半导体元器件基础知识.ppt

半导体器件 华天科技测试部2010年 半导体的基础知识 物体根据导电能力的强弱可分为导体 半导体和绝缘体三大类 凡容易导电的物质 如金 银 铜 铝 铁等金属物质 称为导体 不容易导电的物质 如玻璃 橡胶 塑料 陶瓷等 称为绝缘体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 如硅 锗 硒等 称为半导体 半导体之所以得到广泛的应用 是因为它具有热敏性 光敏性 掺杂性等特殊性能 本征半导体是一种纯净的半导体晶体 常用的半导体材料是单晶硅 Si 和单晶锗 Ge 半导体硅和锗都是4价元素 其原子结构如图 半导体的原子结构示意图 a 硅原子 b 锗原子 c 简化模型 单晶硅的共价键结构 本征半导体如果能从外界获得一定的能量 如光照 温升等 有些价电子就会挣脱共价键的束缚而成为自由电子 在共价键中留下一个空位 称为 空穴 空穴的出现使相邻原子的价电子离开它所在的共价键来填补这个空穴 同时 这个共价键又产生了一个新的空穴 这个空穴也会被相邻的价电子填补而产生新的空穴 这种电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在运动 并把空穴看成一种带正电荷的载流子 空穴越多 半导体的载流子数目就越多 因此形成的电流就越大 在本征半导体中 空穴与电子是成对出现的 称为电子 空穴对 其自由电子和空穴数目总是相等的 本征半导体在温度升高时产生电子 空穴对的现象称为本征激发 温度越高 产生的电子 空穴对数目就越多 这就是半导体的热敏性 在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子 而导体中只有自由电子这一种载流子 这是半导体与导体的不同之处 在本征半导体中掺入微量的杂质元素 就会使半导体的导电性能发生显著改变 根据掺入杂质元素的性质不同 杂质半导体可分为P型半导体和N型半导体两大类 P型半导体 P型半导体是在本征半导体硅 或锗 中掺入微量的3价元素 如硼 铟等 而形成的 因杂质原子只有3个价电子 它与周围硅原子组成共价键时 缺少1个电子 因此在晶体中便产生一个空穴 当相邻共价键上的电子受热激发获得能量时 就有可能填补这个空穴 使硼原子成为不能移动的负离子 而原来硅原子的共价键因缺少了一个电子 便形成了空穴 使得整个半导体仍呈中性 如图下页所示 P型半导体的共价键结构 在P型半导体中 原来的晶体仍会产生电子 空穴对 由于杂质的掺入 使得空穴数目远大于自由电子数目 成为多数载流子 简称多子 而自由电子则为少数载流子 简称少子 因而P型半导体以空穴导电为主 N型半导体 N型半导体是在本征半导体硅中掺入微量的5价元素 如磷 砷 镓等 而形成的 杂质原子有5个价电子与周围硅原子结合成共价键时 多出1个价电子 这个多余的价电子易成为自由电子 如图所示 N型半导体的共价键结构 综上所述 在掺入杂质后 载流子的数目都有相当程度的增加 因而对半导体掺杂是改变半导体导电性能的有效方法 PN结 在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体 它们的交界面附近会形成一个很薄的空间电荷区 称其为PN结 PN结的形成过程如图所示 a 多子扩散示意图 b PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结正向偏置 导通给PN结加上电压 使电压的正极接P区 负极接N区 即正向连接或正向偏置 如下图 a 所示 由于PN结是高阻区 而P区与N区电阻很小 因而外加电压几乎全部落在PN结上 由图可见 外电场将推动P区多子 空穴 向右扩散 与原空间电荷区的负离子中和 推动N区的多子 电子 向左扩散与原空间电荷区的正离子中和 使空间电荷区变薄 打破了原来的动态平衡 同时电源不断地向P区补充正电荷 向N区补充负电荷 其结果使电路中形成较大的正向电流 由P区流向N区 这时PN结对外呈现较小的阻值 处于正向导通状态 PN结的单向导电性 a 正向连接 b 反向连接 PN结反向偏置 截止将PN结按上图 b 所示方式连接 称PN结反向偏置 由图可见 外电场方向与内电场方向一致 它将N区的多子 