半導體基本器件1.ppt

1、1,第二章 半導體基本器件,2,2.1 半導體二極管,2.1.1 半導體基本知識 一、什么是半導體？ 導體 (金屬原子的外層電子受原子核的束縛力很小，自由電子成為導電的“載流子”,絕緣體,可運動的帶電粒子,p39,3,半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的物質，如硅(Si),鍺(Ge,硅和鍺的原子結構模型,a)硅原子 (b)鍺原子 簡化模型,硅和鍺都是四價元素,原子的最外層軌道上有四個,價電子,4,1.本征半導體（純凈的半導體晶體,硅和鍺的晶體結構,點陣結構 （）共價鍵結構,點陣結構：每個原子周圍有四個相鄰的原子，原子之間通過共價鍵緊密結合在一起。原子最外層的價電子不僅圍繞兩個相鄰原子共用一對

2、電子,5,熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴,室溫下，由于熱運動少數(shù)價電子掙脫共價鍵的束縛,成為自由電子，同時在共價鍵中留下一個空位這個空位稱為“空穴”。失去價電子的原子成為正離子，就好象空穴帶正電荷一樣,在電子技術中,將空穴看成帶正電荷的載流子,6,空穴運動,有了空穴，鄰近共價鍵中的價電子很容易過來填補,這個空穴，這樣空穴便轉移到鄰近共價鍵中。新的空穴又會被鄰近的價電子填補。帶負電荷的價電子依次填補空穴的運動，從效果上看，相當于帶正電荷的空穴作相反方向的運動,與自由電子的運動不同,7,結論,本征半導體中有兩種載流子,帶負電荷的自由電子帶正電荷的空穴 熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，電子和空穴又

3、可能重新結合而成對消失，稱為“復合”。在一定溫度下自由電子和空穴維持一定的濃度,8,N型和P型半導體 (1)N型半導體,在硅晶體中摻入五價元素磷,磷原子的五個價電子有四個多出的一個電子不受共價鍵的束縛,室溫下很,容易成為自由電子。磷原子失去一個電子成為正離子（在晶體中不能移動） 每個磷原子都提供一個自由電子，自由電子數(shù)目大大增加，遠遠超過空穴數(shù)。這種半導體主要依靠電子導電，稱為電子型或N型半導體,9,N型半導體的特點,自由電子 空 穴,多數(shù)載流子（簡稱多子） 少數(shù)載流子（簡稱少子,只要摻入極少量的雜質元素（1106），多子的濃度將比本征半導體載流子濃度增加近106倍,摻入的雜質元素的濃度越高，

4、多數(shù)載流子的數(shù)量越多,10,2)P型半導體,在硅晶體中摻入三價元素硼,硼原子與相鄰的四個硅原子由于缺少一個價電子而產(chǎn)生一個空位，這個空位很容易被鄰近共價鍵中的價電子填補。硼原子,得到一個電子成為負離子（在晶體中不能移動），失去價電子的共價鍵中出現(xiàn)一個空穴，每個硼原子都產(chǎn)生一個空穴，空穴數(shù)目大大增加，遠遠超過自由電子數(shù)。這種半導體主要依靠空穴導電，稱為空穴型或P型半導體,11,P型半導體的特點,空 穴 自由電子,多數(shù)載流子（簡稱多子） 少數(shù)載流子（簡稱少子,摻入的雜質元素的濃度越高，多數(shù)載流子的數(shù)量越多,少數(shù)載流子是熱激發(fā)而產(chǎn)生的，其數(shù)量的多少決定于溫度,12,3. PN結的形成,預備知識,半導

5、體中載流子有擴散運動和漂移運動兩種運動方式。載流子在電場作用下的定向運動稱為漂移運動.在半導體中，如果載流子濃度分布不均勻，因為濃度差，載流子將會從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動，這種運動稱為擴散運動。 將一塊半導體的一側摻雜成P型半導體，另一側摻雜成N型半導體，在兩種半導體的交界面處將形成一個特殊的薄層,PN結,40,13,多子擴散運動形成空間電荷區(qū),由于濃度差，電子和空穴都要從濃度高的區(qū)域向擴散的結果，交界面P區(qū)一側因失去空穴而留下不能移動的負離子，N區(qū)一側因失去電子而留下不能移動的正離子，這樣在交界面處出現(xiàn)由數(shù)量相等的正負離子組成的空間電荷區(qū)，并產(chǎn)生由N區(qū)指向P區(qū)的內電場EIN,PN結,

