半导体器件基础培训ppt课件

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,路漫漫其修远兮,吾将上下而求索,13 八月 2024,半导体器件基础培训课件,23 八月 2023半导体器件基础培训课件,1,1.1 半导体的基本知识,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。,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,。,1.1 半导体的基本知识 在物理学中。根据材料的导电能力,2,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。,一. 本征半导体,本征半导体,化学成分纯净的半导体晶体。,制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到,99.9999999%，常称为“九个9”,。,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,3,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,。,这一现象称为本征激发，也称热激发。 当温度升高,4,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,可见本征激发同时产生电子空穴对。与本征激发相反的现象复,5,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,自由电子 带负电荷 电子流+4+4+4+4+4+4+4+,6,二. 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称为,杂质半导体,。,1.,N,型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为,N,型半导体,。,二. 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素,7,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,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,8,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,2.,P,型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子,9,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,杂质半导体的示意图+N型半导体多子电,10,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,三.,PN,结及其单向导电性,1 . PN结的形成,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,11,动画演示,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,动画演示少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散,12,2. 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. PN结的单向导电性(1) 加正向电压（正偏）电,13,(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。,(2) 加反向电压电源正极接N区，负极接P区 外,14,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。,半导体器件基础培训ppt课件,15,3. 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结的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导，,16,1.2 半导体二极管,二极管 = PN结 + 管壳 + 引线,N,P,结构,符号,阳极,+,阴极,-,1.2 半导体二极管 二极管 = PN结 + 管壳 +,17,二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。,二极管按结构分三大类：(1) 点接触型二极管 PN,18,(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。,(3) 平面型二极管 用于集成电路制造工艺中。(2),19,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。,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：2,20,一 、半导体二极管的VA特性曲线,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,一 、半导体二极管的VA特性曲线 硅：0,21,二. 二极管的模型及近似分析计算,例：,I,R,10V,E,1k,D非线性器件,i,u,RLC线性器件,二. 二极管的模型及近似分析计算例：IR10VE1kD,22,二极管的模型,D,U,串联电压源模型,U,D,二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。,理想二极管模型,正偏,反偏,导通压降,二极管的VA特性,二极管的模型DU串联电压源模型U D 二极管的导通压降。,23,二极管的近似分析计算,I,R,10V,E,1k,I,R,10V,E,1k,例：,串联电压源模型,测量值 9.32mA,相对误差,理想二极管模型,R,I,10V,E,1k,相对误差,0.7V,二极管的近似分析计算IR10VE1kIR10VE1k例：,24,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模型、理想二极管串联电压源模型计算电流,I,和输出电压,u,o,解,：,（,1）采用理想模型分析。,采用理想二极管串联电压源模型分析。,例：二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V,25,（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模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。,解：,采用理想二极管,模型分析。波形如图所示。,0,-4V,4V,u,i,t,2V,2V,u,o,t,（2）如果ui为幅度4V的交流三角波，波形如图（b）所示，,26,0,2.7V,u,o,t,0,-4V,4V,u,i,t,2.7V,采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。,02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用理想二极管,27,三. 二极管的主要参数,(1) 最大整流电流,I,F,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),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。,三. 二极管的主要参数 (1) 最大整流电流IF二极管,28,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流I,Z,在I,zmax,和I,zmin,之间变化时,其两端电压近似为常数,稳定电压,四、稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管,正向同二极管,反偏电压U,Z,反向击穿,U,Z,限流电阻,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和,29,稳压二极管的主要 参数,(1) 稳定电压,U,Z,(2) 动态电阻,r,Z,在规定的稳压管反向工作电流,I,Z,下，所对应的反向工作电压。,r,Z,=,U,/,I,r,Z,愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,(3),最小稳定工作 电流,I,Zmin,保证稳压管击穿所对应的电流，若,I,Z,I,Zmin,则不能稳压。,(4) 最大稳定工作电流,I,Zmax,超过,I,zmax,稳压管会因功耗过大而烧坏。,稳压二极管的主要 参数 (1) 稳定电压UZ (,30,1.3 半导体三极管,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。,8/13/2024,1.3 半导体三极管 半导体三极管，也叫,31,一.,BJT,的结构,NPN型,PNP型,符号:,三极管的结构特点:,（1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。,（2）基区要制造得很薄且浓度很低。,-,-,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,一.BJT的结构NPN型PNP型符号: 三极管的结构特点:,32,二 BJT的内部工作原理,（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,8/13/2024,二 BJT的内部工作原理（NPN管） 三极管,33,（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。