电子 从PN结附近拉走 将P区的多子 空穴 从PN结附近拉走 使PN结变厚 呈现出很大的阻值 且打破了原来的动态平衡 使漂移运动增强 由于漂移运动是少子运动 因而漂移电流很小 若忽略漂移电流 则可以认为PN结截止 综上所述 PN结正向偏置时 正向电流很大 PN结反向偏置时 反向电流很小 这就是PN结的单向导电性 半导体二极管 半导体二极管的结构半导体二极管又称晶体二极管 简称二极管 二极管按其结构的不同可以分为点接触型和面接触型两类 点接触型二极管的结构 如下图 a 所示 这类管子的PN结面积和极间电容均很小 不能承受高的反向电压和大电流 因而适用于制做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件 以及作为小电流的整流管 半导体二极管的结构及符号 a 点接触型结构 b 面接触型结构 半导体二极管的结构及符号 c 集成电路中的平面型结构 d 图形符号 半导体二极管的主要参数 1 最大整流电流IF 2 反向击穿电压UB 3 反向饱和电流IS 单相半波整流电路 单相桥式整流电路组成 特殊二极管 1 稳压二极管 稳压管工作在反向击穿区 由于曲线很陡 反向电流在很大范围内变化时 端电压变化很小 因而具有稳压作用 图中的UB表示反向击穿电压 当电流的增量 IZ很大时 只引起很小的电压变化 UZ 只要反向电流不超过其最大稳定电流 就不会形成破坏性的热击穿 因此 在电路中应与稳压管串联一个具有适当阻值的限流电阻 稳压管的伏安特性曲线 图形符号及稳压管电路 a 伏安特性曲线 b 图形符号 c 稳压管电路 2 光电二极管 光电二极管的结构与普通二极管的结构基本相同 只是在它的 结处 通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照 光电二极管的 结在反向偏置状态下运行 其反向电流随光照强度的增加而上升 下图 是光电二极管的图形符号 图 是它的等效电路 而图 是它的特性曲线 光电二极管的主要特点是其反向电流与光照度成正比 光电二极管 图形符号 等效电路 特性曲线 3 发光二极管 发光二极管是一种能把电能转换成光能的特殊器件 这种二极管不仅具有普通二极管的正 反向特性 而且当给管子施加正向偏压时 管子还会发出可见光和不可见光 即电致发光 目前应用的有红 黄 绿 蓝 紫等颜色的发光二极管 此外 还有变色发光二极管 即当通过二极管的电流改变时 发光颜色也随之改变 图下 a 所示为发光二极管的图形符号 发光二极管常用来作为显示器件 除单个使用外 也常做成七段式或矩阵式器件 发光二极管的另一个重要的用途是将电信号变为光信号 通过光缆传输 然后再用光电二极管接收 再现电信号 图下 b 所示为发光二极管发射电路通过光缆驱动的光电二极管电路 在发射端 一个0 V的脉冲信号通过500 的电阻作用于发光二极管 LED 这个驱动电路可使LED产生一数字光信号 并作用于光缆 由LED发出的光约有20 耦合到光缆 在接收端 传送的光中 约有80 耦合到光电二极管 以致在接收电路的输出端复原为0 V电压的脉冲信号 发光二极管 a 图形符号 b 光电传输系统 4 变容二极管 二极管结电容的大小除了与本身的结构和工艺有关外 还与外加电压有关 结电容随反向电压的增加而减小 这种效应显著的二极管称为变容二极管 其图形符号如图7 13 a 所示 图 b 是某种变容二极管的特性曲线 变容二极管 a 图形符号 b 结电容与电压的关系 纵坐标为对数刻度 半导体三极管 半导体三极管根据其结构和工作原理的不同可以分为双极型和单极型半导体三极管 双极型半导体三极管 简称BJT 又称为双极型晶体三极管或三极管 晶体管等 之所以称为双极型管 是因为它由空穴和自由电子两种载流子参与导电 而单极型半导体三极管只有一种载流子导电 半导体三极管的结构和类型 三极管的构成是在一块半导体上用掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的PN结 并引出三个电极 如下图所示 三极管有三个区 发射区 发射载流子的区域 基区 载流子传输的区域 集电区 收集载流子的区域 各区引出的电极依次为发射极 极 基极 极 和集电极 极 发射区和基区在交界处形成发射结 