第二章-半导体器件基础.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第2章 半导体器件基础,一 半导体基础知识,二 PN结与半导体二极管,三 半导体三极管,四 场效应管,1 半导体及其特点,在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。,半导体的特性：热敏性、光敏性、杂敏性。,典型的半导体是,硅,Si,和,锗,Ge，,它们都是4价元素,。,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为,价电子,。,一 半导体基础知识,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度,T=0K,时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为,自由电子,，,因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,2 本征半导体,本征半导体,化学成分纯净的半导体晶体。,这一现象称为,本征激发,，,也称,热激发,。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为,自由电子,。,自由电子,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为,空穴,。,可见本征激发同时产生电子空穴对。,外加能量越高（,温度越高），产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象,复合,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,常温,300K,时：,电子空穴对的浓度,硅：,锗：,自由电子,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,电子空穴对,自由电子 带负电荷 电子流,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,E,总电流,载流子,空穴 带正电荷 空穴流,本征半导体的导电性取决于外加能量：,温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,导电机制,3 N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子,自由电子,少数载流子,空穴,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,施主离子,自由电子,电子空穴对,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子,空穴,少数载流子,自由电子,P,型半导体,受主离子,空穴,电子空穴对,4,P,型半导体,杂质半导体的示意图,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,多子,电子,少子,空穴,P,型半导体,多子,空穴,少子,电子,少子浓度,与温度有关,多子浓度,与温度无关,内电场,E,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN,结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,1.PN,结的形成,二 PN结与半导体二极管,少子飘移,补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，,E,多子扩散,又失去多子，耗尽层宽，,E,内电场,E,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,动态平衡：,扩散电流 漂移电流,总电流,0,势垒,U,O,硅,0.5V,锗,0.1V,2 PN,结的单向导电性,(1),加正向电压（正偏）,电源正极接,P,区，负极接,N,区,外电场的方向与内电场方向相反。,外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子,扩散形成正向电流,I,F,正向电流,(2),加反向电压,电源正极接,N,区，负极接,P,区,外电场的方向与内电场方向相同。,外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流,I,R,P,N,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故,I,R,基本上与外加反压的大小无关，所以称为,反向饱和电流,。但,I,R,与温度有关。,PN,结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，,PN,结导通；,PN,结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，,PN,结截止。,由此可以得出结论：,PN,结具有单向导电性。,PN,结,的伏安特性曲线及表达式,根据理论推导，,PN,结的伏安特性曲线如图,正偏,I,F,（多子扩散）,I,R,（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿,烧坏,PN,结,电击穿,可逆,3 PN结的电容效应,当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即,PN,结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,(1)结电容,(2)扩散电容,当外加正向电压,不同时，,PN,结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程,。