项目一半导体器件基础课件

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,*,模,电,拟,技,子,术,广西机电职业技术学院电气系,半导体的基础知识,1. 本征半导体,2. 杂质半导体,3. PN 结,本征半导体 ,1、本征半导体,半导体 ,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,纯净的不含任何杂质的半导体。,如 硅、锗单晶体。,自由运动的带电粒子。,载流子,共价键 ,相邻原子共有价电子所形成的束缚。,半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电。,半导体的原子结构和简化模型,元素半导体硅和锗共同的特点：原子最外层的电子（价,电子）数均为4。,图1.1.1 硅和锗的原子结构和简化模型,空穴,自由,电子,图 硅单晶共价键结构,图 本征激发产生,电子空穴对,本征半导体 ,纯净的不含任何杂质的半导体。,如 硅、锗单晶体。,共价键 ,相邻原子共有价电子所形成的束缚。,载流子,自由运动的带电粒子。,电子空穴对,本征激发 产生自由电子 和 空穴对,复合 使自由电子空穴对消失,图 本征激发和复合的过程,半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电。,半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。一定温度下,激发和复合达到动态平衡,载流子的浓度一定,结论,：,1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。,2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。,3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关,。,2、杂质半导体,一、N 型半导体,在纯净的硅或锗晶体中掺入少量的5价元素（如磷）。,+5,+4,+4,+4,+4,+4,磷原子,自由电子,N型半导体的特点：,两种载流子中自由电子是多子，空穴是少子；,主要靠自由电子导电。,N型半导体的简化图示,多数载流子,少数载流子,正离子,二、 P 型半导体,在纯净的硅或锗晶体中掺入少量的3价元素（如硼）。,+3,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,硼原子,P型半导体的特点：,空穴是多子，自由电子是少子；,主要靠空穴导电。,P 型半导体的简化图示,负离子,多数载流子,少数载流子,3、PN结,一、PN 结的形成,多子扩散运动,内电场促进少子漂移运动,空间电荷区,杂质离子形成空间电荷区,PN结,内电场建立,内电场阻止多子扩散运动,（一定宽度）,动态平衡,图 PN结的形成,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,1、空间电荷区中没有载流子。,注意:,2、空间电荷区中内电场阻碍,P,区,中的空穴、,N,区中的电子（,都是多子,）向对方运动（,扩散,运动,）。,二、PN 结的单向导电性,1. PN结外加正向电压时处于导通状态,+,+,+,+,R,E,P,N,内电场,外电场,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。PN,结呈现低阻性,。,+,变薄,PN,结,加上正向电压,、,正向偏置,的意思是,：,P,区,加正、,N,区加负电压。,2. PN结外加反向电压时处于截止状态,+,+,+,+,R,E,P,N,内电场,外电场,+,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流，PN,结呈现高阻性。,PN,结,加上反向电压,、,反向偏置,的意思是：,P,区加负、,N,区加正电压。,变厚,PN结加,正向电压,时，呈现低电阻，具有较,大的正向扩散电流；,PN结加,反向电压,时，呈现高电阻，具有很,小的反向漂移电流。,由此可以得出结论：,PN结具有单向导电性。,三、PN 结的伏安特性,反向饱和电流,加正向电压时,加反向电压时,反向击穿,O,V,/V,I,/mA,正向特性,电击穿,热击穿,反向击穿,原因,：,齐纳击穿,：,(Zener),雪崩击穿：, PN 结未损坏，断电即恢复。, PN 结烧毁。,反向击穿类型：,反向电场太强，将电子强行拉出共价键。,反向电场使电子加速，动能增大，撞击,使载流子数突增。,PN结的反向击穿,当PN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PN结的,反向击穿。,PN结的电容效应,1.