基区和集电区在交界处形成集电结 根据半导体各区的类型不同 三极管可分为NPN型和PNP型两大类 如下图 a b 所示 三极管的组成与符号 a NPN型 b PNP型 为使三极管具有电流放大作用 在制造过程中必须满足实现放大的内部结构条件 即 1 发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度 以便于有足够的载流子供 发射 2 基区很薄 掺杂浓度很低 以减少载流子在基区的复合机会 这是三极管具有放大作用的关键所在 3 集电区比发射区体积大且掺杂少 以利于收集载流子 由此可见 三极管并非两个PN结的简单组合 不能用两个二极管来代替 在放大电路中也不可将发射极和集电极对调使用 三极管的工作电压和基本连接方式 工作电压三极管要实现放大作用必须满足的外部条件 发射结加正向电压 集电结加反向电压 即发射结正偏 集电结反偏 如下图所示 其中V为三极管 UCC 为集电极电源电压 UBB为基极电源电压 两类管子外部电路所接电源极性正好相反 Rb为基极电阻 Rc为集电极电阻 若以发射极电压为参考电压 则三极管发射结正偏 集电结反偏这个外部条件也可用电压关系来表示 对于NPN型 UC UB UE 对于PNP型 UE UB UC 三极管电源的接法 a NPN型 b PNP型 基本连接方式 三极管有三个电极 而在连成电路时必须由两个电极接输入回路 两个电极接输出回路 这样势必有一个电极作为输入和输出回路的公共端 根据公共端的不同 有三种基本连接方式 1 共发射极接法 简称共射接法 共射接法是以基极为输入端的一端 集电极为输出端的一端 发射极为公共端 如下图 a 所示 2 共基极接法 简称共基接法 共基接法是以发射极为输入端的一端 集电极为输出端的一端 基极为公共端 如下图 b 所示 3 共集电极接法 简称共集接法 共集接法是以基极为输入端的一端 发射极为输出端的一端 集电极为公共端 如下图 c 所示 图中 表示公共端 又称接地端 无论采用哪种接法 都必须满足发射结正偏 集电结反偏 三极管电路的三种组态 a 共发射极接法 b 共基极接法 c 共集电极接法 三极管的主要参数 1 电流放大倍数2 极间反向电流3 极限参数 1 集电极最大允许电流ICM 2 集电极最大允许功率损耗PCM 3 反向击穿电压U BR CEO U BR CBO U BR EBO 场效应管 场效应管 简称FET 是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的 所以又称之为电压控制型器件 它工作时只有一种载流子 多数载流子 参与导电 故也叫单极型半导体三极管 因它具有很高的输入电阻 能满足高内阻信号源对放大电路的要求 所以是较理想的前置输入级器件 它还具有热稳定性好 功耗低 噪声低 制造工艺简单 便于集成等优点 因而得到了广泛的应用 根据结构不同 场效应管可以分为结型场效应管 JFET 和绝缘栅型场效应管 IGFET 或称MOS型场效应管两大类 根据场效应管制造工艺和材料的不同 又可分为N型沟道场效应管和P型沟道场效应管 结型场效应管结构和符号 结型场效应管 JFET 结构示意图如图 a 所示 N沟道结型场效应管 a 结构示意图 b 图形符号 c 外形图 P沟道结型场效应管 a 结构示意图 b 图形符号 工作原理 以N沟道结型场效应管为例 场效应管工作时它的两个PN结始终要加反向电压 对于N沟道 各极间的外加电压变为UGS 0 漏源之间加正向电压 即UDS 0 当G S两极间电压UGS改变时 沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变 由于沟道宽度的变化 导致沟道电阻值的改变 从而实现了利用电压UGS控制电流ID的目的 场效应管的工作原理 UGS对导电沟道的影响 a 导电沟道最宽 b 导电沟道变窄 c 导电沟道夹断 绝缘栅型场效应管 在结型场效应管中 栅源间的输入电阻一般为10 6 10 9 由于PN结反偏时 总有一定的反向电流存 而且受温度的影响 因此 限制了结型场效应管输入电阻的进一步提高 而绝缘栅型场效应管的栅极与漏极 源极及沟道是绝缘的 输入电阻可高达10 9 以上 由于这种场效应管是由金属 