6、14,內電場EIN阻止多子擴散，促使少子漂移,多子擴散,空間電荷區(qū)加寬內電場EIN增強,少子漂移,促使,阻止,EIN,EIN,空間電荷區(qū)變窄內電場EIN削弱,擴散與漂移達到動態(tài)平衡形成一定寬度的PN結,15,小結： PN結中同時存在多子的擴散運動和,少子的漂移運動，達到動態(tài)平衡時，擴散運動產(chǎn)生的擴散電流和漂移運動產(chǎn)生的漂移互相抵消，PN結中總的電流為零,41,16,4. PN結的單向導電性,外加正向電壓（也叫正向偏置,外加電場與內電場方向相反，內電場削弱，擴散運動大大超過漂移運動，N區(qū)電子不斷擴散到P區(qū)，P區(qū)空穴不斷擴散到N區(qū)，形成較大的正向電流，這時稱PN結處于“導通”狀態(tài),17,4. PN

7、結的單向導電性,外加反向電壓（也叫反向偏置,外加電場與內電場方向相同，增強了內電場，多子擴散難以進行，少子在電場作用下形成反向電流 IR，因為是少子漂移運動產(chǎn)生的， IR很小，這時稱PN結處于“截止”狀態(tài),18,PN結伏安特性,a. 外加正向電壓較小時，外電場不足以克服內電場對多子擴散的阻力，PN結仍處于截止狀態(tài) b. 正向電壓大于“開啟電壓UON”后，i 隨著 u 增大迅速上升,Uon0.5V(硅) Uon0.1V(鍺,P42,19,P42,c. 外加反向電壓時， PN結處于截止狀態(tài)，反向電流 IR 很小。 d. 反向電壓大于“擊穿電壓U（BR）”時，反向電流 IR 急劇增加,20,2.1.

8、2 二極管符號及主要參數(shù),A陽極 K陰極,二極管主要參數(shù)： 1.最大正向電流 IF 2.反向擊穿電壓U（BR） 3.反向電流 IR 4.最高工作頻率,21,2.1.3 二極管應用舉例,二極管的伏安特性是一個非線性的曲線，在實際分析電路中，導通時管壓降視為一個固定值：UD0.7V（硅） UD0.3V（鍺） p42 或視為一個理想開關，即導通時視為“短路”，截止時視為“開路”。這就是電子線路中經(jīng)常采用的近似估算法。 p44,22,Ui周期性矩形脈沖,23,2.1.3 穩(wěn)壓管及其應用,穩(wěn)壓管正常工作時處于反向擊穿狀態(tài)。 為了避免穩(wěn)壓管因過流而損壞，必須加限流電阻,24,2.2 半導體三極管,三極管的

9、結構及工作原理,a)管芯結構圖 (b)結構示意圖 (c) 電路符號,三極管內部結構的特點：基區(qū)很薄，摻雜濃度最低.發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，遠大于基區(qū)和集電區(qū)的摻雜濃度. 發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結稱為發(fā)射結，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結稱為集電結,NPN型三極管,b 基極,e 發(fā)射極,c 集電極,25,PNP型三極管,26,三極管電流的形成及分配,1.電流的形成 發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子，形成發(fā)射極電流 IE 發(fā)射結正向偏置,電子在基區(qū)復合形成基極電流 IB 由于基區(qū)很薄且空穴濃度很低，發(fā)射區(qū)電子進入基區(qū)后少數(shù)電子和基區(qū)空穴復合，絕大多數(shù)電子繼續(xù)擴散到集電結附近,集電結反向偏置，基區(qū)中擴散到集電結附近的電子

10、，在電場作用下漂移到集電區(qū)，形成集電極電流 IC,27,三極管電流的形成及分配,1.電流的分配關系,發(fā)射區(qū)電子在基區(qū)每復合一個，就要向集電區(qū)供給個電子，這是三極管內固定不變的電流分配原則,稱為電流放大系數(shù)， 值通常在20200之間,28,2.2.1 三極管的特性曲線,輸入特性曲線 輸出特性曲線,P47倒3行,P48倒13行,29,uBE Uon(0.5V,IB=0,IC0,截止區(qū),截止條件： uBE Uon(0.5V)特點： IB=0， IC0 c e 之間相當于斷開的開關,30,uBE Uon,放大區(qū),uCE uBE,放大條件： uBE Uon uCE uBE 特點： IC= IB， c e

11、 之間相當于受控電流源,P48,電流放大倍數(shù),31,uBE Uon,飽和區(qū),uCE uBE,飽和條件： uBE Uon uCE uBE 特點： IC IB ， uCEUCES0.3V， c e 之間相當于閉合的開關,32,飽和條件： uBE Uon uCE uBE 特點： IC IB ，uCEUCES0.3V， c e 之間相當于閉合的開關,截止條件： uBE Uon(0.5V) 特點： IB=0， IC0 c e 之間相當于斷開的開關,截止和飽和兩個狀態(tài)通稱為開關狀態(tài),33,2.2.2 三極管的主要參數(shù)及應用,Ib,Ic,1 共發(fā)射極電流放大系數(shù),20-200,34,三極管的主要參數(shù),2 擊