势垒电容,C,B,2.扩散电容,C,D,(1) 势垒电容,C,B,图9 势垒电容示意图,外加电压变化,空间电荷区的厚度改变,多子浓度梯度变化,(2) 扩散电容,C,D,外加正向电压变化,图 10 扩散电容示意图,小结,1. 本征半导体、N型半导体、P型半导体的特点,2. PN结的形成及特性,半导体二极管,1 半导体二极管的结构和类型,2 二极管的伏安特性,3 二极管的主要参数,4 特殊二极管,1 半导体二极管的结构和类型,构成：,PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管,(Diode),分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,符号：,P,N,实质上就是一个,PN,结,+,阳极,P,N,-,阴极,点接触型,正极,引线,触丝,N 型锗片,外壳,负极,引线,负极引线,面接触型,N型锗,PN 结,正极引线,铝合金,小球,底座,金锑,合金,正极引线,负极引线,集成电路中平面型,P,N,P 型支持衬底,(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。,(a),点接触型,二极管的结构示意图,(c)平面型,(3) 平面型二极管,往往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。,(b)面接触型,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：,二极管实物图,2 二极管的伏安特性,U,I,反向击穿电压,U,BR,导通压降:,硅管,0.60.8V,锗管,0.10.3V。,死区电压 硅管,0.5V,锗管0.1V,正向特性,反向击穿,半导体二极管的伏安特性曲线,1、正向特性,（1）0,V,V,th,V,th,死区电压,开启电压,（2）,V,V,th,2、反向特性,（1）,V,BR,V,0,（2）,VV,BR,V,BR,反向击穿电压,二极管的伏安特性曲线,I,S ,反向饱和电流，,V,为二极管两端的电压降，,V,T,=,kT/q,称为温度的电压当量，,k,为玻耳兹曼常数，,q,为电子电荷量，,T,为热力学温度。对于室温（相当,T,=300 K），则有,V,T,=26 mV。,半导体二极管的参数,(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,V,BR,和最大反向工作电压,V,RM,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,V,BR,。,为安全计，在实际,工作时，最大反向工作电压,V,RM,一般只按反向击穿电压,V,BR,的一半计算。,(3),反向电流,I,R,(4) 正向压降,V,F,(5) 动态电阻,r,d,在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作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。,在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。,反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，,r,d,与工作电流的大小有关，即,r,d,=,V,F,/,I,F,二极管的主要参数,1.,I,F,最大整流电流,(最大正向平均电流),2,.,U,RM,最高反向工作电压,，,为,U,(BR),/ 2,3,.,I,R,反向电流,(越小,单向导电性越好),4,.,f,M,最高工作频率,(超过时,单向导电性变差),影响工作频率的原因 ,PN 结的电容效应,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。,结论：,(1),低频,时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。,高频,时，因容抗增大，使,结电容分流,，,导致,单向导电性变差。,(2) 结面积小时结电容小，最高工作频率高。,二极管：,死区电压=0 .5V，正向压降,0.7V(硅二极管),理想二极管：,死区电压=0 ，正向压降=0,1.2.4 特殊二极管,一 . 稳压二极管,符号,工作条件：,反向击穿,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。,电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,稳压电路,当负载R,L,不变而输入电压增加时，,当输入电压不变而负载R,L,减小时，,稳压条件：,二 . 