Metal 氧化物 Oxide 和半导体 Semiconductor 组成的 故称MOS管 MOS管可分为N沟道和P沟道两种 按照工作方式不同可以分为增强型和耗尽型两类 沟道增强型绝缘栅场效应管结构和符号 下图是N沟道增强型MOS管的示意图 MOS管以一块掺杂浓度较低的P型硅片做衬底 在衬底上通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区 并引出两个极作为源极S和漏极D 在P型硅表面制作一层很薄的二氧化硅 SiO2 绝缘层 在二氧化硅表面再喷上一层金属铝 引出栅极G 这种场效应管栅极 源极 漏极之间都是绝缘的 所以称之为绝缘栅场效应管 绝缘栅场效应管的图形符号如下图 b c 所示 箭头方向表示沟道类型 箭头指向管内表示为N沟道MOS管 图 b 否则为P沟道MOS管 图 c MOS管的结构及其图形符号 下图是N沟道增强型MOS管的工作原理示意图 图 b 是相应的电路图 工作时栅源之间加正向电源电压UGS 漏源之间加正向电源电压UDS 并且源极与衬底连接 衬底是电路中最低的电位点 当UGS 0时 漏极与源极之间没有原始的导电沟道 漏极电流ID 0 这是因为当UGS 0时 漏极和衬底以及源极之间形成了两个反向串联的PN结 当UDS加正向电压时 漏极与衬底之间PN结反向偏置的缘故 N沟道增强型MOS管工作原理 a 示意图 b 电路图 当UGS 0时 栅极与衬底之间产生了一个垂直于半导体表面 由栅极G指向衬底的电场 这个电场的作用是排斥P型衬底中的空穴而吸引电子到表面层 当UGS增大到一定程度时 绝缘体和P型衬底的交界面附近积累了较多的电子 形成了N型薄层 称为N型反型层 反型层使漏极与源极之间成为一条由电子构成的导电沟道 当加上漏源电压UGS之后 就会有电流ID流过沟道 通常将刚刚出现漏极电流ID时所对应的栅源电压称为开启电压 用UGS th 表示 当UGS UGS th 时 UGS增大 电场增强 沟道变宽 沟道电阻减小 ID增大 反之 UGS减小 沟道变窄 沟道电阻增大 ID减小 所以改变UGS的大小 就可以控制沟道电阻的大小 从而达到控制电流ID的大小 随着UGS的增强 导电性能也跟着增强 故称之为增强型 必须强调 这种管子当UGS UGS th 时 反型层 导电沟道 消失 ID 0 只有当UGS UGS th 时 才能形成导电沟道 并有电流ID N沟道耗尽型MOS管结构 符号和工作原理 N沟道耗尽型MOS管的结构如下图 a 所示 图形符号如下图 b 所示 N沟道耗尽型MOS管在制造时 在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子 这些正离子的存在 使得UGS 0时 就有垂直电场进入半导体 并吸引自由电子到半导体的表层而形成N型导电沟道 如果在栅源之间加负电压 UGS所产生的外电场就会削弱正离子所产生的电场 使得沟道变窄 电流ID减小 反之 电流ID增加 故这种管子的栅源电压UGS可以是正的 也可以是负的 改变UGS 就可以改变沟道的宽窄 从而控制漏极电流ID N沟道耗尽型MOS管的结构和符号 a 结构 b 图形符号 场效应管的主要参数及注意事项 主要参数 1 开启电压UGS th 和夹断电压UGS off 2 饱和漏极电流IDSS3 低频跨导gm 又称低频互导 4 直流输入电阻RGS5 漏源击穿电压U BR DS6 栅源击穿电压U BR GS7 最大耗散功率PDM 注意事项 1 在使用场效应管时 要注意漏源电压UDS 漏源电流ID 栅源电压UGS及耗散功率等值不能超过最大允许值 2 场效应管从结构上看漏源两极是对称的 可以互相调用 但有些产品制作时已将衬底和源极在内部连在一起 这时漏源两极不能对换用 3 结型场效应管的栅源电压UGS不能加正向电压 因为它工作在反偏状态 通常各极在开路状态下保存 4 绝缘栅型场效应管的栅源两极绝不允许悬空 因为栅源两极如果有感应电荷 就很难泄放 电荷积累会使电压升高 而使栅极绝缘层击穿 造成管子损坏 因此要在栅源间绝对保持直流通路 保存时务必用金属导线将三个电极短接起来 在焊接时 烙铁外壳必须接电源地端 并在烙铁断开电源后再焊接栅极 以避免交流感应将栅极击穿 并按S D G极的顺序焊好之后 