模电(第1章常用半导体器件)ppt课件

.,1,第1章常用半导体器件,1.1半导体基础知识,1.2半导体二极管,1.3晶体三极管,1.4场效应管,1.5单结晶体管和晶闸管,1.6集成电路中的元件,1.7Multisim应用举例二极管特性的研究,.,2,1.1半导体基础知识,本节的内容：,1、半导体材料的原子结构。,2、半导体材料中的载流子。,3、本征激发与复合，本征激发与温度的关系。,4、N型半导体所掺入杂质，多数载流子（简称多子），少数载流子（简称少子）。,5、P型半导体所掺入杂质，多子，少子。,6、扩散运动和漂移运动。,7、PN结的形成过程。,8、对称PN结和不对称PN结。,.,3,9、PN结的正向偏置（简称正偏）和反向偏置（简称反偏）。,10、PN结的导电特性。,11、PN结宽度与外加电压的关系。,12、PN结的电流方程。,13、PN结的伏安特性。,14、PN结的击穿。,15、PN结的电容效应。,.,4,1.1.1本征半导体,纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,半导体具有热敏特性、光敏特性和掺杂特性。,常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge），它们均为四价元素。,Si,+4,惯性核,.,5,+4,+4,+4,+4,+4,共价键,共价键较为牢固，使原子规则排列，形成晶体。,价电子,.,6,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。,束缚电子,同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,自由电子,空穴,原子因失去电子而成为带正电的离子。,.,7,自由电子和空穴是成对出现的。,自由电子,空穴,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，结果相当于空穴的迁移。,而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是带正电的粒子。,.,8,若在本征半导体两端外加一电场，则一方面自由电子将产生定向移动，形成电子电流；,另一方面，由于空穴的存在，价电子将按一定的方向依次填补空穴，使空穴定向移动，形成空穴电流。,本征半导体中的电流是电子电流和空穴电流之和。,参与导电的带电粒子称为载流子。,半导体中有自由电子和空穴两种载流子。,本征半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。,自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。,.,9,在一定温度下，本征激发所产生的自由电子和空穴对，与复合的自由电子和空穴对数目相等，达到动态平衡。,即在一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。,当温度升高或有光照时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也增多，即载流子的浓度升高，导电能力增强。,T为热力学温度。,本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。,.,10,1.1.2杂质半导体,一、N型半导体,+5,磷原子,自由电子,自由电子的浓度大于空穴的浓度。,自由电子为多数载流子，简称多子；空穴为少数载流子，简称少子。,施主原子,变为正离子,.,11,二、P型半导体,空穴,硼原子,受主原子,多子：空穴,少子：自由电子。,多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度，几乎与温度无关；少子对温度非常敏感。,杂质半导体还是电中性。,变为负离子,.,12,1.1.3PN结,一、PN结的形成,扩散运动：由于浓度差而产生的运动。,漂移运动：在电场力作用下，载流子的运动。,.,13,P型半导体,N型半导体,扩散运动,界面两侧留下不能移动的正负离子,内电场,漂移运动,随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽，内电场增强。,.,14,内电场阻碍多子的扩散，而有利于少子的漂移,最终扩散和漂移这一对相反的运动达到平衡，形成具有一定宽度的PN结。,无外电场时PN结两侧有电位差Uho，但PN结中的电流为零。,正负离子区称为PN结，也称为空间电荷区，也称耗尽层。,当P区和N区的杂质浓度相等时，正负离子区的宽度也相等，称为对称PN结。,当P区和N区的杂质浓度不相等时，浓度高一侧的离子区宽度小于浓度低的一侧，称为不对称PN结。,.,15,二、PN结的单向导电性,1、PN结外加正向电压时处于导通状态,PN结加正向电压、处于正向偏置（简称正偏）：,PN结的P区电位高于N区，即UPUN。,PN结,内电场,+V-,R（限流电阻）,外电场,PN结内电场减弱，外电场将多子推向PN结，PN结变窄，扩散运动加强，漂移运动减弱。,在电源作用下，扩散运动将源源不断地进行，从而形成较大的正向电流，PN结导通。,.,16,2、PN结外加反向电压时处于截止状态,PN结加反向电压、处于反向偏置（简称反偏）：PN结的P区电位低于N区，即UPUN。