光电二极管,又称为光敏二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,符号,实物照片,符号,三 .,发光二极管,工作条件：,正向偏置,一般工作电流几十 mA，导通电压 (1,2) V,1.,二极管的伏安特性-正向特性、反向特性,小结,2.二极管的主要参数:,I,F,、V,RM,、,I,R,、,f,M,3.特殊二极管及其应用,图 1 18 并联二极管上限幅电路,V, 限幅电平为V。,u,时二极管导通,u,o,V；,u,i,V, 二极管截止,u,o,u,。波形如图-19(,a,)所示。,如果,U,m, 则限幅电平为,。,u, 二极管截止,u,o,u,；,u, 二极管导通,u,o,。波形图如图 - (,)所示。 ,如果,m, 则限幅电平为-E, 波形图如图 - 19(,)所示。 ,图 1 - 19 二极管并联上限幅电路波形关系,半导体三极管,1,晶体三极管,2,晶体三极管的特性曲线,3,晶体三极管的主要参数,4,特殊的晶体三极管,1 晶体三极管,一、结构、符号和分类,基极,发射,极,NPN,型,发射结,集电结,基本结构一,符号,E,C,B,集电极,N,N,P,B,E,C,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,基区：较薄，掺杂浓度低,发射区：掺,杂浓度较高,制造工艺上的特点,集电区：面积较大,掺杂浓度低,PNP,型,B,E,C,P,P,N,基极,发射极,集电极,E,C,B,符号,基本结构二,分类,：,按材料分：,硅管、锗管,按功率分：,小功率管, 1,W,中功率管 0.5,1 W,三极管实物图,二 . 晶体管的电流放大作用,发射结正向偏置,集电结反向偏置,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。,（1）工作在放大状态的外部条件：,NPN,R,C,R,b,V,CC,V,BB,+,_,I,B,I,C,I,E,V,CC,(2)实现电路:,共集电极接法,，集电极作为公共电极，用,CC,表示;,共基极接法,，,基极作为公共电极，用,CB,表示。,共发射极接法,，发射极作为公共电极，用,CE,表示；,三极管的三种组态,(3) 满足放大条件的三种电路,(4) 三极管内部载流子的传输过程,(,以NPN为例,）,I,CN,I,E,I,CBO,I,B,I,BN,1,),发射结加正向电压，,发射区向基区注入电子，形成发射极电流,I,E,。,3,),电子到达基区后，由于,集电结加反向电压，电子漂移运动形成集电极电流,I,CN,。,2,),扩散到基区的电子与空穴的复合形成基极电流,I,BN 。,I,C,基区的空穴来源：,基极电源提供,(,I,B,),集电区少子漂移,(,I,CBO,),所以,I,BN,I,B,+,I,CBO,I,B,=,I,BN,I,CBO,图 三极管的电流传输关系,集电极电流,由两部分组成：,和, 前者是由发射区发射的电子被集电极收集后形成的, 后者是由集电区和基区的少数载流子漂移运动形成的,称为反向饱和电流。 于是有,N,(1 - 6),发射极电流,也应由两部分组成：,和,。,为发射区发射的电子所形成的电流, ,是由基区向发射区扩散的空穴所形成的电流。因为发射区是重掺杂, 所以,忽略不计, 即,。,又分成两部分, 主要部分是, 极少部分是,。,基极电流,是,与,之差：,(1-7),(1-8),发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极, 形成集电极电流, 即要求,。 ,通常用共基极直流电流放大系数衡量上述关系, 用来表示, 其定义为,(1-9),一般三极管的值为0.970.99。,(1-10),通常,CBO, 可将,忽略, 由上式可得出,(1-11),三极管的三个极的电流满足节点电流定律, 即,将此式代入(1 - 10)式得,(1-12),经过整理后得,令,称为共发射极直流电流放大系数。当I,C,I,CBO,时,又可写成,(1-13),(1-14),则,其中I,CEO,称为穿透电流, 即,一般三极管的约为几十几百。太小, 管子的放大能力就差, 而过大则管子不够稳定。,表1 - 3 三极管电流关系的一组典型数据,I,B,/mA,-0.001,0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,I,C,/mA,0.001,0.01,0.56,1.14,1.74,2.33,2.91,I,E,/mA,0,0.01,0.57,1.16,1.77,2.37,2.96,共基极交流电流放大系数, 即,故,共射极交流电流放大系数, 即,显然,与, 与其意义是不同的, 但是在多数情况,下, 。