第6章-半导体器件ppt课件(全).ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,化学工业出版社,第6章 半导体器件,学习要点,半导体的基础知识,半导体二极管,半导体三极管,场效应管,物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。,半导体的特点：,在晶体结构的半导体材料中，通过掺杂方法可以控制其导电性能，具有光敏、热敏等特性，这些特性使半导体材料成为各种电子器件的基础。,6.1 半导体基础知识,6.1.1 半导体的特点,半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚成为自由电子，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧，因此，半导体的导电特性介于二者之间。常用的半导体材料是硅、锗和砷化镓等。,完全纯净的、结构完整的晶体半导体，称为,本征半导体,。,在晶体结构中，原子排列具有有序性，相邻两个原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子，它们一方面围绕自身的原子核运动，另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用，同时还受到相邻原子核的吸引。于是，两个相邻的原子共有一对价电子，组成,共价键,结构。,共价键中的价电子受共价键的束缚。在室温或光照下，由于热运动，少数价电子可以获得足够的能量摆脱共价键的束缚而成为,自由电子,，同时必然在共价键中留下空位，称为,空穴,，这种空穴带正电,。,6.1.2 本征半导体,图6-1 本征半导体结构示意图,图6-2 本征半导体中的载流子,共价键,自由电子,空穴,半导体中存在着两种载流子：自由电子和空穴。本征半导体中，自由电子与空穴是同时成对产生的，因此，它们的浓度是相等的。,在本征半导体中，掺入微量五价元素，如磷、锑、砷等，可形成,N型半导体,。,由于五价杂质原子可提供自由电子，故称为施主原子。N型半导体中，自由电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。,6.1.3 杂质半导体,1.N型半导体,自由电子,施主原子,在本征半导体中，掺入微量三价元素，如硼、镓、铟等，可形成,P型半导体,。,由于三价杂质原子容易吸收电子，故称为受主原子。P型半导体中，空穴称为多数载流子，自由电子称为少数载流子。,2.P型半导体,受主原子,空穴,同一个半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，在它们的界面处形成PN结，PN结具有单向导电性。,1.PN结的形成,6.1.4 PN结,当P型半导体和N型半导体制作在一起时，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。由于扩散运动，N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子，在P区和N区的接触面就产生正负离子层，称为,空间电荷区,。,当多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动达到动态平衡时，形成稳定的空间电荷区，即形成,PN结,。,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场E,漂移运动,PN,结的形成,空间电荷区,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场E,漂移运动,PN,结的形成,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。,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场E,漂移运动,PN,结的形成,扩散和漂移达到动态平衡时空间电荷区稳定,2.PN结的单向导电性,PN结正向偏置时，外加电场与内电场方向相反，当外电场大于内电场时，外加电场抵消内电场，使空间电荷区变窄，有利于多数载流子运动，形成正向电流I。外加电场越强，正向电流I越大，这意味着PN结的正向电阻变小，PN结处于,导通,状态。,给PN结加正向电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，此时称PN结为正向偏置。,1）PN结的正向导通特性,给PN结加反向电压，即电源正极接N区，负极接P区，称PN结反向偏置这时外加电场与内电场方向相同，使内电场的作用增强,，PN结变厚，多数载流子运动难于进行，有助于少数载流子运动，形成电流IS，少数载流子很少，所以电流很小，接近于零，即PN结反向电阻很大，PN结处于,截止,状态。