再去掉各极的金属短接线 5 注意各极电压的极性不能接错 晶闸管 晶闸管又称可控硅 是一种大功率半导体可控元件 它主要用于整流 逆变 调压 开关四个方面 应用最多的是晶闸管整流 它具有输出电压可调等特点 晶闸管的种类很多 有普通单向和双向晶闸管 可关断晶闸管 光控晶闸管等 晶闸管的基本结构 性能及参数 晶闸管的基本结构 晶闸管的基本结构是由P1 N1 P2 N2三个PN结四层半导体构成的 如下图所示 其中P1层引出电极A为阳极 N2层引出电极K为阴极 P2层引出电极G为控制极 其外型及符号如下图所示 晶闸管结构 晶闸管的外型及符号 晶闸管的工作原理 把晶闸管的内部结构看成由PNP和NPN型两个晶体管连接而成 如下图所示 当在A K两极间加上正向电压UAK时 由于J2反偏 故晶闸管不导通 在控制极上加一正向控制电压UGK后 产生控制电流IG 它流入V2管的基极 并经过V2管电流放大得IC2 2IG 又因为IC2 IB1 所以IC1 1 2IG IC1又流入V2管的基极再经放大形成正反馈 使V1和V2管迅速饱和导通 饱和压降约为1V左右 使阳极有一个很大的电流IA 电源电压UAK几乎全部加在负载电阻RL上 这就是晶闸管导通的原理 当晶闸管导通后 若去掉UGK 晶闸管仍维持导通 晶闸管内部结构 要使晶闸管重新关断 只有使阳极电流小于某一值 使V1 V2管截止 这个电流称维持电流 当可控硅阳极和阴极之间加反向电压时 无论是否加UGK 晶闸管都不会导通 综上所述 晶闸管是一个可控制的单向开关元件 它的导通条件为 阳极到阴极之间加上阳极比阴极高的正偏电压 晶闸管控制极要加门极比阴极电位高的触发电压 而关断条件为晶闸管阳极接电源负极 阴极接电源正极 或使晶闸管中电流减小到维持电流以下 晶闸管整个工作情况如下图所示 单相半控桥式整流电路 晶闸管组成的半波电路 集成电路 集成电路 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上 集成电路的优点 工作稳定 使用方便 体积小 重量轻 功耗小 集成电路的分类 模拟集成电路 数字集成电路 数模混合集成电路 小 中 大 超大规模集成电路 集成电路内部结构的特点 电路元件制作在一个芯片上 元件参数偏差方向一致 温度均一性好 电阻元件由硅半导体构成 范围在几十到20千欧 精度低 高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接 几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成 大电容要外接 二极管一般用三极管的发射结构成 4 68 UEE UCC u uo u 反相输入端 同相输入端 原理框图 输入级 中间级 输出级 与uo反相 与uo同相 集成运放的结构 1 采用四级以上的多级放大器 输入级和第二级一般采用差动放大器 2 输入级常采用复合三极管或场效应管 以减小输入电流 增加输入电阻 3 输出级采用互补对称式射极跟随器 以进行功率放大 提高带负载的能力 对输入级的要求 尽量减小零点漂移 尽量提高KCMRR 输入阻抗ri尽可能大 对中间级的要求 足够大的电压放大倍数 对输出级的要求 主要提高带负载能力 给出足够的输出电流io 即输出阻抗ro小 主要参数 一 开环电压放大倍数Auo无外加反馈回路的差模放大倍数 一般在105 107之间 理想运放的Auo为 二 共模抑制比KCMMR常用分贝作单位 一般100dB以上 运算放大器在信号处理方面的应用 比例运算电路 将信号按比例放大 可分为同相比例放大和反相比例放大 同相比例放大 反相比例放大 电压跟随器 反相求和运算 减法运算 同相求和运算 微分运算 积分运算 积分电路的主要用途1 在电子开关中用于延迟 2 波形变换 例 将方波变为三角波 3 A D转换中 将电压量变为时间量 4 移相 有源滤波器滤波电路的分类1 按信号性质分类模拟滤波器和数字滤波器2 按所用元件分类无源滤波器和有源滤波器3 按电路功能分类 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器4 按阶数分类 一阶 二阶 高阶 低通滤波器 高通滤波器 低通滤波器 电压比较器 谢谢大家