二極管和三極管原理課件.ppt

第二講邏輯門電路 附 一 半導(dǎo)體的基本知識 1 半導(dǎo)體 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體 最常用的半導(dǎo)體為硅 Si 和鍺 Ge 它們的共同特征是四價元素 每個原子最外層電子數(shù)為4 Si Ge 2 半導(dǎo)體材料的特性 純凈半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差 溫度升高 導(dǎo)電能力增強(qiáng) 光照增強(qiáng) 導(dǎo)電能力增強(qiáng) 摻入少量雜質(zhì) 導(dǎo)電能力增強(qiáng) 3 本征半導(dǎo)體 經(jīng)過高度提純 99 99999 的單一晶格結(jié)構(gòu)的硅或鍺原子構(gòu)成的晶體 或者說 完全純凈 具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體的特點是 原子核最外層的價電子是四個 是四價元素 它們排列成非常整齊的晶格結(jié)構(gòu) 所以半導(dǎo)體又稱為晶體 4 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能 4 1價電子與共價鍵 在本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)中 每一個原子與相鄰的四個原子結(jié)合 每一原子的一個價電子與另一原子的一個價電子組成一個電子對 這對價電子是每兩個相鄰原子共有的 它們把相鄰的原子結(jié)合在一起 構(gòu)成所謂共價鍵的結(jié)構(gòu) 共價鍵 硅原子 共價鍵 價電子 價電子受到激發(fā) 形成自由電子并留下空穴 半導(dǎo)體中的自由電子和空穴都能參與導(dǎo)電 半導(dǎo)體具有兩種載流子 這是與金屬導(dǎo)體的一個很大的區(qū)別 金屬導(dǎo)體只有電子一種載流子 自由電子和空穴同時產(chǎn)生 空穴 4 2自由電子與空穴 在價電子成為自由電子的同時 在它原來的位置上就出現(xiàn)一個空位 稱為空穴 空穴表示該位置缺少一個電子 丟失電子的原子顯正電 稱為正離子 自由電子又可以回到空穴的位置上 使離子恢復(fù)中性 這個過程叫復(fù)合 硅原子 共價鍵 價電子 產(chǎn)生與復(fù)合 4 3空穴流與電子流 在外電場的作用下 有空穴的原子可以吸引相鄰原子中的價電子 填補(bǔ)這個空穴 同時 在失去了一個價電子的相鄰原子的共價鍵中出現(xiàn)另一個空穴 它也可以由相鄰原子中的價電子來遞補(bǔ) 而在該原子中又出現(xiàn)一個空穴 如此繼續(xù)下去 就好像空穴在移動 空穴的運動形成了空穴流 其方向與電流方向相同 打一個通俗的比方 好比大家坐在劇院看節(jié)目 若一個座位的人走了 出現(xiàn)一個空位 鄰近座位的人去遞補(bǔ)這個空位并依次遞補(bǔ)下去 看起來就像空位子在運動一樣 而原子中自由電子的運動 則好像劇院中沒有位置的人到處找位置的運動一樣 因此 空穴流和電子流是有所不同的 在金屬導(dǎo)體中只有電子這種載流子 而半導(dǎo)體中存在空穴和電子兩種載流子 在外界電場的作用下能產(chǎn)生空穴流和電子流 它們的極性相反且運動方向相反 所以 產(chǎn)生的電流方向是一致的 總電流為空穴流和電子流之和 這個是半導(dǎo)體導(dǎo)電的極重要的一種特性 空穴 價電子 5 雜質(zhì)半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體雖然有自由電子和空穴兩種載流子 但由于數(shù)目極少導(dǎo)電能力仍然很低 如果在其中摻入微量的雜質(zhì) 某種元素 這將使摻雜后的半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體 的導(dǎo)電性能大大增強(qiáng) N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體 在硅或鍺晶體中摻入磷 或其它五價元素 每個磷原子有5個價電子故在構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)時將因增加一個電子而形成一個自由電子 這樣 在半導(dǎo)體中就形成了大量自由電子 這種以自由電子導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體 N型 P 多余電子 P 摻入磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶體中 自由電子的數(shù)目大量增加 自由電子是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電方式 稱之為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體 