半导体器件3课时.pptx

9-1 PN结结及半导体二极管及半导体二极管9-3 晶体管晶体管9-4 场效应管场效应管9-2 特殊二极管特殊二极管 一、一、半导体材料半导体材料 元素半导体材料有元素半导体材料有硅硅Si和和锗锗Ge等等,它们都是它们都是4 4价元素价元素.化合物半导体由化合物半导体由大大多数金属氧化物、硫化物多数金属氧化物、硫化物及及砷化物组成砷化物组成等。等。导电特点导电特点:1、其能力容易受温度、光照等环境因素影响、其能力容易受温度、光照等环境因素影响2、在纯净的半导体中掺入微量杂质可以显著提高导电能力、在纯净的半导体中掺入微量杂质可以显著提高导电能力 二、二、半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅原子硅原子锗原子锗原子硅硅和和锗锗最最外外层层轨轨道道上上的的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。概述概述 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子 在绝对温度在绝对温度T=0K和和没有外界激发时，所有的没有外界激发时，所有的价电子价电子都被共价键紧紧束都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为缚在共价键中，不会成为自由电子自由电子，因此本征半导因此本征半导体的导电能力很弱，接近体的导电能力很弱，接近绝缘体。绝缘体。1 1、本本征征半半导导体体化化学学成成分分纯纯净净的的半半导导体体,它它在在物物理理结结构构上上呈呈单单晶晶体体形形态态。制制做做半半导导体体器器件件的的半半导导体体材材料料的的纯纯度度要要达达到到99.9999999%，常常称称为为“九个九个9”。三、三、本征半导体本征半导体2、本征激发、本征激发-在室温下，价电子就会获得足够的随机热振动在室温下，价电子就会获得足够的随机热振动能量能量 而挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象。而挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象。空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位。看作是带正电的粒看作是带正电的粒 子，所带电量与电子，所带电量与电 子相等，符号相反子相等，符号相反由于热激发而产由于热激发而产生的自由电子生的自由电子自由电子移走后自由电子移走后留下的空穴留下的空穴本征半导体内，自由电子和本征半导体内，自由电子和空穴总是空穴总是成对出现成对出现，因此自，因此自由电子和空穴数相等，整个由电子和空穴数相等，整个晶体仍晶体仍呈电中性呈电中性。AVI0/1-1.AVI自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流3、空穴的移动、空穴的移动空穴的移动是靠相邻共价键中的价电子在外加电场或空穴的移动是靠相邻共价键中的价电子在外加电场或 其他能源的作用下依次填补空穴来实现的。其他能源的作用下依次填补空穴来实现的。空穴的移动方向和自由电子的移动方向相反。空穴和自由电子的移动空穴的移动方向和自由电子的移动方向相反。空穴和自由电子的移动形成电流，两者均是形成电流，两者均是载流子载流子。导电机理导电机理*半导体导电特点半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响：其能力容易受温度、光照等环境因素影响 温度温度载流子载流子浓度浓度导电能力导电能力AVI0/1-2.AVI 杂质半导体杂质半导体-在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体。在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体。1 1、N N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入五价杂质元素五价杂质元素，例如磷，砷等，称为，例如磷，砷等，称为N N型半导体。型半导体。四、四、杂质半导体杂质半导体硅原子硅原子多余电子多余电子磷原子磷原子+N型半导体电子空穴对电子空穴对自由电子自由电子施主离子施主离子多数载流子多数载流子多数载流子多数载流子自由电子自由电子自由电子自由电子少数载流子少数载流子少数载流子少数载流子 空穴空穴空穴空穴 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入三价杂质元素三价杂质元素，如硼、镓等，称为，如硼、镓等，称为P型半导体。型半导体。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子多数载流子多数载流子多数载流子多数载流子 空穴空穴空穴空穴少数载流子少数载流子少数载流子少数载流子自由电子自由电子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2 2、P P型半导体型半导体 一、一、PN结的形成结的形成1 1、浓度差、浓度差多子的多子的扩散扩散运动运动2 2、扩散扩散空间电荷区空间电荷区内电场内电场3 3、内电场、内电场少子的少子的漂移漂移运动运动 阻止阻止多子的多子的扩散扩散4 4、扩散与漂移达到动态平衡、扩散与漂移达到动态平衡载流子的载流子的运动：运动：扩散扩散运动运动浓度差产生的载流子移动浓度差产生的载流子移动漂移漂移运动运动在电场作用下，载流子的移动在电场作用下，载流子的移动P区区N区区扩散：空穴扩散：空穴电子电子漂移：电子漂移：电子空穴空穴形成过程可分成形成过程可分成4步步：内电场内电场9-1 PN结结及半导体二极管及半导体二极管AVI0/1-3.AVIPNPN结形成的物理过程：结形成的物理过程：因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层型半导体结合面，离子薄层形成的形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层耗尽层。