常用半导体器件原理PPT学习教案

1、会计学1常用半导体器件原理常用半导体器件原理2.1.2 本征半导体 纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体。硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子，称为价电子，每个价电子带一个单位的负电荷。因为整个原子呈电中性，而其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子，所以，硅和锗原子可以用简化模型代表 。 +4 带一个单位负电荷的价电子 最外层轨道 带四个单位正电荷的原子核部分 +14 +32 第1页/共72页每个原子最外层轨道上的四个价电子为相邻原子核所共有，形成共价键。共价键中的价电子是不能导电的束缚电子。 +4 价电子 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共价键 价电子可以获得足够大的能量，

2、挣脱共价键的束缚，游离出去，成为自由电子，并在共价键处留下带有一个单位的正电荷的空穴。这个过程称为本征激发。 本征激发产生成对的自由电子和空穴，所以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。 空穴 +4 +4 +4 +4 自由电子 第2页/共72页 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 空穴移动方向 价电子移动方向 价电子的反向递补运动等价为空穴在半导体中自由移动。因此，在本征激发的作用下，本征半导体中出现了带负电的自由电子和带正电的空穴，二者都可以参与导电，统称为载流子。 自由电子和空穴在自由移动过程中相遇时，自由电子填入空穴，释放出能量，从而消失一对载流子，这个过程称为复合。

3、空穴 +4 +4 +4 +4 自由电子 第3页/共72页平衡状态时，载流子的浓度不再变化。分别用ni和pi表示自由电子和空穴的浓度 (cm-3) ，理论上 kTEeTApn2230ii0G其中 T 为绝对温度 (K) ；EG0 为T = 0 K时的禁带宽度，硅原子为1.21 eV，锗为0.78 eV；k = 8.63 10 5 eV / K为玻尔兹曼常数；A0为常数，硅材料为3.87 1016 cm- 3 K 3 / 2，锗为1.76 1016 cm 3 K 3 / 2。 2.1.3 N 型半导体和 P 型半导体 本征激发产生的自由电子和空穴的数量相对很少，这说明本征半导体的导电能力很弱。我们

4、可以人为地少量掺杂某些元素的原子，从而显著提高半导体的导电能力，这样获得的半导体称为杂质半导体。根据掺杂元素的不同，杂质半导体分为 N 型半导体和 P 型半导体。 第4页/共72页一、N 型半导体（掺磷）在本征半导体中掺入五价原子，即构成 N 型半导体。N 型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个自由电子，从而大量增加了自由电子的浓度施主电离多数载流子一一自由电子少数载流子一一空穴但半导体仍保持电中性 +4 +4 +4 +4 +5 +4 +4 +4 +4 键外电子 施主原子 热平衡时，杂质半导体中多子浓度和少子浓度的乘积恒等于本征半导体中载流子浓度 ni 的平方，所以空穴的浓度 pn为

5、DnNnD2in2inNnnnp自由电子浓度杂质浓度因为ni容易受到温度的影响发生显著变化，所以pn也随环境的改变明显变化。第5页/共72页二、P 型半导体（掺硼）在本征半导体中掺入三价原子，即构成 P 型半导体。P 型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个空穴，从而大量增加了空穴的浓度受主电离多数载流子一一空穴少数载流子一一自由电子但半导体仍保持电中性 +4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 +4 +4 空位 受主原子 而自由电子的浓度 np 为ApNpA2ip2ipNnpnn空穴浓度掺杂浓庹环境温度也明显影响 np 的取值。第6页/共72页2.1.4 漂移电流和扩散电流 半导体中载

6、流子（电子与空穴）进行定向运动，就会形成半导体中的电流。半导体电流漂移电流：在电场的作用下，自由电子会逆着电场方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，这样产生的电流称为漂移电流。该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和电场强度。扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而形成扩散电流。该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。PnIII电子电流与空穴电流半导体电流第7页/共72页2.2 PN 结 通过掺杂工艺，把本征半导体的一边做成 P 型半导体，另一边做成 N 型半导体，则 P 型半导体和 N 型半导体的交接面处会形成一个有特殊物理性质的薄层，称为

