第二章 半导体器件ppt课件.ppt

第二章 半导体器件,半导体的基本知识半导体二极管晶体三极管场效应管,2.1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1、半导体的概念和特性,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。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，只有在外电场强到一定程度时才可能导 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。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构,半导体材料具有以下一些独特的导电特性：,杂敏性 在纯净的半导体材料中掺入某种微量的元素(如硼和磷等)后，其导电能力将猛增几万倍甚至百万倍。 光敏性 有的半导体材料在无光照时电阻率很高，而一旦受到光线照射后电阻率即显著下降。热敏性 所谓热敏性是指半导体的电导率随温度升高(例如受热辐射)而显著增大的特性，即温度升高其导电能力大大加强。温度对半导体材料的导电性能影响很大。,2、本征半导体,本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体晶体,半导体原子结构示意图 (a)硅 (b)锗,图 2.1.1 本征半导体结构示意图,（1）.本征半导体的晶体结构,（ 2 ）.本征半导体的两种载流子自由电子和空穴,图2.1.2 本征激发产生电子空穴对,本征激发:本征半导体受外界能量(热能、电能和光能等)激发，产生电子、空穴对的过程.,载流子可以自由移动的带电粒子。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产生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。当没有外界其他影响时，在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，电子空穴对的数目相对保持不变。,二、杂质半导体,1. N型半导体,空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？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。,2. P型半导体,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。,P区空穴,N区自由电,浓度远高,子浓度远高,于N区。,于P区。,扩散运动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。,1.PN 结的形成,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。,漂移运动,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。,必要吗？,2.PN 结的单向导电性,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。,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Cb。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Cd。结电容： C j Cb Cd结电容不是常量！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，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？,2.2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、二极管的主要参数四、二极管基本应用电路五、特殊二极管,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。,一、二极管的组成,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,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,在常温下，UT=26mV。IS反向饱和电流，大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关。,从二极管的伏安特性可以反映出：,单向导电性伏安特性受温度影响,三、二极管的主要参数,导通电压Uon反向击穿电压UBR反向饱和电流Is最大整流电流IF：最大平均值最大反向工作电压UR：最大瞬时值反向电流 IR：即IS IR越小，单向导电性能越好。最高工作频率fM：因PN结有电容效应,讨论：解决两个问题,如何判断二极管的工作状态？含有二极管的电路如何进行电路分析？ 二极管是电子电路中常用的器件,利用其单向导电性可以构成多种实用电路，由于二极管的伏安特性具有非线性，这给二极管应用电路的分析带来一定的困难。在近似分析时，可将二极管用简化电路模型代替。