,晶体管的电流分配关系,三极管的电流放大作用,1,三极管的电流放大作用就是基极电流 I,B,的微小,变 化控制了集电极电流 I,C,较大的变化。,2三极管放大电流时，被放大的 I,C,是由电源 V,CC,提供的，并不是三极管自身生成的，放大的实质是小信,号对大信号的控制作用,。,3,三极管是一种电流控制器件。,晶体三极管的特性曲线,i,B,=,f,(v,BE,),V,CE,=,常数,1. 输入特性曲线,+,-,b,c,e,共射极放大电路,V,BB,V,CC,v,BE,i,C,i,B,+,-,v,CE,v,CE,1V,工作压降：,硅管V,BE,0.60.8V,锗管V,BE,0.20.3V。,v,CE,=0V,0.4,0.8,i,B,(,A,),v,BE,(,V,),20,40,60,80,V,CE,=0.5V,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,三极管输入特性曲线与二极管特性相似,放大区,截止区,饱,和,区,v,CE,/V,I,CEO,i,C,/,mA,50 A,40 A,30 A,20 A,10 A,I,B,= 0,O,2 4 6 8,4,3,2,1,2、输出特性,三极管有三种工作状态:,1)截止状态,2)放大状态,3)饱和状态,1) 截止区：,i,B,0,i,C,=,i,CEO,0,条件：,两个PN结反偏或零偏,2) 放大区：,i,C,=,i,B,v,C,v,B,v,E,条件：,发射结正偏,集电结反偏,3) 饱和区：,特点：,i,C,i,B,条件：,两个PN结均正偏,i,B,失去了对,i,C,的控制,深度饱和时V,CES, 0.1v , 此时C 极和 E 极之间相当于一个开关的闭合状态。利用三极管截止、饱和两种状态可做无触点开关。,三极管的主要参数,(1) 共发射极交流电流放大系数,。,体现共射极接法之下的电流放大作用。,(2) 共发射极直流电流放大系数,。 由式(1 -15)得,当,I,C,I,CEO,时,I,C,/,I,B,。,(3) 共基极交流电流放大系数,。,体现共基极接法下的电流放大作用。 ,(4) 共基极直流电流放大系数。在忽略反向饱和电流,时,2. 极间反向电流,图 1 - 36 三极管极间反向电流的测量,2、极间反向电流,（1）集电极基极间反向饱和电流,I,CBO,（2）集电极发射极间的反向饱和电流,I,CEO,I,CEO,和,I,CBO,有如下关系,I,CEO,=（1+,）,I,CBO,图,I,CEO,在输,出特性曲线上的位置,3、极限参数,（,a）V,(BR),CBO,发射极开路时的集电结击穿电压,（,b）V,(BR),EBO,集电极开路时发射结的击穿电压,（c）V,(BR),CEO,基极开路时集电极和发射极间的,击穿电压,(3)反向击穿电压,（2）,集电极最大允许功率损耗,P,CM,P,CM,=,I,C,V,CB,I,C,V,CE,（1）集电极最大允许电流,I,CM,由,P,CM,、,I,CM,和,V,(BR)CEO,在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。,三、,温度对晶体管特性及参数的影响,1、温度对,I,CBO,的影响,结论,T,输入特性左移,I,CEO,I,C,T,I,CBO,温度每升高10,0,C, I,CBO,增加约一倍。,温度每升高10，|,V,BE,|,大约下降22.5mV。 增大0.51 。,2、温度对输入特性的影响,T,正向特性曲线左移,半导体晶体管的型号,国家标准对半导体晶体管的命名如下:,3,D,G,110,B,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,2.4 特殊的晶体三极管,一 .,光敏三极管,等效电路及符号,在光敏三极管集电极c和发射极e之间加电压，使集电结反偏，光照时将产生光电流 I,B,，同时I,B,被“放大”形成集电极电流I,C,，大小在几百微安到几毫安之间。光敏三极管的输出特性和晶体管类似，只是用入射光的照度来代替晶体管输出特性曲线中的I,B,。光敏三极管制成达林顿形式时，可获得很大的输出电流而能直接驱动某些继电器。,二 .,光电耦合器,光电耦合器是把发光二极管和光敏三极管组装在一起而成的光-电转换器件。,小结,本讲主要介绍了以下基本内容：,双极性晶体管的结构和类型：,NPN,、,PNP,晶体管的电流放大作用和电流分配关系,晶体管直流电流传输方程,三种不同的连接方式：共基极、共发射极和共集电极,晶体管具有放大作用的内部条件,晶体管具有放大作用的外部条件,晶体管的共射组态曲线特性,晶体管的主要参数,小结,2. 晶体管的特性曲线,输入特性曲线,输出特性曲线,1.,晶体三极管的结构、符号和分类,3. 