第6章半導體器件基礎學習教案

1、會計學1第第6章半導體器件基礎章半導體器件基礎(jch)第一頁，共33頁。第1頁/共32頁第二頁，共33頁。 熱敏性熱敏性 光敏性光敏性 雜敏性雜敏性 本征半導體就是純凈本征半導體就是純凈(chnjng)(chnjng)(不含雜質不含雜質) )且具有完整晶體結構的半導體。且具有完整晶體結構的半導體。 對共有價電子所形成的束縛作用叫做對共有價電子所形成的束縛作用叫做。第2頁/共32頁第三頁，共33頁。 可以可以(ky)(ky)參與導電的帶電粒子，稱為載流子。參與導電的帶電粒子，稱為載流子。 自由電子和空穴總是相伴而生、成對出現(xiàn)的，稱為自由電子自由電子和空穴總是相伴而生、成對出現(xiàn)的，稱為自由電子-

2、 -空穴對?？昭▽?。第3頁/共32頁第四頁，共33頁。 N N 型半導體是在本征半導體硅晶體內摻入微量的五價元素型半導體是在本征半導體硅晶體內摻入微量的五價元素(yun s)(yun s)磷構成。磷構成。 自由電子自由電子(dinz)(dinz)數遠超過空穴數，以電子數遠超過空穴數，以電子(dinz)(dinz)導電為主的雜質半導體為電子導電為主的雜質半導體為電子(dinz)(dinz)型半導體型半導體( N( N型半導體型半導體) )。 自由電子自由電子(dinz)(dinz)是多數載流子，簡稱多子。是多數載流子，簡稱多子。 空穴是少數載流子，簡稱少子?？昭ㄊ巧贁递d流子，簡稱少子。 在在N

3、N型半導體中，整個晶體呈電中性。型半導體中，整個晶體呈電中性。第4頁/共32頁第五頁，共33頁。 P P型半導體是在本征半導體硅晶體型半導體是在本征半導體硅晶體(jngt)(jngt)內摻入微量的三價元素硼構成。內摻入微量的三價元素硼構成。 以空穴導電為主的半導體，稱為空穴型半導體以空穴導電為主的半導體，稱為空穴型半導體(P(P型半導體型半導體) )。 空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。整個晶體空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。整個晶體(jngt)(jngt)呈電中性。呈電中性。 第5頁/共32頁第六頁，共33頁。 通過摻雜工藝，使一塊完整通過摻雜工藝，使一塊完整(wnzhng)(

4、wnzhng)的半導體晶片的一邊為的半導體晶片的一邊為P P型半導體，另型半導體，另一邊為一邊為N N型半導體，兩種半導體的交界處形成一個具有特殊物理性質的帶電薄層，型半導體，兩種半導體的交界處形成一個具有特殊物理性質的帶電薄層，稱為稱為PNPN結。結。 交界處兩側，因濃度差作用產生的定向運動稱為多子的擴散運動。交界處兩側，因濃度差作用產生的定向運動稱為多子的擴散運動。 帶異性電荷的薄層，稱為空間電荷區(qū)，或稱為帶異性電荷的薄層，稱為空間電荷區(qū)，或稱為PNPN結。結。 空間電荷區(qū)內部電荷產生一個電場，稱為內電場?？臻g電荷區(qū)內部電荷產生一個電場，稱為內電場。第6頁/共32頁第七頁，共33頁。第7頁

5、/共32頁第八頁，共33頁。 PN PN結外加正向電壓時結外加正向電壓時( (又稱正向偏置又稱正向偏置) )，正向電阻，正向電阻(dinz)(dinz)較小，正向電較小，正向電流較大，處于導通狀態(tài)；流較大，處于導通狀態(tài)；PNPN結外加反向電壓時結外加反向電壓時( (又稱反向偏置又稱反向偏置) )，反向電阻，反向電阻(dinz)(dinz)很大，反向電流很小，處于截止狀態(tài)。很大，反向電流很小，處于截止狀態(tài)。PNPN結的這種特性稱為單向結的這種特性稱為單向導電性，它是導電性，它是PNPN結最重要的特性。結最重要的特性。第8頁/共32頁第九頁，共33頁。 PN PN結有一定的電容效應。結有一定的電容