7、 PN 结。 2.2.1PN 结的形成 + + + + P 区 N 区 (a) + + + + + + + + + + + + + + + + P 区 N 区 (b) 空间电荷区 内建电场 0 UB UB + + + + + + + + + + + + 多子扩散空间电荷区，内建电场和内建电位差的产生 少子漂移动态平衡第8页/共72页空间电荷区又称耗尽区或势垒区。在掺杂浓度不对称的 PN 结中，耗尽区在重掺杂一侧延伸较小，在轻掺杂一侧延伸较大。 耗尽区 耗尽区 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

8、+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + P区 N区 P区 N区 第9页/共72页2.2.2PN 结的单向导电特性 + + + + + + + + + + + + + + + + P 区 N 区 耗尽区 0 UB U UB E R U 内建电场 外加电场 正向电流 一、正向偏置的 PN 结正向偏置耗尽区变窄扩散运动加强漂移运动减弱正向电流二、反向偏置的 PN 结 P 区 耗 尽 区 0 UB U UB E R U 内 建 电 场 外 加 电 场 N 区 反 向 电 流 + + + + + + + + + + + +

9、+ + + + 反向偏置耗尽区变宽扩散运动减弱漂移运动加强反向电流第10页/共72页PN 结的单向导电特性：PN 结只需较小的正向电压，就可使耗尽区变得很薄，从而产生较大的正向电流，且该电流随电压的微小变化会发生明显改变。在反偏时，少子只能提供很小的漂移电流，且基本上不随反向电压变化。4.2.3PN 结的击穿特性 PN 结反向电压足够大时，反向电流急剧增大，这种现象称为 PN 结的击穿。 雪崩击穿：PN 结反偏，耗尽区中少子在漂移运动中被电场作功，动能增大。当少子的动能足以使其在与价电子碰撞时发生碰撞电离，把价电子击出共价键，产生一对自由电子和空穴，连锁碰撞使尽区内载流子数量剧增，引起反向电流

10、急剧增大。雪崩击穿出现在轻掺杂的 PN 结中。齐纳击穿：在重掺杂PN 结中，耗尽区较窄，所以反向电压在其中产生较强的电场。电场强到能直接将价电子拉出共价键，发生场致激发，产生大量的自由电子和空穴，使反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。PN 结击穿时，只要限制反向电流不要过大，就可以保护 PN 结不受损坏。第11页/共72页4.2.4PN 结的电容特性 PN 结能存贮电荷，且电荷变化与外加电压变化有关，说明 PN 结有电容效应。 一、势垒电容（反偏） P 区 N 区 耗尽区 |u| P 区 N 区 耗尽区 |u| + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

11、 + + + + + + + + + + + + dSUuCuQCnB0TT1CT0为 u = 0 时的 CT，与 PN 结的结构和掺杂浓度等因素有关；UB为内建电位差；n 为变容指数，取值一般在 1 / 3 6 之间。当反向电压- u的绝对值增大时，CT 将减小（变容管）。 第12页/共72页 P区 N区 耗尽区 u P区 N区 耗尽区 u u 0 0 np0 pn0 pnnn nppp Qn Qp uQQuQCpnDPN 结的结电容为势垒电容和扩散电容之和，即 Cj = CT + CD。CT 和 CD 都随外加电压的变化而改变，所以都是非线性电容。当PN 结正偏时，CD 远大于 CT ，即

12、 Cj CD ；当PN 结反偏时，CT 远大于 CD，则 Cj CT 。二、扩散电容（正偏） 第13页/共72页4.3晶体二极管 二极管可分为硅二极管和锗二极管，简称为硅管和锗管。 4.3.1二极管的伏安特性：指数特性) 1() 1(TDD/S/SDUukTqueIeIiIS 为反向饱和电流，q =1.60 10 19C ；UT = kT/q，称热电压， 300 K 时，UT = 26 mV。 uD iD UD(on) 0 IS 击穿 TDSDUueIiT2 T1 1、二极管的导通，截止和击穿当 uD 0 且超过特定值 UD(on) 时，iD 变得明显，此时认为二极管导通，UD(on) 称为导

13、通电压 (开启电压) ；uD 0.7V时，VD处于导通状态，等效成短路，所以输出电压uo=ui-0.7； RL D ui uo t ui 0 t 0 (a) (b) 0.7 V uo (c) uo ui 0 0.7 V 1 当ui0时，D1和D2上加的是正向电压，处于导通状态，而D3和D4上加的是反向电压，处于截止状态。输出电压uo的正极与ui的正极通过D1相连，它们的负极通过D2相连，所以uo=ui； RL D1 ui uo t ui 0 t uo 0 (a) (b) D3 D4 D2 (c) uo ui 0 1 1 当ui0时，二极管D1截止，D2导通，电路等效为(b)所示的反相比例放大器

