电路基础之半导体器件基础

计算机电路基础,第二章 半导体器件基础,学习要点,PN结的形成和单向导电性 二极管的伏安特性 半导体三极管的基本结构、工作原理 三极管的伏安特性 MOS场效应管的结构、工作原理和伏安特性曲线 结型场效应管的结构、工作原理和伏安特性曲线,2.3 半导体三极管,2.4 场效应管,2.2 PN结与半导体二极管,2.1 半导体基础知识,退出,第2章 半导体器件基础,2.1.1 半导体及其特点,2.1.2 本征半导体,2.1.3 N型半导体,退出,2.1.4 P型半导体,2.1 半导体基础知识,导体、半导体和绝缘体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：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。,2.1.1 半导体及其特点,热敏性：半导体的电阻率随温度升高而显著减小。 常用于检测温度的变化。 对其他工作性能有不利的影响。 光敏性：在无光照时电阻率很高，但一有光照电阻率则 显著下降。 利用这个特性可以制成光敏元件。 杂敏性：在纯净的半导体中加入杂质，导电能力猛增几 万倍至百万倍。 利用这个特性可以制造出具有不同性能用途的半导体器件。,硅、锗等半导体材料之所以得到广泛的应用，主要是因为它们的导电能力具有一些特殊的方面。,一、本征半导体的结构特点,通过一定的工艺可以将半导体制成晶体。,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。,2.1.2 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。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，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。,本征半导体,共价键结构、,由于热激发而 产生的自由电子自由电子移走后 而留下的空穴,共价键,共有价电子所形成的束缚作用,共价键结构、自由电子、空穴,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。 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。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。空穴带正电，运动相当于正电荷的运动。,本征半导体的载流子浓度受温度的影响很大，是影响半导体导电性能的重要因素。 在本征半导体中有电子和空穴2种载流子，而金属导体中只有电子一种载流子，但在本征半导体中载流子的浓度远远低于后者，所以导电能力不如金属。,杂质半导体：在纯净的半导体单晶体中有选择地掺入微量杂质元素，并控制掺入的杂质元素 的种类和数量。 杂质可以提高半导体的导电能力，并可以精准的控制半导体的导电能力。 根据加入的杂质不同可以分为N型半导体和P型半导体。,2.1.3 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，其中四个与相邻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，因此也称为施主原子。,杂质原子提供的多余电子杂质原子失去一个电子成为正离子,N型半导体的共价键结构,N 型半导体中的载流子是什么？,因为掺杂浓度远大于本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）。,2.1.4 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，与相邻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，因此也称为受主原子。,邻近电子只空位留下可移动空穴可移动的空穴杂质原电子接受一个电子成为负离子,P型半导体的共价键结构,P 型半导体中的载流子是什么？,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,2.2.1 PN结的形成,2.2.2 PN结的单向导电性,2.2.3 PN结电容,2.2.8 特种二极管,2.2.4 二极管的基本结构,2.2.5 二极管的伏安特性,2.2.6 二极管的主要参数,2.2.7 二极管的等效电路及应用,2.2 PN结与半导体二极管,载流子的漂移运动和扩散运动。 漂移运动：在电场力的作用下，半导体中的载流子产生定向运动。形成的电流叫漂移电流。电场越强，载流子漂移速度越高；载流子的浓度越大，参与漂移运动的载流子数目越多，漂移电流就越大。 扩散运动：当半导体受光照射或有载流子从外界注入时，半导体内载流子浓度分布不均匀。这时载流子从浓度高的区域向浓度低的区域运动。载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。