管子具有正温度系数，即温度升高时,U,Z,上升；而稳定电压介于,47,V,之间的管子温度系数非常小，近似为零。,1.5,特殊二极管,1、双向稳压管,2、恒流二极管,3、触发二极管,4、肖特基二极管,5、快恢复二极管,超快恢复二极管,6、瞬态吸收二极管,7、发光,/,光电二极管,8、红外二极管（收,/,发）,9、激光二极管（收,/,发）,10、变容二极管,1.6,半导体三极管,（双极型晶体管）,1.6.1,三极管的结构分类和符号,一、分类,按,结构划分,NPN,型,按,材料划分,硅,管,按,功率划分,大功率管,按,频率划分,高频管,按,用途划分,放大管,PNP,型,锗管,小功率管,低频管,开关管,二、,NPN,型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极,C,基极,B,发射极,E,N,N,P,2.,符号,E,C,B,T,1.,结构,三、,PNP,型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极,C,发射极,E,基极,B,N,N,P,P,N,C,B,E,T,1.,结构,2.,符号,E,C,B,T,三极管内部结构特点,（,1,）基区很薄（几,m,几十,m,）,且载流子浓度很低，形成两个靠得很近的,PN,结,以利于电子的,渡越,（2,）发射区掺杂浓度很高,以利于,发射,电子,（3,）集电结的面积很大,以利于,收集,电子,结构图,N,N,P,c,e b,1.6.2,三极管的三种接法,一、,共发射极接法,二、,共集电极接法,三、,共基极接法,u,i,u,o,u,i,u,o,u,i,u,o,不同的接法具有不同的电路特性，但管子的工作原理都是相同的。,1.6.3,三极管的电流放大（控制）作用,以,NPN,管共发射极接法为例，来说明电流放大的概念。,一、电流放大的概念,V,CC,R,C,I,C,U,CE,C,E,B,U,BE,输出,回路,输入,回路,公共端,V,BB,R,B,I,B,I,E,T,V,CC,V,BB,调节,R,B,，,观察,I,B,、I,C,及,I,E,的变化。,结论,（2）,I,C,、I,E,比,I,B,大得多。,（3）,I,B,很小的变化可因起,I,C,很大的变化，即,I,C,受,I,B,控制,这就是三极管的电流控制作用。,二、管内载流子的运动,发射区向基区,扩散电子,I,E,I,B,电子在基区,扩散与复合,集电区收集电子,电子流向电源正极形成,I,C,I,C,N,P,N,电源负极向发射,区补充电子形成,发射极电流,I,E,V,BB,正极拉走电,子，补充被复,合的空穴，形,成,I,B,V,CC,R,C,V,BB,R,B,I,CBO,综上所述，三极管具有电流控制作用的外部条件,:,（1,）发射结正向偏置；,（2,）集电结反向偏置。,对于,NPN,型三极管应满足,:,U,BE,0,U,BC,V,B,V,E,对于,PNP,型三极管应满足,:,U,EB,0,U,CB,0,即,V,C,V,B,U,GS(,th,),N,型导电沟道,N,+,N,+,U,GS,3.,特性曲线,4,3,2,1,0,5,10,15,U,GS,=,5V,6V,4V,3V,2V,I,D,/,mA,U,DS,=10V,增强型,NMOS,管的特性曲线,0,1,2,3,饱和区,击穿区,可变电阻区,2,4,5,U,GS,/,V,U,G,s,(,th,),输出特性,转移特性,U,DS,/,V,I,D,/,mA,I,D,=I,DO,(,1),2,U,GS,U,GS(,th,),夹断区,I,DO,二、耗尽型绝缘栅场效应管（以,N,沟道为例）,1.,结构特点和工作原理,符号,结构示意图,P,型硅衬底,源极,S,漏极,D,栅极,G,衬底引线,B,耗尽层,N,+,N,+,正离子,N,型沟道,SiO,2,制造时，在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。,D,B,S,G,N,沟道,D,B,S,G,P,沟道,2.,特性曲线,4,3,2,1,0,4,8,12,U,GS,=,1V,2V,3V,输出特性,转移特性,耗尽型,NMOS,管的特性曲线,1,2,3,0V,1,0,1,1,2,3,U,GS,/,V,U,G,s,(off),U,DS,/,V,U,DS,=8V,I,D,/,mA,I,D,/,mA,I,DSS,U,GS(off),U,GS,I,D,=I,DSS,(1,),2,三、四种,MOS,管,的特性曲线,O,U,GS,I,D,U,T,N,沟道,O,U,GS,I,D,U,T,P,沟道,O,U,GS,I,D,U,OFF,P,沟道,O,U,GS,I,D,U,OFF,N,沟道,增强型,耗尽型,1.7.4,场效应管的主要参数,在,U,DS,=0,时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。,一、,开启电压,U,GS(,th,),在一定的,U,DS,下，,开始出现漏极电流所需的栅源电压。它是增强型,MOS,管的参数，,NMOS,U,GS(,th,),为正，,PMOS,U,GS(,th,),为负。,二、,夹断电压,U,GS(off),在一定的,U,DS,下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。它是耗尽型,MOS,管的参数，,NMOS,U,GS(off),是负值，,PMOS,U,GS(off),是正值。,三、直流输入电阻,R,GS,另外，漏源极间的击穿电压,U,(BR)DS,、,栅源极间的击,穿电压,U,(BR)GS,以及漏极最大耗散功率,P,DM,是管子的,极限,参数,，使用时不可超过。,g,m,=,I,D,/U,GS,U,DS,=,常数,跨导,g,m,是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。,四、,低频跨导,g,m,U,DS,为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的,栅源电压的微变量之比称为跨导,即,