特點 在N型半導(dǎo)體中電子是多數(shù)載流子 空穴是少數(shù)載流子 室溫情況下 本征硅中當(dāng)磷摻雜量在10 6量級時 電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍 P型半導(dǎo)體 在硅或鍺晶體中滲入硼 或其它三價元素 每個硼原子只有三個價電子故在構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)時將因缺少一個電子而形成一個空穴 這樣 在半導(dǎo)體中就形成了大量空穴 這種以空穴導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體 P型 B B 空穴 摻硼的半導(dǎo)體中 空穴的數(shù)目遠(yuǎn)大于自由電子的數(shù)目 空穴為多數(shù)載流子 自由電子是少數(shù)載流子 這種半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體 一般情況下 摻雜半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的數(shù)量可達(dá)到少數(shù)載流子的1010倍或更多 二 半導(dǎo)體二極管 PN結(jié)是由P型和N型半導(dǎo)體組成的 但它們一旦形成PN結(jié) 就會產(chǎn)生P型和N型半導(dǎo)體單獨存在所沒有的新特性 概念 擴(kuò)散和漂移在PN結(jié)中 載流子 電子與空穴 有兩種運動形式 即擴(kuò)散和漂移 擴(kuò)散 由于濃度的不同而引起的載流子運動 比如 把藍(lán)墨水 濃度大 滴入一杯清水 濃度小 中 藍(lán)色分子會自動地四周擴(kuò)散開來 值到整杯水的顏色均勻為止 漂移 在電場作用下引起的載流子運動 PN結(jié)的形成 1 PN結(jié)的形成 多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動 形成PN結(jié) 空間電荷區(qū)的一個重要特征是 在此區(qū)間中 電子和空穴相互復(fù)合 束縛于共價鍵內(nèi) 造成主要載流子不足 因此 空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū) 耗損層 由于主要載流子的不足 耗損層的電阻率非常高 比P區(qū)和N區(qū)的電阻率高得多 在耗盡層內(nèi)N型側(cè)帶正電 P型側(cè)帶負(fù)電 因此內(nèi)部產(chǎn)生一個靜電場 耗盡層的兩端存在電位差 擴(kuò)散運動與漂移運動 擴(kuò)散和漂移的動態(tài)平衡形成了PN結(jié) 擴(kuò)散和漂移是互相聯(lián)系 又是互相矛盾的 在開始形成空間電荷區(qū)時 多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動占優(yōu)勢 但在擴(kuò)散運動進(jìn)行過程中 空間電荷區(qū)逐漸加寬 內(nèi)電場逐步加強(qiáng) 于是在一定條件下 例如溫度一定 多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動逐漸減弱 而少數(shù)裁流子的漂移運動則逐漸增強(qiáng) 最后擴(kuò)散運動和漂移運動達(dá)到動態(tài)平衡 達(dá)到平衡后空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來 PN結(jié)就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài) 內(nèi)電場的計算公式看備注 結(jié)加正向電壓 PN 導(dǎo)通 2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?如果在PN結(jié)上加正向電壓 即外電源的正端接P區(qū) 負(fù)端接N區(qū) 可見外電場與內(nèi)電場的方向相反 因此擴(kuò)散與漂移運動的平衡被破壞 外電場驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷 同時N區(qū)的自由電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷 于是 整個空間電荷區(qū)變窄 電內(nèi)電場被削弱 多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動增強(qiáng) 形成較大的擴(kuò)散電流 正向電流 在一定范圍內(nèi) 外電場愈強(qiáng) 正向電流 由P區(qū)流向N區(qū)的電流 愈大 這時PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很低 