,给PN结加反向电压，即电源正极接N区，负极接P区，称PN结,反向偏置,。,2）PN结的反向截止特性,PN结的单向导电性,2.PN结的击穿特性,PN结的击穿分为,雪崩击穿,和,齐纳击穿,。,PN结处于反向偏置时，在一定电压范围内，流过PN结的电流是很小的反向饱和电流。但是当反向电压超过某一数值后，反向电流急剧增加，这种现象称为,反向击穿,。,发生击穿并不一定意味着PN结损坏。当PN结反向击穿时，只要注意控制反向电流的数值(一般通过串接电阻R实现)，不使其过大，以免因过热而烧坏PN结，当反向电压(绝对值)降低时，PN结的性能就可以恢复正常。稳压二极管正是利用了PN结的反向击穿特性来实现稳压的，当流过PN结的电流变化时，结电压保持基本不变。,将一个PN结加上相应的两根外引线，然后用塑料、玻璃或铁皮等材料做外壳封装就成为二极管。,6.2 半导体二极管,6.2.1 二极管的结构,1.二极管的结构,2.二极管的符号,在外加电压的作用下，二极管电流的变化规律称为二极管的伏安特性曲线。,6.2.2 二极管的伏安特性,导通压降:硅管,0.60.8V,锗管,0.20.3V。,6.2.3 二极管的主要参数,I,F,是二极管允许通过的最大正向平均电流。,1.最大整流电流,I,F,U,RM,是允许施加在二极管两端的最大反向工作电压，通常取反向击穿电压的二分之一。,2.最大反向工作电压,U,RM,I,R,是指二极管未击穿时的反向电流值，越小越好。,3.反向电流,I,R,f,M,是保证二极管单向导电性的最高工作频率。,4.最高工作频率,f,M,6.2.4 二极管的应用,【例6-1】如图所示限幅电路。已知输入电压为，试分析限幅电平,E,分别为0V、6V和-6V时输出电压的波形。,利用二极管的单向导电特性，可以构成各种应用电路，如二极管整流电路、限幅电路、开关电路等,。,当,E,V，,u,i,时二极管导通，,u,o,V；,u,i,V，二极管截止，,u,o,u,i,，即限幅电平为V。,当,E,6V，,u,i,6时二极管导通，,u,o,6V；,u,i,6V，二极管截止，,u,o,u,i,，即限幅电平为6V。,当,E,-6V，,u,i,-6时二极管导通，,u,o,-6V；,u,i,-6V，二极管截止，,u,o,u,i,，即限幅电平为-6V。,分析：,解：,a）E=0V,b）E=6V,c）E=-6V,当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压随输入电压相应变化；而当输入电压超出该范围时，输出电压保持不变，这就是,限幅,电路。通常将输出电压开始不变的电压值称为限幅电平。,例6-1 输出电压波形,反向击穿时，在一定的电流范围内端电压几乎不变,6.2.5 稳压二极管及其应用,稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型二极管，简称为稳压管。,1）稳压,二极管的符号,1.稳压二极管的伏安特性,2）稳压,二极管的伏安特性,符号,伏安特性,2.稳压二极管的主要参数,U,Z,是稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。,1）稳定电压,U,Z,I,Z,是使稳压管正常工作时的最小电流。,2）稳定电流,I,Z,r,Z,是稳压管工作在稳压区时，两端电压变化量与电流变化量之比。,3）动态电阻,r,Z,P,ZM,等于稳压管的稳定电压值,U,Z,与最大稳定电流的乘积。,4）额定功耗,P,ZM,温度系数是指稳压管温度变化1时，所引起的稳定电压变化的百分比。,5）,温度系数,3.稳压二极管的应用,如图6-12所示。图中，,R,为限流电阻，令流经稳压二极管的电流合适，使稳压二极管工作在稳压区。,利用稳压二极管的稳压特性可以构成简单的稳压电路。,图,6-12,稳压二极管稳压电路,改变输入电压，如,U,I,增大，,U,O,将随之上升。由于稳压管与负载电阻并联，加于稳压二极管两端的反向电压增加，此时，,I,Z,迅速增强，从而使限流电阻,R,上的压降增大，令输出电压,U,O,回落下来，最终使输出电压基本不变。若负载电阻改变时也可以得出输出电压基本恒定的结果。可见，该电路有稳定输出电压的功能。,6.3 半导体三极管,6.3.1 三极管的基本结构,1.三极管的结构示意图,2.三极管的符号,NPN型,PNP型,1）发射区向基区发射电子。,6.3.2 三极管的电流放大作用,1.三极管内部载流子的运动,3）集电结收集电子。,2）电子在基区的扩散与复合。,三极管有特殊的内部结构，在合适的外部条件就有电流放大作用。,2.三极管电流放大作用,称为三极管共发射极电流的直流电流放大系数。,输入回路的电流与电压之间的关系曲线称为三极管的输入特性曲线，即,6.3.3 三极管的特性曲线,1.输入特性曲线,曲线形状与二极管的正向伏安特性相类似，呈指数关系，但它与,u,CE,有关。当,u,CE,等于零时，也存在门限电压，只有发射结电压大于该门限电压时，电流才明显增加。