6、效應。 外加電壓改變時，空間電荷區(qū)的電荷量將隨著改變，這些現(xiàn)象都和電容器的作用類似，稱之為結電容。外加電壓改變時，空間電荷區(qū)的電荷量將隨著改變，這些現(xiàn)象都和電容器的作用類似，稱之為結電容。 PN PN結外加電壓的變化結外加電壓的變化(binhu)(binhu)，電子濃度和，電子濃度和N N型半導體區(qū)的空穴擴散運動變化型半導體區(qū)的空穴擴散運動變化(binhu)(binhu)，這和電容的充、放電作用類似，稱為擴散電容。，這和電容的充、放電作用類似，稱為擴散電容。第9頁/共32頁第十頁，共33頁。 半導體二極管是將半導體二極管是將PNPN結外加封裝、引線構成結外加封裝、引線構成(guchng)(gu

7、chng)(圖圖6.2.5)6.2.5)。從從P P區(qū)引出的電極稱為正極或陽極，從區(qū)引出的電極稱為正極或陽極，從N N區(qū)引出的電極稱為負極或陰極。二區(qū)引出的電極稱為負極或陰極。二極管的電路符號如圖極管的電路符號如圖6.2.66.2.6，表示二極管具有單向導電性。，表示二極管具有單向導電性。 二極管的種類：按材料分有硅二極管和鍺二極管；按結構分有點接觸二極管的種類：按材料分有硅二極管和鍺二極管；按結構分有點接觸型和面接觸型二極管。型和面接觸型二極管。 點接觸型二極管結面積小，結電容也小，高頻性能好，允許通過的電流較點接觸型二極管結面積小，結電容也小，高頻性能好，允許通過的電流較小。小。 面接觸型

8、二極管結面積較大，結電容也大，可通過較大的電流。面接觸型二極管結面積較大，結電容也大，可通過較大的電流。第10頁/共32頁第十一頁，共33頁。 二極管的伏安特性曲線二極管的伏安特性曲線(qxin)(qxin)是流過二極管的電流隨外加偏是流過二極管的電流隨外加偏置電壓變化的關系曲線置電壓變化的關系曲線(qxin)(qxin)，它定量表示了二極管的單向導，它定量表示了二極管的單向導電性。電性。第11頁/共32頁第十二頁，共33頁。 最大整流電流最大整流電流IVDMIVDM，是指二極管長時間使用時所允許通過的最大正向平，是指二極管長時間使用時所允許通過的最大正向平均電流值。均電流值。 最高反向工作電

9、壓最高反向工作電壓URMURM，是指二極管上允許外加的最大反向電壓瞬時值，是指二極管上允許外加的最大反向電壓瞬時值。 最大反向電流最大反向電流IRMIRM，是指在一定的環(huán)境溫度下，二極管上外加最高反向，是指在一定的環(huán)境溫度下，二極管上外加最高反向工作電壓時流過的電流，常稱為反向飽和電流。工作電壓時流過的電流，常稱為反向飽和電流。 最高工作頻率，當二極管的工作頻率超過這個數值時，二極管將失去最高工作頻率，當二極管的工作頻率超過這個數值時，二極管將失去(shq)(shq)單向導電性。單向導電性。第12頁/共32頁第十三頁，共33頁。第13頁/共32頁第十四頁，共33頁。 3 3個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)、

