半导体基础知识77089.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,#,杨远望,yuanwangyang,第一章 常用半导体器件,第一章,常用半导体器件,1.1,半导体基础知识,1.2,半导体二极管,1.3,晶体三极管,1.4,场效应管,1,半导体基础知识,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、,PN,结的形成及其单向导电性,四、,PN,结的电容效应,一、,本征半导体,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,本征半导体是,纯净,的,晶体结构,的半导体。,1,、什么是半导体？什么是本征半导体？,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到,相当,程度时才可能导电。,半导体硅（,Si,）、锗（,Ge,），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,无杂质,稳定的结构,2,、本征半导体的结构,由于热运动，具有足够能量的价电子,挣脱,共价键的束缚而成为,自由电子,自由电子的游离使共价键中留有一个空位置，称为,空穴,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。,共价键,一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,动态平衡,两种载流子,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故,本征半导体,导电性很差。,为什么,要将半导体变成导电性很差的本征半导体？,3,、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。,热力学温度,0K,时不导电。,二、杂质半导体,1.,N,型半导体,磷（,P,）,杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现,导电性可控,。,多数载流子,空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？,2.,P,型半导体,硼（,B,）,多数载流子,P,型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，,在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？,三、,PN,结的形成及其单向导电性,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,扩散运动,P,区空穴浓度远高于,N,区。,N,区自由电子浓度远高于,P,区。,扩散运动使靠近接触面,P,区的空穴浓度降低、靠近接触面,N,区的自由电子浓度降低，产生内电场。,PN,结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到,动态平衡,，就形成了,PN,结。,漂移运动,由于扩散运动使,P,区与,N,区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从,N,区向,P,区、自由电子从,P,区向,N,区运动。,PN,结加正向电压导通：,耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，,PN,结处于导通状态。,PN,结加反向电压截止：,耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止,(,不导通,),。,PN,结的单向导电性,必要吗？,清华大学 华成英 hchya,四、,PN,结的电容效应,1.,势垒电容,PN,结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为,势垒电容,C,b,。,2.,扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为,扩散电容,C,d,。,结电容：,结电容不是常量！,（,why?),由于,C,j,的存在，若,PN,结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,问题,为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能,极差,，又将其,掺杂以改善,导电性能？,为什么半导体器件的,温度稳定性差,？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？,PN,结在,P,区和,N,区中的耗尽层,宽度,是一样的吗？,为什么半导体器件有最高工作频率？,课堂练习,2,半导体二极管,一、二极管的组成,二、二极管的伏安特性及电流方程,三、二极管的等效电路,四、二极管的主要参数,五、稳压二极管,一、二极管的组成,将,PN,结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压,二极管,发光,二极管,一、二极管的组成,点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。,面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。,平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。,二、二极管的伏安特性及电流方程,材料,开启电压,导通电压,反向饱和电流,硅,Si,0.5V,0.50.8V,1,A,以下,锗,Ge,0.1V,0.10.3V,几十,A,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的,电压当量,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,从二极管的伏安特性可以反映出：,1.,单向导电性,2.,伏安特性受温度影响,T,（）在电流不变情况下管压降,u,反向饱和电流,I,S,，,U,(BR),T,（）正向特性左移,，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大,1,倍,/10,三、二极管的等效电路,理想,二极管,近似分析中最常用,理想开关,导通时,U,D,0,截止时,I,S,0,导通时,U,D,U,on,截止时,I,S,0,导通时,i,与,u,成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,1.,将伏安特性折线化,？,100V,？,5V,？,1V,？,2.,微变等效电路,Q,点,越高，,r,d,越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,u,i,=0,时直流电源作用,小信号作用,静态电流,四、二极管的主要参数,最大整流电流,I,F,：最大平均值,最大反向工作电压,U,R,：最大瞬时值,反向电流,I,R,：即,I,S,最高工作频率,f,M,：因,PN,结有电容效应,第四版,P20,讨论：,解决两个问题,如何判断二极管的工作状态？,什么情况下应选用二极管的什么等效电路？,u,D,=,V,iR,Q,I,D,U,D,V,与,u,D,可比，则需图解：,实测特性,对,V,和,U,i,二极管,的模型有什么不同？,五、稳压二极管,1.,伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个,PN,结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压,基本,不变，为稳定电压。