半导体器件.ppt

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1、第一章 半导体器件,半导体器件是近代电子学的重要组成部分. 体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高等优点而得到广泛的应用。,1.1 半导体的基本知识,自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。 半导体的电阻率为10-3109 cm。,一、半导体及其特性,1、什么是半导体,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。,2、半

2、导体的导电特性,1）热敏性 与温度有关。温度升高，导电能力增强。 2）光敏性 与光照强弱有关。光照强，导电能力增强 3）掺杂性 加入适当杂质，导电能力显著增强。 3、常用半导体材料 1）元素半导体 如：硅、锗 2）化合物半导体 如：砷化镓 3）掺杂或制成其他化合物半导体的材料 如；硼、磷、铟、锑,1、本征半导体,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,如硅晶体中，原子之间靠的很近，分属于每个原子的价电子受到相邻原子的影响，而使价电子为两个原子所共有，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。 在高度纯净的硅晶体中，所有外层电子均用于构成共价键，没有多余的自由电子，只有通

3、过很强的力才能使电子脱离晶体束缚。,1）内部结构,一、半导体物质的内部结构和导电机理,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,2）本征半导体的导电机理,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子，它的导电能力为0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,电子空穴对的产生,电子空穴对的产生,自由电子,空穴,束缚电子,两种导电方式,在其它力的作用下，空穴吸引临近的价电子来填补。这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相

4、当于正电荷的移动，即：空穴电流 在外电场作用下，有两部分电流：1、自由电子定向移动。2、空穴电流,说明,复合： 激发： 激发和复合成对产生成对消失 载流子：电子和空穴 漂移运动：载流子在电场力的作用下的定向运动 自由电子向电源正极移动，空穴向负极移动。虽然电子、空穴的运动方向相反，但在外电路中形成电流却一致。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 温度越高，载流子的浓度越高。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,使自由电子浓度大大

5、增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。,1）N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,N型半导体,多余电子,磷原子,N型半导体,N型半导体中的载流子是什么？,1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,3、掺杂浓度远大于本

6、征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,2）P型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。,空穴,P型半导体,硼原子,总 结,1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导

7、电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。 3、多子由掺杂浓度决定，少子由温度决定。,三、 PN结及其单向导电性,1、 PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。,P型半导体,N型半导体,空间电荷区,1）多数载流子的扩散运动及空间电荷区的产生(即:PN结的产生),(浓度差产生),2、扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,2）内电场的形成及其作用,1、内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,阻挡多子扩散,促进少子漂移,3）矛盾运动,3、所以扩

8、散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,空间电荷区,N型区,P型区,电位U,U0,4）内建电势差,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3、P中的电子和N中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,请注意,2 PN结的特性-单向导电性,PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P区加正、N区加负电压。,PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N区加正电压。,1)PN结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱， 多子的扩散加强 能够形成较

9、大的 扩散电流。,2)PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,在PN结的两端加上电压后，通过管子的电流I随管子两端电压V变化的曲线-伏安特性。,PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。,PN结伏安特性,1.2 二极管,二极管的结构和分类,二极管的符号和型号,二极管的伏安特性,二极管的参数,二极管的温度特性,二极管的应用,一、 二极管的结构和分类,在PN结上加上引线和外壳，就成为一个二极管。二极管按结构一般分有点接触型、面接触型,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，

10、 结电容小， 用于检波和变频等高频电路。,1、结构,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,2、分类,1）按材料分：硅管和锗管 2）按结构分：点接触和面接触 3）按用途分：检波、整流 4）按频率分：高频和低频,二、符号和型号,阳极、P型材料,阴极、N型材料,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,三、 二极管的伏安特性,式中IS 为反向饱和电流，u为二极管两端的电压降，UT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q

11、为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有UT=26 mV。,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,图 二极管的伏安特性曲线,图示,1、正向特性,硅二极管的死区电压Uth=0.6V-0.7V左右， 锗二极管的死区电压Uth=0.2V-0.3V左右。,当0UUth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压。,当U0即处于正向特性区域。 正向区又分为两段：,当UUth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,2、反向特性,当 U0时，即处于反向特性区 域。反向区也分两个区域：,当UBRU0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS

12、 。,当UUBR时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压 。,PN结反向偏置,N,P,+,_,四、二极管的参数,(1) 最大整流电流IF,二极管长期连续工 作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。,(2) 反向击穿电压UBR,最大反向工作电压URM-,(3) 反向电流IR,(4) 正向压降UF,(5) 动态电阻rd,硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。,反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然， rd与工作电流的大小有关，即 r

13、d =UF /IF,UD,rD是二极管特性曲线工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化量的电阻。,五、二极管的温度特性,温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。,另外，温度升高时，二极管的正向压降将减 小，每增加1，正向压降UF(UD)大约减小2mV， 即具有负的温度系数。,图 温度对二极管伏安特性曲线的影响,图示,例1 一限幅电路如图（a）， R=1k,UREF=3V。（1）当ui=0V、6V时，分别求输出uO的值；（2）当ui=6sint

14、 V时，画出输出电压uo的波形（正向压降为零）。,六、二极管的应用,例 2、 二极管构成“门”电路，设 V1、V2 均为理想二极管，当输入电压 UA、UB 为低电压 0 V 和高电压 5 V 的不同组合时，求输出电压 UO 的值。,0 V,正偏 导通,5 V,正偏 导通,0 V,0 V,0 V,正偏 导通,正偏 导通,0 V,0 V,5 V,正偏 导通,反偏 截止,0 V,5 V,0 V,反偏 截止,正偏 导通,0 V,5 V,5 V,正偏 导通,正偏 导通,5 V,例 3、 画出硅二极管构成的桥式整流电路在 ui = 15sint (V) 作用下输出 uO 的波形。,(按理想模型),1.3