二极管的简化模型主要有两种：理想模型和恒压降模型。理想模型把二极管视为理想二极管，即二极管正向导通时作短路处理；反向截止时作开路处理。恒压降模型把二极管视为恒压降二极管，即二极管正向导通时压降为一个常数；反向截止时作开路处理。,四、二极管基本应用电路整流电路,单向半波整流电路（a）电路图 （b）输入电压和输出电压的波形,例2.2.1二极管基本电路如图（a）所示，已知ui为正弦波，如图（b）所示。试利用二极管理想模型，画出uO的波形。,四、二极管基本应用电路限幅电路,四、二极管基本应用电路-开关电路,例2.2.2 电路如图（a）所示 ，其输入电压 和的波形如图（b）所示，二极管导通电压为0.7V，试画出输出电压的波形，并标出幅值。,五、特殊二极管-稳压二极管,伏安特性由一个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。 主要参数,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！,稳定电压UZ、稳定电流IZ,稳压二极管应用举例,例2.2.3 已知电路如图所示，电路中稳压管的稳定电压UZ=6V，最小稳定电流Izmin = 5mA ，最大稳定电流Izmax25m A 。（1）分别计算UI为10V、15V、35V 三种情况下输出电压UO的值； (2) 若 U I 35V 时负载开路，则会出现什么现象? 为什么？,稳压二极管应用举例,解：(1)只有当加在稳压管两端的电压大于其稳压值时，输出电压才为6V。,(2)当负载开路时，,故稳压管将被烧毁。,五、特殊二极管-发光二极管,发光二极管是一种将电能转变成光能的半导体器件。发光二极管包括可见光、不可见光和激光等不同类型，常用作显示器件。发光二极管的颜色取决于所用材料，可以制成各种形状如圆形、长方形等，电路符号如图所示。发光二极管也具有单向导电性。只有当外加的正向电压使得正向电流足够大时才发光，正向电流越大发光越强。使用时应注意不要超过最大功耗、最大正向电流和反向击穿电压等极限参数。,2.3晶体三极管,一、晶体管的结构和类型二、晶体管的电流放大作用三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、主要参数五、晶体三极管在电子技术中的应用,一、晶体管的结构和类型,1、晶体管的外形,一、晶体管的结构和类型,2、晶体管的结构和符号,结构特点：在制作工艺上，三个掺杂区域的几何尺寸和掺杂程度都有很大的差异，主要表现在以下几个方面：基区很薄（一般约1-几个微米），且掺杂浓度最低；发射区的掺杂浓度最高；集电区的掺杂浓度低于发射区，且结面积很大。注意：由以上特点可知，晶体管的发射区和集电区虽然均为同一类型的半导体，但由于结构特点的不同不能互换使用，晶体管也不能用两个二极管代替。,一、晶体管的结构和类型,3、三极管的三种连接方式,二、晶体管的电流放大作用,1、晶体管电流放大作用的外部条件 发射结正向偏置，集电结反向偏置,链接内部载流子传输动态演示,二、晶体管的电流放大作用,2、晶体管的电流分配关系,晶体管的电流放大系数，数值一般为几十到几百。式（2.2）说明基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，晶体管的电流放大作用由此实现。需要指出的是，晶体管的电流分配关系不仅在直流状态（静态）下成立，在交流状态（动态）下同样成立。,二、晶体管的电流放大作用,结论： 晶体管在发射结正偏，集电结反偏的条件下具有电流放大作用； 晶体管电流放大作用的实质是电流对电流的控制作用。,三、晶体管的特性曲线-晶体管共射输入特性和输出特性,1、晶体管特性曲线测试电路,晶体管特性曲线测试电路,三、晶体管的特性曲线-晶体管共射输入特性和输出特性,2、晶体管共射输入特性和输出特性,晶体管的输入特性曲线,晶体管的输出特性曲线,（1）.输入特性,当不变时, 输入回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输入特性, 即,晶体三极管的输入特性,（2）.输出特性 当不变时, 输出回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输出特性, 即,晶体三极管的输出特性,输出特性曲线 iC=f(vCE) iB= 常数,iC是输出电流，vCE是输出电压。,放大区：,发射结正偏、集电结反偏,截止区：,IB=0以下的区域。,饱和区：,发射结和集电结均为正偏。,IC随着VCE的变化而迅速变化。工程上以VCE=0.3伏作为放大区和饱和区的分界线。,VCE大于0.7 V左右(硅管) 。,发射结和集电结均为反偏。,截止区。 一般将的区域称为截止区, 在图中为的一条曲线的以下部分。此时也近似为零。由于各极电流都基本上等于零, 因而此时三极管没有放大作用。 其实时, 并不等于零, 而是等于穿透电流ICEO。 一般硅三极管的穿透电流小于A, 在特性曲线上无法表示出来。锗三极管的穿透电流约几十至几百微安。 当发射结反向偏置时, 发射区不再向基区注入电子, 则三极管处于截止状态。所以, 在截止区, 三极管的两个结均处于反向偏置状态。对三极管, , BC。,放大区 此时发射结正向运用, 集电结反向运用。 在曲线上是比较平坦的部分, 表示当一定时, 的值基本上不随CE而变化。