10、集電區(qū)；個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)；3 3個電極：發(fā)射極、基極、集電極。個電極：發(fā)射極、基極、集電極。 發(fā)射區(qū)與基區(qū)間的發(fā)射區(qū)與基區(qū)間的PNPN結叫發(fā)射結，集電區(qū)與基區(qū)間的結叫發(fā)射結，集電區(qū)與基區(qū)間的PNPN結叫集電結。結叫集電結。 3 3個半導體區(qū)的不同組合方式個半導體區(qū)的不同組合方式(fngsh)(fngsh)，三極管又可分為，三極管又可分為NPNNPN型和型和PNPPNP型。型。第14頁/共32頁第十五頁，共33頁。第15頁/共32頁第十六頁，共33頁。 由于發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)多數載流子越過發(fā)射結向基區(qū)擴散由于發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)多數載流子越過發(fā)射結向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流，形成發(fā)射極電

11、流I IE E。 進入基區(qū)的電子，向集電結方向擴散，由于集電結反偏，在內電場作進入基區(qū)的電子，向集電結方向擴散，由于集電結反偏，在內電場作用下，大量漂移到集電區(qū)，形成集電極電流用下，大量漂移到集電區(qū)，形成集電極電流I IC C。 在基區(qū)中，擴散到集電區(qū)的電子數與復合的電子數的比例決在基區(qū)中，擴散到集電區(qū)的電子數與復合的電子數的比例決定晶體管的放大能力。復合電子數只占很小的一部分，即定晶體管的放大能力。復合電子數只占很小的一部分，即I IB B遠小遠小于于I IC C。晶體管的電流放大原理就是用較小的基極電流。晶體管的電流放大原理就是用較小的基極電流I IB B去控制較大的去控制較大的集電極電流

12、集電極電流I IC C。第16頁/共32頁第十七頁，共33頁。發(fā)射結兩邊的少數載流子的漂移運動較弱，不考慮其影響，但由于集電結反偏發(fā)射結兩邊的少數載流子的漂移運動較弱，不考慮其影響，但由于集電結反偏，其內電場增強，集電結兩邊的少數載流子的漂移運動增強，所形成的電流用，其內電場增強，集電結兩邊的少數載流子的漂移運動增強，所形成的電流用I ICBOCBO表示，稱為表示，稱為。晶體管是一種雙極型半導體器件。晶體管是一種雙極型半導體器件。第17頁/共32頁第十八頁，共33頁。 輸入特性曲線輸入特性曲線(qxin)(qxin)：UCEUCE為一定值時，基極電流為一定值時，基極電流IBIB與基與基- -射

13、極電壓射極電壓UBEUBE之間的關系曲線之間的關系曲線(qxin)(qxin)。 數學表達式：數學表達式：常數CE)(BEBUUfI 晶體管的輸入特性曲線與二極管伏安特性曲線相似，也有晶體管的輸入特性曲線與二極管伏安特性曲線相似，也有一段死區(qū)，硅管約為一段死區(qū)，硅管約為0.5V，鍺管約為，鍺管約為0.1V。晶體管正常工作時。晶體管正常工作時U UBEBE變變化很小，硅管約化很小，硅管約0.6V0.8V，鍺管約，鍺管約0.2V0.3V。第18頁/共32頁第十九頁，共33頁。常數B)(CECIUfI 工程上一般把輸出特性曲線工程上一般把輸出特性曲線(qxin)(qxin)分為三個區(qū)域：分為三個區(qū)域

14、：I IB B=0=0以下的區(qū)域。集電極只有很小的穿透電流以下的區(qū)域。集電極只有很小的穿透電流I ICEOCEO ，晶體管可截，晶體管可截止。止。：I IC C與與I IB B的關系呈飽和狀態(tài)。的關系呈飽和狀態(tài)。：U UCECE在在1V1V以上，集電極電流以上，集電極電流I IC C基本上不隨基本上不隨U UCECE變化，晶體管具變化，晶體管具有近似恒流源的特性。有近似恒流源的特性。晶體管工作于放大區(qū)，有晶體管工作于放大區(qū)，有作用，是許多放大電路的核心。作用，是許多放大電路的核心。晶體管工作于飽和區(qū)與載止區(qū)，有晶體管工作于飽和區(qū)與載止區(qū)，有作用，可構成各種脈沖數作用，可構成各種脈沖數字開關電路