扩散扩散 漂移漂移否否是是宽宽二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性只有在外加电压时才只有在外加电压时才 扩散与漂移的动态平衡将扩散与漂移的动态平衡将定义：定义：加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏加加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏 扩散扩散 漂移漂移 大的正向扩散电流（多子）大的正向扩散电流（多子）低电阻低电阻 正向导通正向导通 漂移漂移 扩散扩散 很小的反向漂移电流（少子）很小的反向漂移电流（少子）高电阻高电阻 反向截止反向截止AVI0/1-4.AVIAVI0/1-5.AVIPN结的伏安特性结的伏安特性1、PN结的伏安特性结的伏安特性特性平坦特性平坦反向截止反向截止 一一定的温度条件下，由本征激发决定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的定的少子浓度是一定的陡峭陡峭电阻小正电阻小正向导通向导通非线性非线性 2 2、PNPN结的反向击穿结的反向击穿 当当PN结的反向电压增加到一定数值时，结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为反向电流突然快速增加，此现象称为PN结结的的反向击穿。反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆三、半导体二极管三、半导体二极管半导体二极管图片半导体二极管图片 1、半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平点接触型、面接触型和平面型面型三大类。三大类。(1)点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电结面积小，结电容小，用于检波和变频等容小，用于检波和变频等高频电路。高频电路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图(3)平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造往往用于集成电路制造艺中。艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型(4)二极管的代表符号二极管的代表符号 2、二极管的伏安特性二极管的伏安特性硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V-I I 特性特性锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V-I I 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性Vth=0.5V（硅管）（硅管）Vth=0.1V（锗管）（锗管）注意：注意：1、死区电压（门坎电压）、死区电压（门坎电压）3、反向饱和电流、反向饱和电流硅管：硅管：0.1 A；锗管：；锗管：10 A 2、正向压降、正向压降 硅管硅管VD：0.60.8 V（常取（常取0.7V）锗管锗管VD：0.20.3V （常取（常取0.2V）3、二极管的参数二极管的参数(1)最大整流电流最大整流电流IF(2)反向击穿电压反向击穿电压VBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VRM(3)反向电流反向电流I IR R(4)正向压降正向压降VF(5)极间电容极间电容CB硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V-I I 特性特性4 4、二极管基本电路及其分析方法、二极管基本电路及其分析方法（1）二极管正向二极管正向V-I 特性的建模特性的建模 1.理想模型理想模型 2.恒压降模型恒压降模型正偏管压降为正偏管压降为0，反，反偏时电流为偏时电流为0 VD=0.7V（硅）（硅）VD=0.2V（锗）（锗）例例1：电路如图所示，判断：电路如图所示，判断D的状态的状态.(用理想模型用理想模型)解：解：则：接则：接D阳极的电位为阳极的电位为-6V，接接D阴极的电位为阴极的电位为-12V。导通后，导通后，D的压降等于零（理想二极管），视为导线的压降等于零（理想二极管），视为导线 所以，所以，AO的电压为的电压为-6V。以以O为基准电位，既为基准电位，既O点为点为0V。VD=-6V-(-12V)=6V 0 D正向导通正向导通0V-12V-6V先断开先断开D，求二极管端电压，求二极管端电压（2）模型分析法应用举例）模型分析法应用举例例例2 2：整流电路：将交流电压变换为单极性电压。：整流电路：将交流电压变换为单极性电压。例例3 3：限幅电路（削波电路）限幅电路（削波电路）例例4 4：钳位、隔离电路（数字电路中的开关电路）钳位、隔离电路（数字电路中的开关电路）D2优先导通，使得优先导通，使得C点电位为点电位为0V，此时，此时D1的阴极电位的阴极电位为为1V，阳极电位为，阳极电位为0V，处于反向截止（反向偏置）。