,PN结,内电场,-V+,R（限流电阻）,外电场,PN结内电场加强，阻止扩散运动的进行、而漂移运动加剧，形成反向电流；空间电荷区变宽。,但少子的数目极少，即使所有少子都参与漂移运动，反向电流也非常小，认为PN结加反向电压时处于截止状态。,PN结具有单向导电性。,.,17,三、PN结的电流方程,PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系为,反向饱和电流,电子的电量,玻尔兹曼常数,热力学温度,UT=kT/q。常温下，即T=300K时，UT26mV。,.,18,四、PN结的伏安特性,i与u的关系曲线称为伏安特性。,1、PN结正偏，且uUT时，,即i随u按指数规律变化。,2、PN结反偏，且uUT时，i-IS。,3、当反向电压较大时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。,.,19,（1）齐纳击穿,耗尽层很窄，反向电压较小，但耗尽层中的电场很强，直接将共价键中的电子拉出，形成电子空穴对，使电流急剧增大。,（2）雪崩击穿,掺杂浓度低，耗尽层较宽，反向电压较大，少子的漂移速度加快，将共价键中的价电子撞出，产生电子空穴对。,新产生的电子空穴对被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地倍增，使电流急剧增大。,.,20,五、PN结的电容效应,1、势垒电容：,当PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而变化，这种现象与电容的充放电过程相同。,耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容(Cb)。,2、扩散电容：,当PN结的正向电压增大时，载流子的浓度增大，且浓度差也增大，扩散电流增大。,扩散过程中载流子浓度的变化是电荷的积累和释放的过程，与电容器的充放电过程相同，这种电容效应称为扩散电容（Cd）。,PN结的总电容：C=Cb+Cd。,通常PN结电容是很小的。,.,21,1.2半导体二极管,本节的内容：,1、二极管的结构，电路符号。,2、二极管的伏安特性，导通压降。,3、温度对二极管伏安特性的影响。,4、二极管的主要参数。,5、二极管的直流等效电路。,6、二极管的交流等效电路。,7、稳压二极管的结构，电路符号，伏安特性，主要参数，正常工作状态。,.,22,二极管的符号：,阴极（负极）,阳极（正极）,D,电流的方向,.,23,1.2.1半导体二极管的几种常见结构,在PN结两端加上电极引线，并用外壳封装起来就构成了半导体二极管，简称二极管。,点接触型,面接触型,N型锗,P型锗,触丝,铝合金小球,P型硅,N型硅,金锑合金,底座,由P区引出的电极称为阳极，也称正极；由N区引出的电极称为阴极，也称负极。,正极,正极,负极,负极,适用于高频电路。,作为整流管,.,24,1.2.2二极管的伏安特性,一、二极管和PN结伏安特性的区别,二极管也具有单向导电性。,二极管的伏安特性与PN结的相似。,二极管存在半导体体电阻和引线电阻，在电流相同的情况下，二极管的端电压大于PN结上的压降。,或者说，在外加正向电压相同的情况下，二极管的正向电流小于PN结的电流。,二极管存在表面漏电流，外加反向电压时的反向电流增大。,.,25,正向特性,Uon,开启电压,iD=0,Uon=0.5V（硅）,=0.1V（锗）,1、0UUon，,2、UUon，,iD急剧上升，二极管导通。,硅二极管的导通压降为0.60.8V；,锗二极管的导通压降为0.10.3V。,.,26,Uon,U(BR),正向特性,反向特性,开启电压,3、U（BR)uD0，,iDU(BR)CEO,U(BR)EBO,.,64,1.3.5温度对晶体管特性及参数的影响,一、温度对ICBO的影响,当温度升高时，ICBO将增大。,温度每升高10，ICBO增加约一倍。,硅管的ICBO比锗管的小得多，硅管比锗管受温度的影响要小得多。,二、温度对输入特性的影响,当温度升高时，输入特性将左移。,当温度变化1时，UBE变化22.5mV，并且有负温度系数。,若UBE不变，则当温度升高时IB将增大。,.,65,三、温度对输出特性的影响,当温度升高时，输出曲线将上移。,当温度升高时，曲线还保持等间隔排列，但曲线的间距增大，即管子的值增大。,温度升高时，ICEO、增大，且输入特性左移。,温度升高时，最终导致集电极电流增大。,.,66,本节的内容：,1、场效应管的结构，类型，电路符号。,2、场效应管的工作原理。,3、输出特性曲线及其形状。,4、输出特性曲线的三个工作区域（三种工作状态）及其条件。,5、场效应管的电流方程。,6、场效应管的主要参数。,1.4场效应管,.,67,场效应管的主要作用是放大电信号和起开关作用。,场效应管几乎仅靠半导体中的多子导电，所以又称为单极型晶体管。,场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路的电流。,1.4.1结型场效应管,一、结型场效应管的结构及类型,结型场效应管有N沟道和P沟道两种类型。,栅极G,漏极D,源极S,导电沟道,PN结,N沟道管,G,D,S,P沟道管,.,68,G（栅极）,D（漏极）,S（源极）,漏极和源极是可以对调的。