正向電流包括空穴電流和電子電流兩部分 空穴和電子雖然帶有不同極性的電荷 但由于它們的運動方向相反 所以電流方向一致 外電源不斷地向半導(dǎo)體提供電荷 使電流得以維持 結(jié)加反向電壓 PN 截止 若給PN結(jié)加反向電壓 即外電源的正端接N區(qū) 負(fù)端接P區(qū) 則外電場與內(nèi)電場方向一致 也破壞了擴(kuò)散與漂移運動的平衡 外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走 使得空間電荷增加 空間電荷區(qū)變寬 內(nèi)電場增強(qiáng) 使多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動難以進(jìn)行 但另一方面 內(nèi)電場的增強(qiáng)也加強(qiáng)了少數(shù)裁流于的漂移運動 在外電場的作用下 N區(qū)中的空穴越過PN結(jié)進(jìn)入P區(qū) P區(qū)中的自由電子越過PN結(jié)進(jìn)入N區(qū) 在電路中形成了反向電流 由N區(qū)訪向P區(qū)的電流 由于少數(shù)載流子數(shù)量很少 因此反向電流不大 即PN結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很高 換句話說 在P型半導(dǎo)體中基本上沒有可以自由運動的電子 而在N型半導(dǎo)體中基本上沒有可供電子復(fù)合的空穴 因此 產(chǎn)生的反向電流就非常小 值得注意的是 因為少數(shù)載流子是由于價電子獲得熱能 熱激發(fā) 掙脫共價鍵的束縛而產(chǎn)生的 環(huán)境溫度愈高 少數(shù)載流子的數(shù)目愈多 所以溫度對反向電流的影響很大 由以上分析可見 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?即在PN結(jié)上加正向電壓時 PN結(jié)電阻很低正向電流較大 PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài) 加反向電壓時 PN結(jié)電阻很高 反向電流很小 PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài) PN結(jié)的反向擊穿 具體請看備注 齊納擊穿 雪崩擊穿 2019 12 20 29 可編輯 三 雙極型晶體管 雙極型晶體管的幾種常見外形 a 小功率管 b 小功率管 c 中功率管 d 大功率管 雙極型晶體管又稱三極管 電路表示符號 BJT BipolarJunctionTransistor 由于有兩種極性的載流子 即多數(shù)載流子和反極性的少數(shù)載流子 參與導(dǎo)電 因此稱為雙極型晶體管 根據(jù)功率的不同具有不同的外形結(jié)構(gòu) 基本結(jié)構(gòu) 由兩個摻雜濃度不同且背靠背排列的PN結(jié)組成 根據(jù)排列方式的不同可分為NPN型和PNP型兩種 每個PN結(jié)所對應(yīng)區(qū)域分別稱為發(fā)射區(qū) 基區(qū)和集電區(qū) 制成晶體管的材料可以為硅或鍺 基區(qū) 很薄 面積小 摻雜濃度低 集電區(qū) 面積大 摻雜濃度中 發(fā)射區(qū) 摻雜濃度高 VBE RB VCE IE 進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合 形成電流IBE 多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié) 形成電流ICE RC IBE 發(fā)射結(jié)正偏 發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散 形成發(fā)射極電流IE ICE ICBO 發(fā)射極開路時集電結(jié)反向飽和電流 晶體管中的載流子運動和電流分配 JFETJointFieldEffectTransistor中文名稱 結(jié)型場效應(yīng)管 MOSFETMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor中文名稱 絕緣柵型場效應(yīng)管 或稱金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管 場效應(yīng)管有兩種 四 場效應(yīng)管 FieldEffectTransistor 1 結(jié)型場效應(yīng)管 JFET 具體分為 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管 P溝道結(jié)型場效應(yīng)管 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管 基底 N型半導(dǎo)體 兩邊是P區(qū) 導(dǎo)電溝道 P溝道結(jié)型場效應(yīng)管 