15、稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样,(b),一、特性,(a),二、符号,(1) 稳定电压UZ ,(2) 动态电阻rZ ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rZ =UZ /IZ,三、主要参数,(3) 最大耗散功率 PZM ,稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= UZ IZ，由 PZM和UZ可以决定IZmax。,(4) 最

16、大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作 电流IZmin ,稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =UZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZIZmin则不能稳压。,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,(c),四、稳压管的应用,1、光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,五、其它特殊二极管,2、发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电

17、特性与一般二极管类似。常用作显示器件。,1.4 晶体三极管,一、结构、符号和分类,发射极 E,基极 B,集电极 C,发射结,集电结, 基区, 发射区, 集电区,emitter,base,collector,NPN 型,PNP 型,两个结、三个区、三个极,E的箭头方向为发射结加正向电压时电流的方向,基本结构与分类,1、,1）基区：最薄，掺杂浓度最低,3）集电区：面积较大,2）发射区：掺 杂浓度最高,2、结构特点,3、分类：,1）按材料分： 硅管、锗管,4）按功率分： 小功率管 500 mW,2）按结构分： NPN、 PNP2）,3）按使用频率分： 低频管、高频管,大功率管 1 W,中功率管 0.

18、5 1 W,半导体三极管图片,二、电流放大原理,1. 三极管放大的条件,内部 条件,发射区掺杂浓度高,基区薄且掺杂浓度低,集电结面积大,外部 条件,发射结正偏 集电结反偏,2. 满足放大条件的三种电路,共发射极,共集电极,共基极,3. 三极管内部载流子的传输过程,1) 发射区向基区注入多子电子， 形成发射极电流 IE。,I CN,多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。,IE,少数与空穴复合，形成 IBN 。,I BN,基区空 穴来源,基极电源提供(IB),集电区少子漂移(ICBO),I CBO,IB,IBN IB + ICBO,即：,IB = IBN ICBO,2)电子在基区扩散与复合 电子到

19、达基区后,(基区空穴运动因浓度低而忽略),I CN,IE,I BN,I CBO,IB,3) 集电区收集扩散过 来的载流子形成集 电极电流 IC,IC,I C = ICN + ICBO,三、三极管的电流控制作用,当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：,IB = I BN ICBO,IC = ICN + ICBO,穿透电流,1、电流分配关系,IE= IC+ IB,2、电流的放大作用,直流放大系数,IE = IC + IB,定义：,为交流放大系数,一般的，,当EBIBIcRcIc,(IB=EB/RB),四、 晶体三极管的特性曲线,、输入特性,输入 回路

20、,输出 回路,与二极管特性相似,时,特性基本重合(电流分配关系确定),特性右移(因集电结开始吸引电子),导通电压 UBE(on),硅管： (0.6 0.8) V,锗管： (0.2 0.3) V,取 0.7 V,取 0.2 V,、输出特性,）截止区： IB 0 IC = ICEO 0 条件：两个结反偏,截止区,ICEO,特点：分三个区,2）放大区：,放大区,截止区,条件： 发射结正偏 集电结反偏 特点： 水平、等间隔,ICEO,3）饱和区：,uCE u BE,uCB = uCE u BE 0,条件：两个结正偏,特点：IC IB,临界饱和时： uCE = uBE,深度饱和时：,0.3 V (硅管)

21、,UCE(SAT)=,0.1 V (锗管),放大区,截止区,饱 和 区,ICEO,Ic的大小取决于Ec和Rc，,五、温度对特性曲线的影响,1. 温度升高，输入特性曲线向左移。,温度每升高 1C，UBE (2 2.5) mV。,温度每升高 10C，ICBO 约增大 1 倍。,T2 T1,2. 温度升高，输出特性曲线向上移。,温度每升高 1C， (0.5 1)%。,输出特性曲线间距增大。,O,六、 晶体三极管的主要参数,、电流放大系数,1）共发射极电流放大系数, 直流电流放大系数, 交流电流放大系数,一般为几十 几百,Q,2. 共基极电流放大系数, 1 一般在 0.98 以上。,Q,二、极间反向饱

22、和电流,CB 极间反向饱和电流 ICBO，,CE 极间反向饱和电流 ICEO。,、极限参数,1）ICM 集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。,2）PCM 集电极最大允许功率损耗,PC = iC uCE。,U(BR)CBO 发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。,3）U(BR)CEO 基极开路时 C、E 极间反向击穿电压。,U(BR)EBO 集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压。,U(BR)CBO, U(BR)CEO, U(BR)EBO,七、晶体管电路的基本问题和分析方法,三种工作状态,放大,I C = IB,发射结正偏 集电结反偏,饱和,I C IB,两个结正偏,ICS = IBS

23、集电结零偏,临界,截止,IB 0, IC = 0,两个结反偏,判断导通还是截止：,UBE U(th) 则导通,以 NPN为 例：,UBE U(th) 则截止,例： 有两个晶体管分别接在放大电路中，今测得它们管脚的电位（对“地”）分别如下表所示。 晶体管 晶体管 管脚 1 2 3 管脚 1 2 3 电位/V 4 3.4 9 电位/V -6 -2.3 -2 试判断晶体管类型，并确定三个电极。,解 NPN型：集电极电位最高，发射极电位最低，UBE0；PNP型；发射极电位最高，集电极电位最低，UBE0 硅管：基极电位与发射极电位大约相差0.6V或0.7V；锗管：基极电位与发射极电位大约相差0.2V或0.3V 由此可知： 晶体管：NPN型，1B，2E，3C 晶体管：PNP型，1C，2B，3E,