,N型硅片,P,P,掺杂浓度低,两边是高掺杂的P区,导电沟道,.,69,二、结型场效应管的工作原理,N型硅片,uGS,1、uDS=0V时，uGS对导电沟道的控制作用,PN结反偏，耗尽层均匀变宽。,若存在导电沟道，DS间相当于一段导体，即相当于一个电阻。,uSG越大，反偏电压越大，,D,G,S,耗尽层越宽，,导电沟道越窄，,电阻越大。,由于此时的uDS=0V，所以漏极电流iD=0。,.,70,uSG达到一定值时，耗尽区碰到一起，DS间被夹断，沟道电阻趋于无穷大。,N型硅片,uGS,此时的uGS称为夹断电压UGS(off)（VP）。,.,71,N型硅片,uGS,uDS,2、当uGS为UGS(off)0V中某一固定值时，uDS对漏极电流iD的影响,由于uDS的存在，则有电流iD从漏极流向源极。,iD,沟道中各点的电位不再相等：沿沟道从源极到漏极逐渐升高。,靠近漏极端的PN结的反偏电压高，源极端的反偏电压低。,耗尽层产生不均匀的变宽：,漏极端宽、源极端窄。,.,72,若栅漏极间不出现夹断区域，沟道电阻基本上决定于栅源电压uGS。,电流iD将随uDS的增大而线性增大，DS间呈现电阻特性。,N型硅片,uGS,uDS,uDS的增大使uGD等于UGS(off)时，漏极端的耗尽层就出现夹断区。,称uGD=UGS(off)为预夹断。,若uDS继续增大，耗尽层闭合部分沿沟道方向延伸。,.,73,这时，一方面自由电子从漏极向源极定向移动所受阻力加大，从而导致iD减小；,另一方面，随着uDS的增大，使漏源极间的纵向电场增强，也必然导致iD增大。,实际上，这两种趋势相抵消，uDS的增大几乎全部降落在夹断区，用于克服夹断区对iD形成的阻力。,在uGDUGS(off)的情况下，即沟道夹断后，uDS增大时iD几乎不变。,即iD几乎仅仅决定于uGS，表现出iD的恒流特性。,在uGDUGS(off)的情况下，对应于确定的uGS，就有确定的iD。,可以通过改变uGS来控制iD的大小。,.,74,场效应管是电压控制器件。,场效应管用gm来描述动态的栅源电压对漏极电流的控制作用，称gm为低频跨导。,小结：,（1）在uGD=uGS-uDSUGS(off)的情况下，即沟道没被夹断时，对应于不同的uGS，D-S间等效为不同阻值的电阻。,（2）当uDS使uGD=uGS(off)时，D-S之间预夹断。,（3）当uDS使uGDUGS(off)时，漏极电流iD几乎仅仅决定于栅源电压uGS。,.,75,三、结型场效应管的伏安特性,1、输出特性曲线,输出特性曲线是指当uGS为常量时，iD与uDS之间的关系曲线，即,对应于一个uGS，就有一条曲线，因此输出特性曲线为一族曲线。,.,76,uDS(V),iD(mA),-3V,-5V,-4V,-2V,-1V,uGS=0V,预夹断线，uGD=UGS(off),1）可变电阻区,uGDUGS(off)，沟道还没夹断。,不同的uGS，曲线斜率不同，,D-S间有不同的电阻。,夹断区,uGSUGS(off)，沟道夹断,恒流区,uGDUGS(off),利用场效应管作放大管时，应使其工作在该区域。,.,77,2、转移特性曲线,转移特性曲线是指当uDS为常量时，iD与uGS之间的关系曲线，即,在输出特性曲线的恒流区中做横轴的垂线，读出垂线与各曲线相交的坐标值；,建立uGS、iD坐标系，描点、连线即为转移特性曲线。,漏极饱和电流,.,78,1.4.2绝缘栅型场效应管（MOS管）,MOS管有四种类型：N沟道增强型管、N沟道耗尽型管，P沟道增强型管、P沟道耗尽型管。,凡uGS=0时iD=0的管子，均属于增强型管；,凡uGS=0时iD0的管子，均属于耗尽型管。,N沟道,耗尽型,增强型,P沟道,.,79,一、N沟道增强型MOS管,1、N沟道增强型MOS管的结构,P型衬底，掺杂浓度低,两个高掺杂N+区,SiO2绝缘层,金属铝,基极（B）,P,.,80,2、工作原理（以N沟道为例）,两个N+区间截止,UGS=0时,DS间相当于两个反接的PN结,.,81,E,uGS0且uGS不太大时,空穴,F,SiO2下面留下不能移动的负离子,uDS=0,.,82,uDS=0,E,uGS0且uGS较大时,自由电子,F,两个N区间形成一个N型层称之为反型层形成导电沟道,使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压UGS(th)。,uGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。,.,83,沟道形成后，若在漏-源之间加正向电压，则将产生一定的漏极电流。,此时，uDS的变化对导电沟道的影响与结型场效应管相似。,即当uDS较小时，uDS的增大使iD线性增大，沟道沿漏-源方向逐渐变宽；,.,84,一旦uDS增大到使uGD=UGS(off)时，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为预夹断。,如果uDS继续增大，夹断区随之延长。,uDS增大的部分几乎全部降落在夹断区，用于克服夹断区对漏极电流的阻力。,iD几乎不因uDS的增大而变化，管子进入恒流区，iD几乎仅决定于uGS。,.,85,3、特性曲线和电流方程,UGS0,IDO,预夹断线,可变电阻区,夹断区,恒流区,.,86,3、特性曲线和电流方程,UGS0,IDO,预夹断线,可变电阻区,