,P型区,空间 电荷区,N型区,自建电场,空穴是多数载流子,自由电子是多数载流子,空间电荷区是个载流子缺少的地区，所以电阻率很高，是高阻区。也把它叫做耗尽层、势垒区、阻挡层等。,2.2.1 PN结的形成,1 2 2 1,IF,UF,12 2 1,内电场,外电场,P,N,外电场,2 1 1 2,IR,UF,21 12,内电场,P,N,PN结加正向电压,PN结加反向电压,内电场被削弱,内电场被加强,2.2.2 PN结的单向导电性,PN 结加正向电压（正向偏置)的意思就是： P 区接电压正极和N 区接电压负极。,PN 结加反向电压（反向偏置）的意思就是： P 区接电压负极和N 区接电压正极。,PN结单向导电性的结论： 外加正向电压时，空间电荷区变窄，流过一个较大的正向电流。 外加反向电压时，空间电荷区变宽，流过一个很小的反向饱和电流。,2.2.3 PN结电容,结电容 工作原理 在外加反向电压时作用显著，而外加正向电压时作用不明显。 无线电接收设备中的自动频率控制，就是应用结电容大小的变化来达到自动调谐的目的。扩散电容 工作原理 与通过其中的电流成正比。 在PN结正向导通时扩散电容的数值较大，反向截止时扩散电容的数值较小可以忽略。,（a）点接触型；（b）面接触型；（c）平面型；（d）符号,由一个PN结外加电极引线组成结构和类型。,2.2.4 二极管的基本结构,正向特性死区电压（硅：0.5V；锗0.1V） 反向特性加反向电压，反向电流很小。 反向击穿特性反向击穿电压UBR一般在几十伏以上。,2.2.5 二极管的伏安特性,1. 最大整流电流IFM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 最高反向工作电压 UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。,2.2.6 二极管的主要参数,3. 最大反向电流 IRM,反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅二极管的反向饱和电流一般为nA数量级，而锗二极管的反向饱和电流一般为uA数量级。,当二极管的工作频率超过这个数值时，二极管将失去单向导电性。它主要由PN结的结电容和扩散电容的大小来决定。,4. 最高工作频率FM,5. 微变电阻 rD,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是Q附近的微小变化区域内的电阻。,理想二极管等效电路,考虑正向压降的等效,2.2.7 二极管的等效电路及应用,主要参数： 稳定电压UZ 动态电阻rz 稳定电流Iz,2.2.8 特种二极管,稳压管,额定功耗PZM 最大稳定电流IZM 电压温度系数,其它特殊功能和特殊用途的二极管,肖特基二极管：金属半导体结。具有单向导电性。 特点：储存电荷时间小，开关时间短死区电压很小，0.3V左右。 变容二极管：反向偏置时电阻很大。 特点：电容数值很小，用于高频电路。 发光二极管：多用于工程中。 特点：光的频率较高，波长较短呈绿色。 死区电压比普通二极管高，1.6V以上。应用时在二极管加正向电压，并接入相应的限流电阻，发光强度基本上和正向电流大小成线性关系。 光电二极管：工作在反向电压下。用于光控器件和光电转换器件，又叫光敏二极管。,2.3.1 半导体三极管的基本结构,2.3.2 三极管的电流放大原理,2.3.3 三极管的伏安特性曲线,2.3.4 三极管的主要参数,2.3.5 三极管的等效电路及应用,2.3.6 特种三极管,2.3 半导体三极管,两个PN结构成：,NPN型结构示意图 NPN型符号 PNP型符号,基极,2.3.1 半导体三极管的基本结构,基区是两个PN结公用的； 发射区与基区之间的PN结称为发射结； 集电区与基区之间的PN结叫集电结。,发射区掺杂浓度远大于集电区掺杂浓度，集电区掺杂浓度大于基区掺杂浓度。 基区必须很薄，一般只要几个微米，杂质浓度低。 集电区的面积较大，利于收集载流子。 上面说的这3个特点是晶体管有放大作用的基础。,作为一个具有放大能力的元件，晶体管在结构上必须：,晶体管的电流分配关系和放大作用: 为了实现放大作用必须给晶体管的发射结加正向电压(P区接正)，集电结加反向电压(N区接正)。有以下几种接法:,图3-13 三极管在放大电路中的三种连接方式 （a）共基极；（b）共发射极；（c）共集电极,晶体管的电流分配关系：重要的关系： iC / iB 代表 iC 对 iB 的控制作用， 越大，控制作用越强。晶体管的放大作用：本质就是它对电流的控制作用。 PNP型晶体管：电源极性不同，电流方向不同于NPN型。,2.3.2 三极管的电流放大原理,以共射接法为例来分析晶体管内部载流子运动规律和电流分配。,工作条件：,1.发射结处于正向偏置：,（Vbb正极接基极b，负极接发射极）,2.集电结处于反向偏置：,（Vcc正极接集电极c，负极接发射极）其中Vcc的数值比Vbb的数值大很多,基区很薄、发射区的杂质浓度远高于基区、集电区的面积较大。,内部条件：,发射发射结正偏，发射区有大量的自由电子越过发射结向基区扩散，而基区中的空穴向发射区扩散，形成发射极电流IE 。 由于基区空穴浓度很低，基区的多子对发射区的扩散可以忽略不计。