,2.,主要参数,稳定电压,U,Z,、稳定电流,I,Z,最大功耗,P,ZM,I,ZM,U,Z,动态电阻,r,z,U,Z,/,I,Z,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,限流电阻,斜率？,1.3,晶体三极管,一、晶体管的结构和符号,二、晶体管的放大原理,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,一、晶体管的结构和符号,多子浓度高,多子浓度很低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个,PN,结。,小功率管,中功率管,大功率管,为什么有孔？,二、晶体管的放大原理,扩散运动形成发射极电流,I,E,，复合运动形成基极电流,I,B,，漂移运动形成集电极电流,I,C,。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区,扩散,到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴,复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子,漂移,到集电区,基区空穴的扩散,电流分配：,I,E,I,B,I,C,I,E,扩散运动形成的电流,I,B,复合运动形成的电流,IC,漂移运动形成的电流,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,为什么,U,CE,增大曲线右移？,对于小功率晶体管，,U,CE,大于,1V,的一条输入特性曲线可以取代,U,CE,大于,1V,的所有输入特性曲线。,为什么像,PN,结的伏安特性？,为什么,U,CE,增大到一定值曲线右移就不明显了？,1.,输入特性,2.,输出特性,是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下,?,对应于一个,I,B,就有一条,i,C,随,u,CE,变化的曲线。,为什么,u,CE,较小时,i,C,随,u,CE,变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？,饱和区,放大区,截止区,晶体管的三个工作区域,晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流,i,C,几乎仅仅决定于输入回路的电流,i,B,，即可将输出回路等效为电流,i,B,控制的电流源,i,C,。,状态,u,BE,i,C,u,CE,截止,U,on,I,CEO,V,CC,放大,U,on,i,B,u,BE,饱和,U,on,i,B,u,BE,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,直流参数,：、,I,CBO,、,I,CEO,c-e,间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，,P,CM,i,C,u,CE,=Constant,安全工作区,交流参数：,、,、,fT,（使,1,的信号频率）,极限参数,：,I,CM,、,P,CM,、,U,（,BR,）,CEO,讨论一,由图示特性求出,P,CM,、,I,CM,、,U,（,BR,）,CEO,、,。,2.7,u,CE,=1V,时的,i,C,就是,I,CM,U,（,BR,）,CEO,讨论二：,利用,Multisim,测试晶体管的输出特性,利用,Multisim,分析图示电路在,V2,小于何值时晶体管截止、大于何值时晶体管饱和。,讨论三,以,V2,作为输入、以节点,1,作为输出，采用直流扫描的方法可得！,约小于,0.5V,时截止,约大于,1V,时饱和,描述输出电压与输出电压之间函数关系的曲线，称为电压传输特性。,BJT,管特点,1,）是“电流控制型”器件（,I,B,控制,I,C,）；,2,）要得到所需的放大（控制）特性，三个极外加电压,极性,必须正确，且管子处于,放大区,；,3,）要取得大的控制电流，输入阻抗不能太高；,4,）极间漏电流是十分有害的。,1.4,场效应管,（以,N,沟道为例）,场效应管,也,有三个极,：源极（,s,）,、栅极（,g,）、漏极（,d,），对应于晶体管的,e,、,b,、,c,；有,三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于,晶体,管的截止区、放大区、饱和区。,1.,结型场效应管,符号,结构示意图,栅极,漏极,源极,导电沟道,单极型管,噪声小、抗辐射能力强、低电压工作,栅源电压对导电沟道宽度的控制作用,沟道最宽,沟道变窄,沟道消失称为夹断,u,GS,可以控制导电沟道的宽度。为什么,g-s,必须加负电压？,U,GS,（,off,）,漏,-,源电压对漏极电流的影响,u,GS,U,GS,（,off,）,且不变，,V,DD,增大，,i,D,增大,。,预夹断,u,GD,U,GS,（,off,）,V,DD,的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，,i,D,几乎不变，进入恒流区，,i,D,几乎仅仅决定于,u,GS,。,场效应管工作在恒流区的条件是什么？,u,GD,U,GS,（,off,）,u,GD,U,GS,（,off,）,夹断电压,漏极饱和电流,转移特性,场效应管工作在恒流区，因而,u,GS,U,GS,（,off,）,且,u,GD,U,GS,（,off,）,。,u,DG,U,GS,（,off,）,g-s,电压控制,d-s,的等效电阻,输出特性,预夹断轨迹，,u,GD,U,GS,（,off,）,可变电阻区,恒,流,区,i,D,几乎仅决定于,u,GS,击,穿,区,夹断区（截止区）,夹断电压,I,DSS,i,D,不同型号的管子,U,GS,（,off,）,、,I,DSS,将不同。,低频跨导：,2.,绝缘栅型场效应管,u,GS,增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个,N,区相接时，形成导电沟道。,SiO,2,绝缘层,衬底,耗尽层,空穴,高掺杂,反型层,增强型管,大到一定值才开启,增强型,MOS,管,u,DS,对,i,D,的影响,用场效应管组成放大电路时应使之工作在,恒流区,。,N,沟道增强型,MOS,管工作在恒流区的条件是什么？,i,D,随,u,DS,的增大而增大，可变电阻区,u,GD,U,GS,（,th,）,预夹断,i,D,几乎仅仅受控于,u,GS,，恒流区,刚出现夹断,u,GS,的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻,耗尽型,MOS,管,耗尽型,MOS,管在,u,GS,0,、,u,GS,0,、,u,GS,0,时均可导通，且与结型场效应管不同，由于,SiO,2,绝缘层的存在，在,u,GS,0,时仍保持,g-s,间电阻非常大的特点。,加正离子,小到一定值才夹断,u,GS,=0,时就存在导电沟道,MOS,管的特性,1),增强型,MOS,管,2),耗尽型,MOS,管,开启电压,夹断电压,利用,Multisim,测试场效应管的输出特性,从输出特性曲线说明场效应管的哪些特点？,3.,场效应管的分类,工作在恒流区时,g-s,、,d-s,间的电压极性,u,GS,=0,可工作在恒流区的场效应管有哪几种？,u,GS,0,才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？,u,GS,0,才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？,场效应管特点,1,）是“电压控制型”器件（,U,GS,控制,I,D,）；,2,）要得到所需的放大（控制）特性，三个极外加电压,极性,必须正确，且管子处于,放大区,；,3,）由于输入阻抗较高，更适用于小功率场合，但需注意静电保护；,4,）单管的放大倍数比,BJT,管小。,作业,1.3 1.4,1.6 1.7,1.9 1.11,1.12,1.13 1.15 1.16,