晶体管的主要参数-,、,I,CBO,、,I,CEO,、,I,CM,P,CM,、,U,(BR)CBO,场效应管,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,JFET,结型,MOSFET,绝缘栅型,FET,场效应管,N沟道,场效应管的分类,结型场效应管的结构,N 沟道 JFET,P 沟道 JFET,工作原理（以N沟道为例）,PN,结反偏，|,U,GS,|,越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。,1,v,GS, 0 V,v,DS,|,Vp,| ,预夹断,后ID不为0时，电流,i,D,由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随,v,DS,的增加而增加，呈恒流特性。,i,D,当,v,DS,=|,Vp,|, 发生预夹断,i,D,= I,Dss,3,v,GS,0V,预夹断后,i,D,基本不受,v,DS,影响,只受,v,GS,的控制, 管子可看成一个由,v,GS,控制的电流源, 类似于三极管的放大区,故又称为场效应管的线性放大区。,I,D,v,GD,=,v,GS,-,v,DS,=,v,P,时发生预夹断,v,GS,i,D,I,DSS,v,DS,i,D,v,GS,=,3 V,2 V,1 V,0 V,3 V,3. 4 转移特性和输出特性,1. 输出特性,2. 转移特性,绝缘栅场效应管（MOS),一. N沟道增强型MOSFET,1. 结构与符号,P,型衬底,(掺杂浓度低),N,+,N,+,S D,G,B,耗,尽,层,S, 源极,Source,G, 栅极,Gate,D, 漏极,Drain,S,G,D,B,2 . 工作原理,(1),v,GS,=0 V,时,，,漏,、,源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。,(2),v,GS,v,GS,（th),0时，形成导电沟道，产生i,D,工作原理,1栅源电压,V,GS,的控制作用,(2) 0,V,GS,V,T,V,T,称为开启电压,(3) V,GS,V,T,(1),V,GS,=0,反型层 增强型MOS管,图 N 沟道增强型MOSFET的转移特性,2漏源电压,V,DS,对漏极电流,I,D,的影响,V,DS,=,V,DG,V,GS,=,V,GD,V,GS,V,GD,=,V,GS,V,DS,漏源电压,V,DS,对沟道的影响,(1),V,DS,为0或较小时,(,V,GS,V,T,),(2),V,DS,增加,V,GD,=,V,T,(3),V,DS,增加,V,GD,V,T,输出特性,N沟道增强型MOSFET的输出特性如图146所示。与结型场效应管的输出特性相似，它也分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：,图146输出特性,(1),v,DS,0，,v,GS,=0，,i,D,不等于0。,（2）,v,GS,0时，,（3）,v,GS,0时，,二、,N,沟道耗尽型,MOSFET,图 N沟道耗尽型MOSFET的结构,i,D,i,D,图140 N沟道耗尽型MOS管的转移特性,图148N沟道耗尽型MOS管输出特性,图 N沟道耗尽型MOS管表示符号,双极型三极管,场效应三极管,结构,NPN型,PNP型,结型耗尽型N沟道 P沟道,绝缘栅增强型N沟道 P沟道,绝缘栅耗尽型N沟道P沟道,C与E一般不可倒置使用,D与S有的型号可倒置使用,载流子,多子扩散少子漂移,多子漂移,输入量,电流输入,电压输入,控制,电流控制电流源CCCS(,),电压控制电流源VCCS(,g,m),3.6,双极型和场效应型三极管的比较,3.7 场效应管的主要参数, 开启电压,V,GS(th),(或,V,T,),开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通,。, 夹断电压,V,GS(off),(或,V,P,),夹断电压是耗尽型FET的参数，当,V,GS,=,V,GS(off),时,漏极电流为零。, 饱和漏极电流,I,DSS,耗尽型场效应三极管, 当,V,GS,=0时所对应的漏极电流。, 输入电阻,R,GS,场效应三极管的栅源输入电阻的典型值,，对于结型场效应三极管，反偏时,R,GS,约大于10,7,，对于绝缘栅型场效应三极管,R,GS,约是10,9,10,15,。, 低频跨导,g,m,低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用， 这一点与电子管的控制作用相似。,g,m,可以在转移特性曲线上求取，也可由电流方程求得。, 最大漏极功耗,P,DM,最大漏极功耗可由,P,DM,=,V,DS,I,D,决定，与双极型三极管的,P,CM,相当。,小结,1.,场效应管的分类 、结构和符号,2.,场效应管(结型,、,绝缘栅型)的工作原理,3.,场效应管与晶体三极管的区别,4.,场效应管主要参数,