在这个区域内,当基极电流发生微小的变化量时, 相应的集电极电流将产生较大的变化量, 此时二者的关系为 该式体现了三极管的电流放大作用。 对于三极管, 工作在放大区时.V, 而。 ,饱和区 曲线靠近纵轴附近, 各条输出特性曲线的上升部分属于饱和区。 在这个区域, 不同值的各条特性曲线几乎重叠在一起, 即当较小时, 管子的集电极电流基本上不随基极电流而变化, 这种现象称为饱和。此时三极管失去了放大作用, 或关系不成立。 一般认为CENE, 即CB时, 三极管处于临界饱和状态, 当CEBE时称为过饱和。三极管饱和时的管压降用CES表示。在深度饱和时, 小功率管管压降通常小于.V。 三极管工作在饱和区时, 发射结和集电结都处于正向偏置状态。对NPN三极管, 。,3.晶体管工作状态举例,例2.3.1现测得放大电路中两只管子两个电极的电流如图所示。分别求另一电极的电流，标出其实际方向，并在圆圈中画出管子，且分别求出它们的电流放大系数。,【解答】在T1中，=1mA/10A=100，故IE=(+1) 10=1010A=1.01 mA。在T2中，=（5.1 mA100A）/100A=50，故 IC=100=5000A=5 mA。,3.晶体管工作状态举例举例,例2.3.2测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图2.3.9所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。,四、晶体管的主要参数,(1) 共发射极电流放大系数。 体现共基极接法下的电流放大作用。 ,(2) 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。 ,(3) 极间反向电流,同一型号的管子反向电流越小，温度稳定性越好。,(4) 集电极最大允许电流(5) 集电极最大允许功率损耗 。当三极管工作时, 管子两端电压为 , 集电极电流为 , 因此集电极损耗的功率为,四、晶体管的主要参数,五、晶体三极管在电子技术中的应用,1. 小信号放大 用三极管构成的共射、共集、共基是三种基本的小信号放大器，它们还可构成多级放大电路以完成所需的放大功能。2. 功率放大 为驱动负载工作，常要进行功率放大。用三极管可构成OCL、OTL功率放大电路。3. 集成运算放大器 集成运算放大器主要也是由晶体三极管构成的。它可用于信号的放大、运算、处理、发生等广泛用途。4. 用于数字电路 工作在饱和、截止状态的晶体三极管还可构成基本逻辑门电路，以完成数字电路各种逻辑功能的要求。5. 光电三极管等还可用于其它各类用途,2.4 场效应管（FET）,一、场效应管概述二、结型场效应管（JFET） 三、绝缘栅型场效应管（MOS管）四、场效应管的主要参数五、场效应管与晶体管的比较,一、场效应管概述,只有一种极性的载流子（多数载流子）参与导电，故称为单极型三极管。又因为这种管子是利用电场效应来控制电流的，所以也称为场效应三极管（Field Effect Transistor ，缩写是FET），本书简称场效应管。场效应管分为两大类：一类是结型场效应管，另一类是绝缘栅场效管。,二、结型场效应管（JFET）,结型场效应管的结构和符号,1、结型场效应管的结构和符号,2. 结型场效应管的工作原理,(1) 对导电沟道的影响控制导电沟道的宽窄，使沟道均匀变化,对导电沟道的控制作用,(2) 对导电沟道的影响使沟道变得不均匀,当为中某一确定数值时，若，则尽管有一定宽度的导电沟道的存在，但d-s间电压为零，故不会产生多子的定向移动，电流。若，则有电流从漏极流向源极，并从漏极到源极产生电位降，致使越靠近d端导电沟道越窄，越靠近s端越宽，即形成导电沟道的不均匀。当增大到使时，靠近d端的耗尽层会出现夹断现象，称之为预夹断。此时若继续增大，耗尽层闭合部分(即夹断区)将加长，即增加部分将全部降在夹断区上，而基本保持不变，即呈现恒流的性质。,对导电沟道的影响,(3) 对 电流的控制作用,从以上分析可以看出， 直接控制着导电沟道的宽窄，而导电沟道的宽窄直接影响电流 的大小，所以，结型场效应管的电流 是受控制 的，因此也将场效应管称为电压控制电流元件，并将这种控制作用定义为跨导：综上可知：全夹断截止， 预夹断前 随 的增加而增加；预夹断 即 将恒流；预夹断后 不再随 增加而增加，保持恒 流性质，此时 的大小与 有关。,3. 结型场效应管的特性曲线,与晶体三极管相类似，结型场效应管也有两条特性曲线；但由于输入电流，所以两条曲线分别为输出特性曲线和转移特性曲线，如图所示。对应于晶体三极管饱和区、放大区、截止区，场效应管的三个区域分别为可变电阻区、恒流区、夹断区。,三、绝缘栅型场效应管（MOS管）,绝缘栅场效应管又称为MOS(金属-氧化物-半导体)管，MOS管名称是由于它的栅-源、栅-漏之间均采用SiO2绝缘层隔离，三个极采用金属材料，导电沟道及衬底采用半导体材料而得来的。它是一种输入电阻高、稳定性好、集成化程度高的场效应管，广泛应用于大规模和超大规模集成电路中。与结型场效应管相同，MOS管也分N沟道和P沟道两种，并且每一类还分为增强型和耗尽型两种。增强型和耗尽型的区别在于当为零时有无漏极电流,三、绝缘栅型场效应管（MOS管）,N沟道增强型MOS管结构示意及符号,1、N沟道增强型MOS管结构示意及符号,对导电沟道的影响,（1）,2、工作原理,对导电沟道的影响,（1）,2、工作原理（1）uGS的作用,当 时，漏-源之间是两只背向的PN结，不存在导电沟道，因此无论有无，均无漏极电流。