工作原理 以P溝道為例 設(shè)UDS 0V PN結(jié)反偏 UGS越大則耗盡區(qū)越寬 導(dǎo)電溝道越窄 當(dāng)UGS比較小時 耗盡區(qū)寬度有限 存在導(dǎo)電溝道 DS間相當(dāng)于線性電阻 柵源電壓UGS對導(dǎo)電溝道的影響 P G S D UDS UGS UGS達(dá)到一定值時 夾斷電壓VP 耗盡區(qū)碰到一起 DS間被夾斷 這時 即使UDS 0V 漏極電流ID 0A ID 夾斷電壓Pinchoffvoltage 可見 UGS控制著漏源之間的導(dǎo)電溝道 當(dāng)UGS增加到某一數(shù)值VP時 兩邊耗盡層合攏 整個溝道被耗盡層完全夾斷 VP稱為夾斷電壓 此時 漏源之間的電阻趨于無窮大 管子處于截止?fàn)顟B(tài) 設(shè)UDS 0V 漏源電壓UDS對漏極電流ID的影響 設(shè)UGS Vp且UGS不變 越靠近漏端 PN結(jié)反偏越大 溝道中仍是電阻特性 但呈現(xiàn)為非線性電阻 當(dāng)UDS較小 UGD VP時 設(shè)UGS Vp且UGS不變 漏端的溝道被夾斷 稱為預(yù)夾斷 當(dāng)UDS繼續(xù)增加 UGD VP時 若UDS繼續(xù)增大 則UGD VP 被夾斷區(qū)向下延伸 此時 電流ID由未被夾斷區(qū)域中的載流子形成 基本不隨UDS的增加而增加 呈恒流特性 可見 若UGS VP且不變 當(dāng)UDS 0且尚小時 PN結(jié)因加反向電壓 使耗盡層具有一定寬度 但寬度上下不均勻 這是由于漏源之間的導(dǎo)電溝道具有一定電阻 因而漏源電壓UDS沿溝道遞升 造成漏端電位低于源端電位 使近漏端PN結(jié)上的反向偏壓大于近源端 因而近漏端耗盡層寬度大于近源端 顯然 在UDS較小時 溝道呈現(xiàn)一定電阻 ID隨UDS而接近線性規(guī)律變化 由于溝道電阻的增大 ID增長變慢了 當(dāng)UDS增大而使得UGD等于VP時 溝道在近漏端首先發(fā)生耗盡層相碰的現(xiàn)象 這種狀態(tài)稱為預(yù)夾斷 這時管子并不截止 因為預(yù)夾斷層很薄且漏源兩極間的場強(qiáng)足夠大 完全可以把向漏極漂移的載流子吸引過去形成漏極飽和電流IDSS 當(dāng)UGD VP時 耗盡層從近漏端開始沿溝道加長它的接觸部分 形成夾斷區(qū) 在發(fā)生預(yù)夾斷后 由于耗盡層的電阻比溝道電阻大得多 UDS繼續(xù)增加的那部分電壓基本上落在夾斷區(qū)上 使夾斷區(qū)形成很強(qiáng)的電場 它完全可以把溝道中向漏極漂移的載流子拉向漏極 形成漏極電流 因為未被夾斷的溝道上的電壓基本保持不變 于是向漏極方向漂移的載流子也基本保持不變 管子呈恒流特性 但是 如果再增加UDS達(dá)到BUDS時 BUDS稱為擊穿電壓 進(jìn)入夾斷區(qū)的電子將被強(qiáng)電場加速而獲得很大的動能 這些電子和夾斷區(qū)內(nèi)的原子碰撞發(fā)生鏈鎖反應(yīng) 產(chǎn)生大量的新生載流予 使ID急劇增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象 由此可見 結(jié)型場效應(yīng)管的漏極電流ID受UGS和UDS的雙重控制 2 絕緣柵型場效應(yīng)管 MOSFET 具體分為 N溝道增強(qiáng)型 N溝道耗盡型 P溝道增強(qiáng)型 P溝道耗盡型 N溝道增強(qiáng)型 P型基底 兩個N區(qū) SiO2絕緣層 金屬鋁 襯底引線 一般情況下 源極 S 和襯底引線 B 是連接在一起的 大部分都是在出廠時已經(jīng)連好 若VGS 0 即VGB 0 則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個電場 電場方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場 這個電場能排斥空穴而吸引電子 使柵極附近的P型襯底中的空穴 多子 被排斥 而P型襯底中的電子 少子 被吸引到襯底表面 形成耗盡層 當(dāng)VGS數(shù)值較小 吸引電子的能力不強(qiáng)時 漏 D 源 S 極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn) VGS增加時 吸引到P襯底表面層的電子就增多 當(dāng)VGS達(dá)到某一數(shù)值時 這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層 且與兩個N區(qū)相連通 在漏 源極間形成N型導(dǎo)電溝道 其導(dǎo)電類型與P襯底相反 故又稱為反型層 VGS越大 作用于半導(dǎo)體表面的電場就越強(qiáng) 吸引到P襯底表面的電子就越多 導(dǎo)電溝道越厚 溝道電阻越小 開始形成溝道時的柵 源極電壓稱為開啟電壓 用VT表示 N溝道耗盡型 預(yù)埋導(dǎo)電溝道 P溝道增強(qiáng)型 P