12、穿電壓 Ucbo,Uceo,Uebo,例如：Uebo=6V,Uebo,35,三極管的主要參數(shù),Ib,Ic,3 最大電流ICM, 最大功率PCM,Icm=600mA;PcM=625mW,設工作電流Ic=200mA Uce625/200=3V,36,例：P51,uI 周期性矩形脈沖,1) uI = 0 時,三極管截止，iB = 0 , iC = 0,uO = UCiC RC = UC = 12V (2) uI = 5V 時,37,例：P51,uI 周期性矩形脈沖,條件成立,假設三極管處于飽和狀態(tài),38,例：P51,39,PN結正向導通時，P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴，邊擴散，邊復合逐漸減少，在N區(qū)內產(chǎn)生一

13、定數(shù)量的空穴積累，形成梯度分布；同理， N區(qū)的電子擴散到P區(qū)后，也將在P區(qū)內產(chǎn)生一定數(shù)量的電子積累。這些擴散到對方區(qū)域并積累的電子及空穴稱為存儲電荷。 PN結正向導通時，PN結兩側出現(xiàn)的電子空穴積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲效應,預備知識,40,2.2.3 三極管的開關時間和極間電容,由于三極管內部電荷建立和消失均需一定的時間，截止和飽和兩種狀態(tài)的轉換不可能瞬間完成,延遲時間 td,上升時間 tr,開啟時間 ton（幾十到幾百納秒,存儲時間 ts,下降時間 tf,關閉時間 toff（幾十到幾百納秒,41,為TTL電路準備,輸入電阻很大，而輸出電阻很小 uOuI,特點,2.2.4 共集電極電路,P54-

14、55,42,2.3 MOS場效應管,P型硅片作襯底，表面制作兩個N型區(qū)，引出源極(s)和漏極(d)，覆蓋一層SiO2，在漏源之間絕緣層上再制作一層金屬鋁，引出柵極(g)，襯底也引出一個電極B,MOS場效應管是利用半導體表面的電場效應來控制輸出電流的，輸入端不需要供給電流,金屬-氧化物-半導體場效應管 （Metal-Oxide-Semiconductor,43,uGS= 0 時，漏源之間相當于兩個背靠背的PN結，無論漏源之間加何種極性的電壓，都不能導電,uGS 為正時，產(chǎn)生一個電場，把P型襯底少子電子吸引到襯底表面，當uGS 增大到一定值UT時，電子在襯底表面形成一個N型層即N型導電溝道,44,

15、IG=0,ID=gmUGS,小結：MOS管是一個受柵源電壓uGS控制的器件 uGSUT時，D-S間無導電溝道，MOS管截止 uGSUT時，D-S間才會形成導電溝道， 故稱為N溝道增強型MOS管。 uGS增大，導電溝道變寬。即改變uGS可以控制iD的大小,45,n,p,p,注意PMOS管S D 電流從S流入，D流出,例：P61,參見表：P56,46,UGS(th)N:開啟電壓,轉移特性,輸出特性,uGSUGS(th)N， 管子處于截止狀態(tài),D、S之間相當于斷開的開關,uGS UGS(th)N ，uDS較小。 iD與uDS之間近似為線性關系，D、S之間相當于一個由uGS控制的可變電阻， uGS越大

16、，曲線越陡， D、S之間的導通電阻越小,uGS UGS(th)N ，uDS較大， iD取決于uGS， D、S之間相當于一個受控電流源,47,轉移特性,輸出特性,在夾斷區(qū)，管子處于截止狀態(tài),D、S之間相當于斷開的開關,在可變電阻區(qū)，D、S之間導通電阻rDS(ON)很小，約為幾百歐姆。只要RD遠大于這個導通電阻，漏源之間可以看作閉合的開關,MOS管的開關特性,48,2.3.3 MOS場效應管的主要參數(shù),開啟電壓UGS(th)N或UGS(th)P,輸入電阻rGS,跨導gm,導通電阻rDS 也不是一個恒定值 在恒流區(qū)， rDS很大，在可變電阻區(qū)，導通電阻rDS很小，約為幾百歐姆，用rDS(ON)表示,極間電容CGS CGD CDS 影響MOS管開關速度的主要因素,常數(shù),49,已知UGS(th)N=2.0V gm=1.3mAV rDS(ON)=875,1) uI=0，管子截止，iD=0， uO = uDS= UCiD R1 = UC = 12V (2) uI=5V，管子工作在可變電阻區(qū)或恒流