故，处于反向截止（反向偏置）。故输出为输出为0V。9-2 特殊二极管特殊二极管 一、一、稳压二极管（齐纳）稳压二极管（齐纳）二、二、变容二极管变容二极管 三、三、光电子器件光电子器件1.光电二极管光电二极管2.发光二极管发光二极管3.激光二极管激光二极管反向击穿状态反向击穿状态反向截止，利用势垒电容反向截止，利用势垒电容反向截止，少子漂移电流反向截止，少子漂移电流特殊材料，正向导通发光特殊材料，正向导通发光一、稳压二极管一、稳压二极管1、符号及稳压特性、符号及稳压特性(a)符号符号(b)伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态（齐纳击穿）。压时工作在反向电击穿状态（齐纳击穿）。(1)稳定电压稳定电压VZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向在规定的稳压管反向工作电流工作电流IZ下，所对应的下，所对应的反向工作电压。反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ2、稳压二极管主要参数、稳压二极管主要参数3、稳压电路、稳压电路正常稳压时正常稳压时 VO=VZ#稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？IZmin IZ IZmax#不加不加不加不加R R可以吗？可以吗？可以吗？可以吗？R RL L I IOO I IR R V VOO I IZ Z I IR R V VOO endV VI I V VOO I IZ Z I IR R V VOO 一、一、BJT的结构简介的结构简介基区基区发射区发射区集电区集电区 发射极发射极Emitter集电极集电极Collector 基极基极Base1、结构和符号、结构和符号发射结发射结(Je)集电结集电结(Jc)PNPNPN发射载流子发射载流子(电子电子)收集载流子收集载流子(电子电子)传送载流子（电子）；传送载流子（电子）；复合部分电子，控制复合部分电子，控制传送比例传送比例由结构展开联想由结构展开联想2、工作原理、工作原理3、实现条件、实现条件外部条件外部条件内部条件内部条件 结构特点：结构特点：Je正偏正偏Jc反偏反偏 掺杂浓度最高掺杂浓度最高 面积较小面积较小掺杂浓度低于发射区掺杂浓度低于发射区 面积较大面积较大掺杂浓度远低于发射区掺杂浓度远低于发射区 且很薄且很薄9-3晶体管（半导体三极管）晶体管（半导体三极管）二、二、BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理1、内部载流子的传输过程、内部载流子的传输过程 扩散到基区的自由电子中的扩散到基区的自由电子中的极少部分与空穴复合，在电源极少部分与空穴复合，在电源VBB的作用下，电子与空穴的复合运的作用下，电子与空穴的复合运动将源源不断地进行，形成基极动将源源不断地进行，形成基极电流电流 IB。Jc加反向电压，使加反向电压，使扩散到基区的自由电子中的大部分做漂移运动，越过扩散到基区的自由电子中的大部分做漂移运动，越过Jc到达集电区，形成电流到达集电区，形成电流ICN。同时，基区与集电区的少子做。同时，基区与集电区的少子做漂移运动形成漂移运动形成集电极集电极-基极反向饱和电流基极反向饱和电流ICBO。ICN+ICBO=IC（集电极电流（集电极电流）ICN Je加正向电压，扩散运动形加正向电压，扩散运动形成电子电流成电子电流 IEN和空穴电流和空穴电流IEP。IEN+IEP=IE（发射极电流（发射极电流）IE IEN。三极管的放大作用三极管的放大作用是通过载流子传输体现是通过载流子传输体现出来的。出来的。v本质：本质：电流分配关系电流分配关系v外部条件：外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。2、电流分配关系、电流分配关系根据传输过程可知根据传输过程可知IE=IB+IC(1)IC=ICN+ICBO(2)IB=IB-ICBO(3)定义定义通常通常 IC ICBO则有则有所以所以 为共基极电流放大系数，为共基极电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，度有关，与外加电压无关与外加电压无关。一般。一般 =0.9 0.99硅：硅：0.1 A；锗：；锗：10 AIB=(1 1-)IE3、三极管（放大电路）的三种组态、三极管（放大电路）的三种组态共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示表示;共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CB表示。表示。共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CE表示；表示；如何判断组态？如何判断组态？外部条件：外部条件：发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏vCE=0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(vBE)vCE=const(2)当当vCE1V时，时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收，集电结已进入反偏状态，开始收 集电子，基区复合减少，同样的集电子，基区复合减少，同样的vBE下下 IB减小，特性曲线右移。减小，特性曲线右移。