,1BJT内部的载流子传输过程,（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电,34,（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）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,35,2电流分配关系,三个电极上的电流关系:,I,E,=,I,C,+,I,B,定义：,(1),I,C,与,I,E,之间的关系:,所以,:,其值的大小约为,0.90.99,。,8/13/2024,2电流分配关系三个电极上的电流关系:IE =IC+IB定义,36,(2),I,C,与,I,B,之间的关系：,联立以下两式,：,得：,所以,：,得：,令,：,(2)IC与I B之间的关系：联立以下两式：得：所以：得：令,37,三. BJT的特性曲线（,共发射极接法）,(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,三. BJT的特性曲线（共发射极接法）(1) 输入特性曲线,38,(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。,(2)输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const,39,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,输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区iC受,40,四.,BJT的主要参数,1.,电流放大系数,（2）共基极电流放大系数：,i,CE,=20uA,(mA),B,=40uA,I,C,u,=0,(V),=80uA,I,B,B,B,I,B,i,I,B,I,=100uA,C,B,I,=60uA,i,一般取20200之间,2.3,1.5,（1）共发射极电流放大系数：,四. BJT的主要参数1.电流放大系数（2）共基极电流放大系,41,2.极间反向电流,（2）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。,（,1）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,2.极间反向电流 （2）集电极发射极间,42,3.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,。,（1）集电极最大允许电流,I,CM,（2）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,P,CM,3.极限参数 Ic增加时， 要下降。当值下,43,（3）反向击穿电压,BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：,U,（BR）EBO,集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏十几伏。,U,（BR）CBO,发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏几百伏。,U,（BR）CEO,基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。,在实际使用时，还有,U,（BR）CER,、,U,（BR）CES,等击穿电压。,-,-,(BR)CEO,U,(BR)CBO,U,(BR)EBO,U,（3）反向击穿电压 BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以,44,半导体三极管的型号,第二位：A,锗PNP管、,B,锗NPN管、,C,硅PNP管、,D,硅NPN管,第三位：X,低频小功率管、,D,低频大功率管、,G,高频小功率管、,A,高频大功率管、,K,开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,3DG110B,8/13/2024,半导体三极管的型号第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、第三,45,1.5 场效应管,BJT是一种电流控制元件(,i,B,i,C,)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,FET分类：,绝缘栅场效应管,结型场效应管,场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一种电压控制器件(,u,GS,i,D,) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。,FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。,1.5 场效应管 BJT是一种电流控制,46,一. 绝缘栅场效应三极管,绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide,Semiconductor FET)，简称,MOSFET。,分为：,增强型, N沟道、P沟道,耗尽型 N沟道、P沟道,1.,N,沟道增强型,MOS管,（1）,结构,4个电极：漏极D，,源极S，栅极G和 衬底B。,符号：,一. 绝缘栅场效应三极管 绝缘栅型场效应管 ( Me,47,当,u,GS,0V时纵向电场,将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。,（2）工作原理,当,u,GS,=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。,再增加,u,GS,纵向电场,将P区少子电子聚集到,P区表面形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流,i,d,。,栅源电压,u,GS,的控制作用,当uGS0V时纵向电场（2）工作原理 当uG,48,定义：,开启电压（,U,T,）刚刚产生沟道所需的,栅源电压,U,GS,。,N,沟道增强型,MOS管的基本特性：,u,GS,U,T,，管子截止，,u,GS,U,T,，管子导通。,u,GS,越大，沟道越宽，在相同的漏源电压,u,DS,作用下，漏极电流,I,D,越大。,定义： N沟道增强型MOS管的基本特性：,49,漏源电压,u,DS,对漏极电流,i,d,的控制作用,当,u,GS,U,T,，且固定为某一值时，来分析漏源电,压,V,DS,对漏极电流,I,D,的影响。,（设,U,T,=2V，,u,GS,=4V）,（a）,u,ds,=0时，,i,d,=0。,（b）,u,ds,i,d,；,同时沟道靠漏区变窄。,（c）当,u,ds,增加到使,u,gd,=,U,T,时，,沟道靠漏区夹断，称为,预夹断,。,（d）,u,ds,再增加，预夹断区,加长，,u,ds,增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，,i,d,基本不变。,漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用 当uGS,50,（3）特性曲线,四个区：,（a）可变电阻区（预夹断前）。,输出特性曲线：,i,D,=,f,(,u,DS,),u,GS,=const,（b）恒流区也称饱和,区（预夹断 后）。,（c）夹断区（截止区）。,（d）击穿区。,可变电阻区,恒流区,截止区,击穿区,（3）特性曲线 四个区：输出特性曲线：iD=f(uDS,51,转移特性曲线,：,i,D,=,f,(,u,GS,),u,DS,=const,可根据输出特性曲线作出,移特性曲线,。,例：作,u,DS,=10V的一条,转移特性曲线：,U,T,转移特性曲线： iD=f(uGS)uDS=con,52,一个重要参数跨导,g,m：,g,m,=,i,D,/,u,GS,u,DS,=const,(单位mS),g,m,的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。,在转移特性曲线上，,g,m,为的曲线的斜率。,在输出特性曲线上也可求出,g,m,。,一个重要参数跨导gm： gm=iD,53,2.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。,定义：,夹断电压（,U,P,）沟道刚刚消失所需的栅源电压,u,GS,。,2.N沟道耗尽型MOSFET特点： 在栅极下方的,54,N沟道耗尽型MOSFET的,特性曲线,输出特性曲线,转移特性曲线,1,GS,u,0,1,D,(V),-1,2,-2,(mA),4,3,2,i,4,2,u,u,3,10V,=+2V,1,DS,GS,D,(mA),i,= -1V,u,GS,GS,GS,=0V,=+1V,u,u,(V),= -2V,U,P,GS,u,U,P,N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线输出特性曲线转移特性曲线1,55,3、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。,3、P沟道耗尽型MOSFET P沟道MOSFET,56,4. MOS管的主要参数,（,1）开启电压,U,T,（2）夹断电压,U,P,（3）跨导,g,m,：,g,m,=,i,D,/,u,GS,u,DS,=const,（4）直流输入电阻,R,GS,栅源间的等效电阻。由于,MOS管,栅源间有sio,2,绝缘层，输入电阻可达10,9,10,15,。,4. MOS管的主要参数（1）开启电压UT,57,