,具体过程：,2.复合在扩散过程中，有部分电子遇到基区的空穴并和它复合。而在基区的电源的正极又不断从基区拉走电子，也就是不断的给基区供给空穴。形成了基极电流IB 。,收集由发射区进入基区的电子，开始时都聚集在靠近发射结的一边，而靠近集电结一边的自由电子很少，由于浓度上的差别，自由电子将继续向集电结一方扩散。由于集电结反偏，外电场的方向将阻止集电区的多子向基区运动，有利于将扩散到集电结的自由电子收集到集电极，形成集电极电流IC 。,少数载流子的运动在外电场的作用下，漂移运动形成的反向电流，称为反向饱和电流。数值很小,可以忽略不计。,NPN管的共射极特性曲线 （a）电路图；（b）输入特性曲线；（c）输出特性曲线,2.3.3 三极管的伏安特性曲线,(1)截止区 它对应于输出特性曲线上IB0以下的区域。发射结电压UBE0.5V (硅),(2)饱和区 它是指输出特性曲线左侧，即IC近于直线上升(包括弯曲处)的区域。UCEUBE ， UCE 用UCES表示。发射结正偏，集电结也正偏。 (3)放大区 它是指IB0特性曲线的上方，各输出特性曲线近似水平的区域。发射结正偏，集电结反偏。,输出特性曲线的3个不同性质的区域：,1、共发射极电流放大系数（线性工作区）表示的是集电极电压一定时，集电极电流和基极电流之间的关系：,2、集电极基极反向饱和电流ICBO 指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压时产生的电流 3、穿透电流ICEO 是基极开路，集电极与发射极间加反向电压时的集电极电流,2.3.4 三极管的主要参数,4、集电极最大允许耗散功率PCM 这个功率与环境温度和散热条件有关。 5、特征频率fT （线性工作区） 下降到等于1时的频率。 6、共射极截止频率f 下降到0的0.707倍时的频率。,温度对晶体管参数的影响 温度对ICBO的影响 这个电流是少数载流子形成的电流，大小与电子浓度有关。一般温度每升高10度，电流增加一倍。 温度对的影响 温度升高时 随之增大 温度对基射极间正向电压的影响 温度升高时，对于同样的发射极电流，晶体管所需的UBE减少。,三极管工作于放大区：具有电流放大作用，是放大电路的核心元件。等效电路下一章学习。 三极管工作于饱和区与截止区：具有开关作用，在脉冲数字电路中可以构成各种开关电路。,饱和等效 截止等效,2.3.5 三极管的等效电路及应用,2.3.6 特种三极管,肖特基三极管一个双极型三极管的基极与集电极间并联一个肖特基二极管。可以使三极管的开关时间大为缩短。 光敏三极管电流受外部光照控制。基区的面积较大，发射区面积较小。 光电耦合管由发光二极管和光电二极管或光电三极管组成。优点是信号回路与输出回路完全隔离，可以各自采用独立的电源系统。适合于长距离信号传输。,2.4.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构 和工作原理,2.4.2 N沟道增强型绝缘栅场效应管的伏安 特性和主要参数,2.4.3 MOS管的4种基本类型及其特点,2.4.4 结型场效应管的结构和工作原理,2.4.5 结型场效应管的特性曲线,2.4 场效应管,场效应晶体管：用FET表示是一种电压控制型元件，工作时不需要从信号源汲取电流，呈现出极高的输入电阻。 分为绝缘栅场效应管和结型场效应管两种。 绝缘栅型场效应管有两种类型： 增强型MOS场效应管 导电沟道只在加入栅极电压时才能产生。 耗尽型MOS场效应管 导电沟道在管子制成后就存在了，当加入栅极电压后可以改变沟道的宽度。,按导电沟道载流子的类型不同还可以分为N沟道（载流子为电子）和P沟道（载流子为空穴）,N沟道增强型绝缘栅场效应管结构和符号 （a）结构示意图；（b）符号,绝缘型场效应管：金属氧化物半导体场效应管简称MOS管。,2.4.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构和工作原理,N沟道增强型绝缘栅场效应管的基本工作原理示意图 （a）uGS0时，没有导电沟道； （b）uGSVT时，出现N型沟道； （c）uDS较小时，iD迅速增大；（d）uDS较大出现夹断时，iD趋于饱和,当栅源极加电压，在电场力的作用下，把P型区内的电子吸到栅极下，当数量超过空穴后，就转变为N型，从而形成一个沟道。,是NMOS管的开启电压,当栅源极不加电压，漏源极之间没有导电沟道时，不能导电,N沟道增强型绝缘栅场效应管的特性曲线 （a）输出特性曲线；（b）转移特性曲线,可变电阻区：当uGSVT，工作于这个区域,夹断区：当uGSVT时，管子不导电。,恒流区：当uGS升高到一定大小时，漏极电流不再增加。,击穿区：由于漏极与衬底之间的PN结反向偏置，电压过高而击穿所致。,转移特性：因为没有输入电流，所以用输入电压和输出电流来表示，故叫转移特性。,MOS场效应管工艺简单，易于集成，所以广泛应用在集成电路制造中。 4种MOS场效应管的电路符号：,（a）N沟道增强型（b） N沟道耗尽型（c）P沟道增强型（d） P沟道耗尽型,图中栅极不直接和沟道接触，表示栅极是与源、漏极绝缘的，栅极的引线画在靠近源极的一段，在增强型中，