vCE=0V vCE 1V(1)当当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1、输入特性曲线、输入特性曲线三、三、BJT的特性曲线的特性曲线（以共射极放大电路为例）（以共射极放大电路为例）iC=f(vCE)iB=const2 2、输出特性曲线、输出特性曲线饱和区：饱和区：iC明显受明显受vCE控控制的区域，该区域内，制的区域，该区域内，一般一般vCE0.7V(硅管硅管)。此时，此时，发射结正偏，集发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很电结正偏或反偏电压很小小。iC=f(vCE)iB=const2 2、输出特性曲线、输出特性曲线输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域:截止区：截止区：iC接近零的接近零的区域，相当区域，相当iB=0的曲的曲线的下方。此时，线的下方。此时，vBE小于死区电压小于死区电压。放大区：放大区：iC平行于平行于vCE轴的轴的区域，曲线基本平行等距。区域，曲线基本平行等距。此时，此时，发射结正偏，集电发射结正偏，集电结反偏结反偏。非线性失真与线性范围非线性失真与线性范围饱和失真饱和失真截止失真截止失真当工作点达到了饱和区而引起的非线性失真。当工作点达到了饱和区而引起的非线性失真。NPN管管输出电压为底部失真输出电压为底部失真当工作点达到了截止区而引起的非线性失真。当工作点达到了截止区而引起的非线性失真。NPN管管输出电压为顶部失真。输出电压为顶部失真。饱和区特点：饱和区特点：iC不再随不再随iB的增加而线性增加，即的增加而线性增加，即此时此时 ，vCE=VCES（饱和压降）饱和压降），典型值为：硅管取典型值为：硅管取0.3V，锗管取锗管取0.1V截止区特点：截止区特点：iB=0，iC=ICEO 0非线性失真非线性失真注意：对于注意：对于PNP管，失真的表现形式，与管，失真的表现形式，与NPN管正好相反。管正好相反。发射结正偏发射结正偏发射结正偏发射结正偏 集电结正偏集电结正偏集电结正偏集电结正偏发射结反偏发射结反偏发射结反偏发射结反偏线性范围（动态范围）线性范围（动态范围）线性范围线性范围 用用最大不失真输出幅度最大不失真输出幅度Vom来衡量来衡量Q点偏高点偏高 易出现饱和失真，易出现饱和失真，Vom为为Q点到饱和区边沿的距离点到饱和区边沿的距离Q点偏低点偏低 易出现截止失真，易出现截止失真，Vom为为Q点到截止区边沿的距离点到截止区边沿的距离四、四、BJT的主要参数的主要参数交流参数交流参数直流参数直流参数极限参数极限参数结电容结电容 Cbc、Cbe 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PCM反向击穿电压反向击穿电压极间反向电流极间反向电流ICBO、ICEO交流电流放大系数交流电流放大系数 、直流电流放大系数直流电流放大系数 、特征频率特征频率fTFET分类：分类：金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体场效应管场效应管结型场效应管结型场效应管增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道P沟道沟道9-4 场效应管场效应管一、结型场效应管一、结型场效应管 1 1、结构、结构 三个电极：三个电极：g 栅极栅极 d 漏极漏极 s 源极源极 导电沟道：导电沟道：两个两个PN结中结中 间的区域间的区域 符号：符号：N沟道沟道P沟道沟道二、金属二、金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管 Metal Oxide Semiconductor FET，简称，简称MOSFET。也称作也称作绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管（1）结构）结构 漏极漏极d，源极，源极S，栅极，栅极g和和 衬底衬底b。符号：符号：1 1、N沟道增强型沟道增强型MOSFET 2 2、N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET特点：特点：当当vGS=0时，就有沟道，时，就有沟道，加入加入vDS，就有就有iD。当当vGS0时，沟道增宽，时，沟道增宽，iD进一步增加。进一步增加。当当vGS0时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD减小。减小。在栅极下方的在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当层中掺入了大量的金属正离子。所以当vGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。MOS场效应管电路符号场效应管电路符号 三、场效应管的特点三、场效应管的特点1、场效应管是一种电压控制器件场效应管是一种电压控制器件,通过通过vGS来控制来控制iD。2、场场效效应应管管输输入入端端几几乎乎没没有有电电流流,所所以以其其直直流流输输入入电电阻阻和和交交流流输入电阻都非常高。输入电阻都非常高。3、由由于于场场效效应应管管是是利利用用多多数数载载流流子子导导电电的的,因因此此,与与双双极极性性三三极极管管相相比比,具具有有噪噪声声小小、受受幅幅射射的的影影响响小小、热热稳稳定定性性较较好好而而且存在零温度系数工作点等特性。且存在零温度系数工作点等特性。4、由由于于场场效效应应管管的的结结构构对对称称,有有时时漏漏极极和和源源极极可可以以互互换换使使用用,而各项指标基本上不受影响而各项指标基本上不受影响,因此应用时比较方便、因此应用时比较方便、灵活。灵活。5、场效应管的制造工艺简单、场效应管的制造工艺简单,有利于大规模集成。有利于大规模集成。