15、。字開關電路。晶體管的晶體管的第19頁/共32頁第二十頁，共33頁。共發(fā)射極電流放大系數，用共發(fā)射極電流放大系數，用 表示：表示：BCII共發(fā)射極交流電流放大系數，用共發(fā)射極交流電流放大系數，用 表示：表示：BCii溫度每升高溫度每升高1， 值約增加值約增加0.5%1% 第20頁/共32頁第二十一頁，共33頁。集電極集電極-基極反向飽和電流基極反向飽和電流ICBO是發(fā)射極開路時，集電極是發(fā)射極開路時，集電極-基極間基極間的反向電流。它受溫度的反向電流。它受溫度(wnd)變化的影響特別大。變化的影響特別大。集電極集電極-發(fā)射極反向電流發(fā)射極反向電流ICEO是基極開路（是基極開路（IB=0）時，集

16、電結反）時，集電結反偏、發(fā)射結正偏時的電流。又稱為穿透電流。偏、發(fā)射結正偏時的電流。又稱為穿透電流。溫度溫度(wnd)穩(wěn)定性差是晶體管的一個主要缺點。穩(wěn)定性差是晶體管的一個主要缺點。第21頁/共32頁第二十二頁，共33頁。 集電極最大允許電流集電極最大允許電流ICM ICM ，集電極電流，集電極電流ICIC超過超過(chogu)(chogu)一定數一定數值后，電流放大系數值后，電流放大系數 顯著下降。當顯著下降。當 值下降到正常值的三分之二值下降到正常值的三分之二時的集電極電流，稱為集電極最大允許電流時的集電極電流，稱為集電極最大允許電流ICMICM。 集集- -射極擊穿電壓射極擊穿電壓U U

17、(BR)CEO(BR)CEO，它是基極開路時，它是基極開路時(I(IB B=0)=0)，能加在集，能加在集- -射極之間的射極之間的最大允許電壓。最大允許電壓。 集電極最大允許耗散功率集電極最大允許耗散功率P PCMCM，集電極消耗的功率可用集電極耗散功，集電極消耗的功率可用集電極耗散功率率PC=ICUCE表示，根據晶體管工作時允許的集電結最高溫度表示，根據晶體管工作時允許的集電結最高溫度( (鍺管約為鍺管約為7070，硅管，硅管約為約為150)150)，定出了集電極最大允許耗散功率，定出了集電極最大允許耗散功率P PCMCM，晶體管工作時應滿足，晶體管工作時應滿足ICUCEPCM的條件。的條

18、件。 晶體管的頻率特性參數晶體管的頻率特性參數第22頁/共32頁第二十三頁，共33頁。第23頁/共32頁第二十四頁，共33頁。 場效應管也是一種半導體器件，它利用電場的效應來控制固體場效應管也是一種半導體器件，它利用電場的效應來控制固體(gt)材材料的導電能力。它的最大優(yōu)點是具有極高的輸入電阻，其噪聲低、熱穩(wěn)定料的導電能力。它的最大優(yōu)點是具有極高的輸入電阻，其噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、制造工藝簡單。性好、抗輻射能力強、制造工藝簡單。 UGS=0，P型襯底上不能形成可以導電的溝道。型襯底上不能形成可以導電的溝道。圖圖6.4.1 N6.4.1 N溝道增強型絕緣柵溝道增強型絕緣柵場效應管的結

19、構場效應管的結構第24頁/共32頁第二十五頁，共33頁。圖圖6.4.2 N溝道增強型絕緣柵場效應管的工作溝道增強型絕緣柵場效應管的工作(gngzu)原理原理 UGS超過某一臨界值以后，形成超過某一臨界值以后，形成N型導電溝道。柵極電壓型導電溝道。柵極電壓UGS愈大，愈大，N型溝道愈厚，溝道電阻型溝道愈厚，溝道電阻(dinz)愈小。愈小。在漏、源之間接上電源，如圖在漏、源之間接上電源，如圖6.4.2(b)，形成漏極電流，形成漏極電流ID，管子導通。，管子導通。第25頁/共32頁第二十六頁，共33頁。 當漏源電壓當漏源電壓(diny)UDS一定時，漏極電流一定時，漏極電流ID和柵源電壓和柵源電壓(