,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,极间电容（结电容）,4 半导体二极管的基本结构,二极管,=PN,结,+,管壳,+,引线,N,P,结构,符号,阳极,+,阴极,-,二极管按结构分三大类,：,(1),点接触型二极管,PN,结面积小，结电容小，,用于检波和变频等高频电路。,二极管按结构材料分两种：,硅二极管 锗二极管,(3),平面型二极管,用于集成电路制造工艺中。,PN,结面积可大可小，用,于高频整流和开关电路中。,(2),面接触型二极管,PN,结面积大，用,于工频大电流整流电路。,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,2AP9,用数字代表同类器件的不同规格。,代表器件的类型，,P,为普通管，,Z,为整流管，,K,为开关管。,代表器件的材料，,A,为,N,型,Ge,，,B,为,P,型,Ge,，,C,为,N,型,Si,，,D,为,P,型,Si,。,2,代表二极管，,3,代表三极管。,5,二极管的VA特性,硅：,0.5 V,锗：,0.1 V,(1),正向特性,导通压降,反向饱和电流,(2),反向特性,死区,电压,击穿电压,U,BR,实验曲线,u,E,i,V,mA,u,E,i,V,uA,锗,硅：,0.7 V,锗：,0.3V,6 二极管的主要参数,(1),最大整流电流,IF,二极管长期连续工,作时，允许通过二,极管的最大整流,电流的平均值。,(2)反向击穿电压,U,BR,二极管反向电流,急剧增加时对应的反向,电压值称为反向击穿,电压,U,BR,。,(3)最大,反向电流,I,R-,在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安,(nA),级；锗二极管在微安,(,A),级。,(4),最高工作频率-,当二极管的工作频率超过这个数值就失去单向导电性,。,7 二极管的等效电路及应用,D,U,考虑正向压降的等效电路,U,D,二极管的导通压降。硅管,0.7V,；锗管,0.3V,。,理想二极管等效电路,正偏,反偏,导通压降,二极管的,VA,特性,二极管的近似分析计算,I,R,10V,E,1k,I,R,10V,E,1k,例：,考虑正向压降的等效电路,测量值,9.32mA,相对误差,理想二极管等效电路,R,I,10V,E,1k,相对误差,0.7V,例：,二极管构成的限幅电路如图所示，,R,1k,，,U,REF,=2V，输入信号为,u,i,。,(1)若,u,i,为4V的直流信号，分别采用理想二极管等效电路、,考虑正向压降的等效电路,计算电流,I,和输出电压,u,o,解,：采用理想二极管等效电路分析,考虑正向压降的等效电路,分析,（2）如果,u,i,为幅度,4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管等效电路、,考虑正向压降的等效电路,分析电路并画出相应的输出电压波形。,解：,采用理想二极管等效电路分析。波形如图所示。,0,-4V,4V,u,i,t,2V,2V,u,o,t,0,2.7V,u,o,t,0,-4V,4V,u,i,t,2.7V,采用,考虑正向压降的等效电路,分析，波形如图所示。,稳压二极管,变容二极管,发光二极管,光电二极管,肖特基二极管,光电池,8 特种 二极管,光电池做成的便携式冰箱,半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管,（Bipolar Junction Transistor,简称BJT）,。,BJT是由两个PN结组成的。,三 半导体三极管,1 半导体三极管,的基本结构,NPN,型,PNP,型,符号:,三极管的结构特点:,（1）基区要制造得很薄且浓度很低。,（2）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。,（3）集电区面积大，以利于收集载流子,-,-,N,N,P,发射区,集电区,基区,发射结,集电结,e,c,b,发射极,集电极,基极,-,-,P,P,N,发射区,集电区,基区,发射结,集电结,e,c,b,发射极,集电极,基极,2 三极管的电流放大原理,（NPN管）,三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。,若在放大工作状态：,发射结正偏：,+,U,CE,U,BE,U,CB,集电结反偏：,由,V,BB,保证,由,V,CC,、,V,BB,保证,U,CB,=U,CE,-U,BE,0,共发射极接法,c,区,b,区,e,区,（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子，,形成了扩散电流,I,EN,。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为,I,EP,。,但其数量小，可忽略。所以发射极电流,I,E,I,EN,。,（,2,）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成,I,BN,。所以,基极电流,I,B,I,BN,。大部分到达了集电区的边缘。,BJT,内部的载流子传输过程,（,3,）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流,I,CN,。,另外，集电结区的少子形成漂移电流,I,CBO,。,3 三极管的特性曲线,(1)输入特性曲线,i,B,=,f,(,u,BE,),u,CE,=const,（,1,）,u,CE,=0V,时，相当于两个,PN,结并联。