当 时，由于SiO2的存在，栅极电流为零。但会排斥P衬底中的多子空穴而吸引少子自由电子，当所加的电压足够大时，就会形成一个N型薄层，称为反型层，这个反型层构成了漏-源之间的导电沟道。刚形成反型层(即导电沟道)时所加的称为开启电压，越大，反型层越厚，导电沟道越宽，产生的漏极电流将越大。,（2）uDS将使导电沟道不均匀并产生预夹断,与结型场效应管相类似，uDS的存在使漏-源之间的电位产生差别而使导电沟道变得不均匀，当加到使时，出现预夹断，不再随的增加而增加。的大小取决于导电沟道的宽窄，所以是由决定的。,对导电沟道的影响,（2） 将使导电沟道不均匀并产生预夹断,3、 N沟道增强型MOS管的特性曲线,N沟道增强型MOS管的特性曲线也分转移特性和输出特性两条。如图所示。,图 N 沟道增强型MOS管的特性曲线,4、 N沟道耗尽型MOS管,N沟道耗尽型MOS管与增强型MOS管的差别只在于在制造MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入大量正离子，因此，当时，在正离子的作用下，P衬底中已经形成了N型反型层，所以，当大于或等于甚至小于零时，均有导电沟道存在，因此只要在漏-源之间加电压，就会产生漏极电流。只当时，导电沟道才会消失，此时也称为全夹断。耗尽型MOS管的结构示意及符号如图所示。,图 N沟道耗尽型MOS管结构示意及符号,5、场效应管举例,例2.6 已知场效应管的输出特性曲线如图（a）所示，画出它的恒流区的转移特性曲线。,5、场效应管举例,解：过 某一确定值做垂线，这里以15V为例，如图（b），读出它与各输出特性的交点 的值，建立 坐标系，即可做出转移特性线。如图（c）所示。,5、场效应管举例,例2.7电路如图所示，T的输出特性如例2.7图（a）所示，试分析当 =4V、8V、12V三种情况下场效应管分别工作在什么区域。,5、场效应管举例解：,当 =4V时， ，VT截止；当 =8V时， 所以此时VT工作在恒流区；当 =12V时，由于 ，VT工作在可变电阻区。,1. 输入电阻RGS,结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107；绝缘栅型场效应三极管, RGS约是1091015。,2. 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用， gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS (毫西门子)。,3.最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。,四、场效应管的主要参数,5.最高工作频率 场效应管的三个极间均存在极间电容，在高频电路中应考虑极间电容的影响。管子的最高工作频率是综合考虑了三个电容的影响而确定的工作频率的上限值。,4. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当VGS=0时所对应的漏极电流。,四、场效应管的主要参数,五、场效应管与晶体三极管的比较,（1）场效应管是通过栅源电压UGS控制漏极电流Id，称为电压控制器件；晶体管是利用基极电流Ib来控制集电极电流Ic，属于电流控制器件。（2）场效应管中只有一种载流子（多子）参与导电，而晶体管中多子和少子同时参与导电，少子的数目主要取决于本征激发，受温度、辐射等因素的影响较大，所以场效应管的温度稳定性好，抗辐射能力强。因此在条件变化比较大的场合应选用场效应管。（3）场效应管的输入电阻很大，晶体管的输入电阻较小。（4）场效应管的跨导值g较小，而晶体管的值比较大，在相同情况下晶体管的放大能力优于场效应管。（5）场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，构成相应的集成电路。但场效应管的集成工艺较简单，且功耗小，电源电压工作范围宽，更广泛的特别应用于大规模和超大规模集成电路。,本章小结,1.半导体中有自由电子和空穴两种载流子。PN结的主要特性是单向导电性。2.二极管是一种非线性电子器件，基本结构是PN结。为了分析计算电路的方便，电路中通常近似为理想二极管或恒压降二极管；二极管的主要应用于整流、限幅、开关等电路；稳压二极管和发光二极管是较常用的特殊二极管；稳压二极管工作在反向击穿状态；发光二极管工作在正向导通状态。3.晶体管的结构特点使之在满足外部偏压的条件下具有电流放大作用，晶体管可以工作在放大、饱和、截止三种状态，满足不同的电路要求。4.场效应管是一种电压控制电流的器件，主要有MOS场效应管和结型场效应管。5.半导体器件的参数是合理选择和正确使用各种器件的依据。这些参数大致可分为性能参数和极限参数两类。,2. 场效应管场效应管分为结型和绝缘栅型两种类型，每种类型均分为两种N沟道和P沟道，而MOS管又分为增强型和耗尽型两种形式。场效应管是利用栅-源之间外加电压所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流 。当导电沟道未预夹断时，场效应管工作在可变电阻区；当导电沟道全夹断时，场效应管工作在截止区；当导电沟道预夹断后，场效应管就工作在放大恒流区。输出特性曲线描述了 、 和 之间的关系。,