20、diny)UGS之間的關系曲之間的關系曲線，稱為轉移特性曲線。線，稱為轉移特性曲線。ID與與UGS之間的關系為之間的關系為常數DS)(GSDUUfI 說明柵源輸入電壓說明柵源輸入電壓UGS對漏極輸出電流對漏極輸出電流ID的控制特性，如圖的控制特性，如圖6.4.3( (b)。 圖6.4.3 N溝道增強型絕緣柵場效應管的伏安特性曲線 第26頁/共32頁第二十七頁，共33頁。GSDmUIg 當柵源電壓當柵源電壓(diny)一定時，漏極電流一定時，漏極電流ID和漏源電壓和漏源電壓(diny)UDS之間的關系曲線，叫之間的關系曲線，叫做漏極特性曲線。做漏極特性曲線。ID與與UDS之間的關系為之間的關系為

21、 常數GS)(DSDUUfI 區(qū)，區(qū)，UDS對溝道的影響較小。導電溝道主要受柵源電壓的控制。對溝道的影響較小。導電溝道主要受柵源電壓的控制。ID基本上與基本上與UDS成線性關系?？砂言搮^(qū)看作是一個受柵源電壓成線性關系?？砂言搮^(qū)看作是一個受柵源電壓UGS控制的可變電阻區(qū)，也稱非控制的可變電阻區(qū)，也稱非飽和飽和(boh)區(qū)。區(qū)。 區(qū)，當區(qū)，當UDS增大到增大到UDS=UGS-UT時，時，UGD=UT，ID基本不變，趨于飽和基本不變，趨于飽和(boh)，稱為飽和，稱為飽和(boh)區(qū)或恒流區(qū)。區(qū)或恒流區(qū)。ID的大小僅受的大小僅受UGS的控制。的控制。 區(qū)，區(qū)，UDS進一步增大，在柵、漏和柵、源間都可

22、能擊穿，稱擊穿區(qū)。進一步增大，在柵、漏和柵、源間都可能擊穿，稱擊穿區(qū)。DDSdIUr第27頁/共32頁第二十八頁，共33頁。圖圖6.4.4 4種絕緣柵型場效應管的電路種絕緣柵型場效應管的電路(dinl)符號符號 P溝道MOS管，稱為PMOS。 N溝道MOS管，稱為NMOS。第28頁/共32頁第二十九頁，共33頁。 使用場效應管時，要注意各電極電壓的極性不能搞錯，要使用場效應管時，要注意各電極電壓的極性不能搞錯，要注意各電壓、電流、耗散功率等數值不能超過最大允許值。注意各電壓、電流、耗散功率等數值不能超過最大允許值。 絕緣柵管保存和使用不當時，極易造成絕緣柵管保存和使用不當時，極易造成(zo c

23、hn)管子管子擊穿。為避免這種情況，決不能讓柵極空懸，使用時要在柵擊穿。為避免這種情況，決不能讓柵極空懸，使用時要在柵、源之間絕對保持直流通路，保存時也要用金屬導線將、源之間絕對保持直流通路，保存時也要用金屬導線將3個個電極短接起來。電極短接起來。 在焊接時，烙鐵要有良好接地（用三芯插頭）。在焊接時，烙鐵要有良好接地（用三芯插頭）。第29頁/共32頁第三十頁，共33頁。 半導體的電阻率約在（半導體的電阻率約在（10-41010）m之間，它受溫度、之間，它受溫度、光照影響很大，可通過摻雜而改變其導電性能。光照影響很大，可通過摻雜而改變其導電性能。 純凈的又以晶體結構存在的半導體稱本征半導體，存在兩種純凈的又以晶體結構存在的半導體稱本征半導體，存在兩種載流子，總體仍然是電中性。摻入少量的雜質元素構成了載流子，總體仍然是電中性。摻入少量的雜質元素構成了P型半型半導體