,（,3,）,u,CE,1V,再增加时，曲线右移很不明显。,（,2,）当,u,CE,=1V,时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一,u,BE,电压下，,i,B,减小。特性曲线将向右稍微移动一些。,死区电压,硅,0.5V,锗,0.1V,导通压降,硅,0.7V,锗,0.3V,(2),输出特性曲线,i,C,=,f,(,u,CE,),i,B,=const,现以,i,B,=60uA,一条加以说明。,（,1,）当,u,CE,=0,V,时，因集电极无收集作用，,i,C,=0,。,（,2,）,u,CE,I,c,。,（,3,）当,u,CE,1V,后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成,i,C,。所以,u,CE,再增加，,i,C,基本保持不变。,同理，可作出,i,B,=,其他值的曲线。,输出特性曲线可以分为三个区域,:,饱和区,i,C,受,u,CE,显著控制的区域，该区域内,u,CE,0.7,V,。,此时发射结正偏，集电结也正偏。,截止区,i,C,接近零的区域，相当,i,B,=0,的曲线的下方。,此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区,曲线基本平行等,距。此时，发,射结正偏，集电,结反偏。,该区中有：,饱和区,放大区,截止区,4 三极管的主要参数,（1）,电流放大系数,(V),CE,=20uA,(mA),B,=40uA,I,u,=0,=80uA,I,B,B,B,I,I,B,I,=100uA,C,B,I,=60uA,i,一般取,20200,之间,共发射极电流放大系数：,静态,动态,（2）极间反向电流,（b）集电极发射极间的穿透电流,I,CEO,基极开路时，集电极到发射极间的电流穿透电流。,其大小与温度有关。,（,a）集电极基极间反向饱和电流,I,CBO,发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。,它实际上就是,一个PN结的反向电流。,其大小与温度有关。,锗管：,I,CBO,为微安数量级，,硅管：,I,CBO,为纳安数量级。,+,+,I,CBO,e,c,b,I,CEO,（3）,极限参数,I,c,增加时，,要下降。当,值,下降到线性放大区,值的,70,时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流,I,CM,。,（a）集电极最大允许电流,I,CM,（b）集电极最大允许功率损耗,P,CM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗，,P,C,=,I,C,U,CE,P,CM,0V时，管子导通,2 N沟道耗尽型MOSFET,特点：,当,u,GS,=0时，就有沟道，加入,u,DS，,就有,i,D,。,当,u,GS,0时，沟道增宽，,i,D,进一步增加。,当,u,GS,0时，沟道变窄，,i,D,减小。,在栅极下方的SiO,2,层中掺入了大量的金属正离子。所以当,u,GS,=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。,3 P沟道耗尽型MOSFET,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。,四种绝缘栅场效应管的电路符号,本章小结,1半导体材料中有两种载流子：电子和空穴。电子带负电，空穴带正电。在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到N型半导体和P型半导体。,2采用一定的工艺措施，使P型和N型半导体结合在一起，就形成了PN结。PN结的基本特点是单向导电性。,3二极管是由一个PN结构成的。其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述。在研究二极管电路时，可根据不同情况，使用不同的二极管模型。,4BJT是由两个PN结构成的。工作时，有两种载流子参与导电，称为双极性晶体管。BJT是一种电流控制电流型的器件，改变基极电流就可以控制集电极电流。BJT的特性可用输入特性曲线和输出特性曲线来描述。其性能可以用一系列参数来表征。BJT有三个工作区：饱和区、放大器和截止区。,5FET分为JFET和MOSFET两种。工作时只有一种载流子参与导电，因此称为单极性晶体管。FET是一种电压控制电流型器件。改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。,习题,1 在半导体中掺入三价元素后的半导体称为（）,A 本征半导体 B P型半导体,C N型半导体 D 半导体,2少数载流子是空穴的半导体是（）,A 本征半导体中掺入三价元素，是P型半导体,B 本征半导体中掺入三价元素，是N型半导体,C 本征半导体中掺入五价元素，是N型半导体,D 本征半导体中掺入五价元素，是P型半导体,3 P型半导体多数载流子是带正电的空穴，所以P型半导体（）,A 带正电 B 带负电,C 没法确定 D 电中性,4 PN结加正向电压时，其正向电流是由（）的,A 多数载流子扩散而成,B 多数载流子漂移而成,C 少数载流子扩散而成,D 少数载流子漂移而成,5 如果PN 结反向电压的数值增大（小于击穿电压），则（）,A 阻挡层不变，反向电流基本不变,B 阻挡层变厚，反向电流基本不变,C 阻挡层变窄，反向电流增大,D 阻挡层变厚，反向电流减少,6 二极管的反向饱和电流在20摄氏度是5uA，温度每升高10摄氏度，其反向饱和电流值增大一倍，当温度为40摄氏度时，反向饱和电流值为（）,A 10uA B 15uA C 20uA D 40uA,