当,u,CE,增加时曲线右移，但当,u,CE,1V后，曲线右移很小，所以图中只画出两条曲线，实际应用中，,u,CE,总是大于1V的。,输出回路的电流与电压之间的关系曲线称为三极管的输出特性曲线，即,2.输出特性曲线,1）,截止区,一般将,i,B,的区域称为截止区，在图中为,i,B,曲线的下方区域。,2）,放大区,略上翘的平行线族区域。,3）,饱和区,曲线靠近纵轴附近，各条输出特性曲线的快速上升区域。,输出特性三个区域的特点:,(2),放大区,发射结正偏，集电结反偏，,I,C,I,B,且,I,C,=,I,B,(3),饱和区,发射结正偏，集电结正偏，即,U,CE,U,BE,，,I,B,I,C，,U,CE,0.3V,(1),截止区,U,BE,死区电压，I,B,0，I,C,=I,CEO,0,6.3.4.三极管的主要参数,1.电流放大系数,1）共发射极电流放大系数,直流电流放大系数定义为三极管的集电极直流电流与基极直流电流之比，即,交流电流放大系数定义为三极管的集电极交流电流与基极交流电流之比，即,可见，两者的定义是不同的，但数值接近，因此在实际应用中，当工作电流不十分大时，可混用而不加区分。,2）共基极电流放大系数,直流电流放大系数定义为三极管的集电极直流电流与发射极直流电流之比，即,交流电流放大系数定义为三极管的集电极交流电流与发射极交流电流之比，即,一般情况下，两者数值接近，接近与1而小于1。,共发射极电流放大系数和共基极电流放大系数的关系为：,2.极间反向电流,I,CBO,是发射极开路时，集电极和基极之间的反向饱和电流。,I,CEO,是基极开路时，集电极流向发射极的电流，也叫穿透电流。,一般情况下，两者都由少数载流子的漂移形成，均随温度的上升而增大。,I,CBO,和,I,CEO,越小，三极管受温度的影响越小，三极管性能越稳定。,两者的关系为：,1）,I,CBO,2）,I,CEO,3.极限参数,一般由集电极最大允许损耗功率,P,CM,、集电极最大允许电流,I,CM,和反向击穿电压,U,(BR)CEO,可以确定三极管的安全工作区域：,1）集电极最大允许电流,I,CM,2）集电极最大允许损耗功率,P,CM,3）反向击穿电压,U,(BR)CBO,为发射极开路时，集电极-基极间的反向击穿电压。,U,(BR)CEO,为基极开路时，集电极-发射极间的反向击穿电压。,U,(BR)EBO,为集电极开路时，发射极-基极间的反向击穿电压。,U,(BR)CBO,U,(BR)CEO,U,(BR)EBO,场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的半导体器件，是单极型三极管。具有高输入电阻、低噪声、温漂小、便于集成等优点，因此，得到广泛的应用。,6.4 场效应管,场效应管根据结构的不同，有结型场效应管和绝缘栅场效应管（又称为金属-氧化物-半导体场效应管，简称为MOS管）两种类型，后者又分为增强型和耗尽型。每类从参与导电的载流子来划分为N沟道和P沟道。,场效应管有三个电极，栅极（g极）、源极（s极）和漏极（d极），符号如图：,输出特性曲线描述漏极电流,i,D,与漏-源电压,u,DS,之间的函数关系，即,6.4.1 场效应管的特性曲线,1.输出特性曲线,1）,可变电阻区,预夹断轨迹左侧的区域，该区域中曲线近似为不同斜率的直线。,2）,恒流区,恒流区是栅-源电压,u,GS,一定时电流基本不变的区域，亦叫饱和区。该区域中各曲线近似为一组横轴的平行线，亦叫放大区。,3）,截止区,靠近横轴的区域，导电沟道消失，漏极电流,i,D,0,，也叫夹断区。,转移特性描述了漏极电流,i,D,与栅-源电压,u,GS,之间的函数关系，即,2.转移特性曲线,1）,结型和耗尽型：,2）,增强型：,理论和实践证明，漏极电流随栅-源电压的增加近似按平方律上升。,1）开启电压,U,GS(th),和夹断电压,U,GS(off),6.4.2 场效应管的主要参数,1.直流参数,2）饱和漏极电流,I,DSS,3）直流输入电阻,R,SS,1）低频跨导,g,m,：,2.交流参数,2）漏-源动态电阻,r,ds,：,1）最大漏极电流,UI,DM,3.极限参数,2）最大漏-源电压,U,(BR)DS,最大栅-源电压,U,(BR)GS,3）最大耗散功率,P,DM,本章小结,1.半导体基础知识,1）半导体有自由电子和空穴两种载流子参与导电。,2.半导体二极管,3.半导体三极管,2）本征半导体中，两者浓度相等；N型半导体中，电子为多数载流子；P型半导体中多数载流子为空穴。,3）构成半导体器件的核心是PN结，PN结具有单向导电性。,1）二极管由一个PN结构成，也具有单向导电性。,2）常见的二极管应用电路有整流电路、限幅电路等。,1）三极管和场效应管内部都有两个PN结，都具有放大作用。,2）三极管因偏置条件的不同，有放大、截止和饱和三种工作状态。它是电流控制器件，即以小的基极电流对大的集电极电流进行控制，所以有电流放大作用。,3）场效应管是电压控制器件，用栅-源电压控制漏极电流。,