14、，uo=-(R2/R1)ui；当ui 0时，uo1 = - ui，uo = ui；当ui 2.7V时，VD导通，所以uo=2.7V；当ui2.3V时，D2导通，uo=2.3V；当ui2.3V时，D2截止，支路等效为开路，uo=ui。所以D2实现了上限幅；解：D1处于导通与截止的临界状态时，其支路两端电压为-E-UD(on)=-2.3V。当ui-2.3V时，D1截止，支路等效为开路，uo=ui。所以D1实现了下限幅；第32页/共72页图中,设二极管的交流电阻rD 0,导通电压UD(on)=0.7 V ui VD1 VD2 R2 R1 uo A 限幅电路的基本用途是控制输入电压不超过允许范围，以保

15、护后级电路的安全工作。当-0.7Vui0.7 V时，VD1导通，VD2截止，R1、VD1和R2构成回路，对ui分压，集成运放输入端的电压被限制在UD(on)=0.7V；当ui-0.7V时，VD1截止，VD2导通，R1、VD2和R2构成回路，对ui分压，集成运放输入端的电压被限制在-UD(on)=-0.7 V。该电路把ui限幅到0.7V到-0.7V之间，保护集成运算放大器。第33页/共72页图中,设二极管的交流电阻rD 0,导通电压UD(on)=0.7 Vui A / D 5 V D1 D2 R E 当-0.7Vui5.7V时，VD1导通，VD2截止，A/D的输入电压被限制在5.7V；当ui-0

16、.7V时，VD1截止，VD2导通，A/D的输入电压被限制在-0.7V。该电路对ui的限幅范围是-0.7V到 5.7V。第34页/共72页例4.3.8稳压二极管限幅电路如图 (a) 所示，其中稳压二极管DZ1和DZ2的稳定电压UZ=5V，导通电压UD(on) 近似为零。输入电压ui的波形在图 (b) 中给出，作出输出电压uo的波形。 ui (a) R1 uo 5 k A UZ t ui (V) 0 (b) 2 2 DZ1 DZ2 1 k R2 第35页/共72页解：当 | ui | 1 V时，DZ1和DZ2一个导通，另一个击穿，此时反馈电流主要流过稳压二极管支路，uo稳定在 5 V。由此得到图

17、(c) 所示的uo波形。 ui (a) R1 uo 5 k A UZ t ui (V) 0 (b) 2 2 1 1 t uo (V) 0 (c) 5 5 DZ1 DZ2 1 k R2 第36页/共72页 uo R A DZ1 t uo , uC 0 UOH R3 DZ2 R1 R2 C uC UZ UTH UTL UOL uo uC 图示电路为单运放弛张振荡器。其中集成运放用作反相迟滞比较器，输出电源电压UCC或 - UEE，R3隔离输出的电源电压与稳压二极管DZ1和DZ2限幅后的电压。仍然认为DZ1和DZ2的稳定电压为UZ，而导通电压UD(on) 近似为零。经过限幅，输出电压uo可以是高电压

18、UOH = UZ或低电压UOL = - UZ。第37页/共72页3、电平选择电路 例4.3.9(a)是二极管电平选择电路，其中二极管VD1和VD2均为理想二极管，输入信号ui1和ui2的幅度均小于电源电压E，波形如(b)所示。分析电路的工作原理，并作出输出信号uo的波形。 R E ui2 uo t ui1 (a) VD1 ui1 VD2 t ui2 0 t uo 0 (b) 0 第38页/共72页解：因为ui1和ui2均小于E，所以VD1和VD2至少有一个处于导通状态。 R E ui2 uo t ui1 0 (a) VD1 ui1 VD2 t ui2 0 t uo 0 (b) 1 1 0 1

19、1 0 0 0 1 0 0 0 假设ui1ui2时，VD2导通，VD1截止，uo=ui2；只有当ui1=ui2时，VD1和VD2才同时导通，uo=ui1=ui2。uo的波形如(b)所示。该电路完成低电平选择功能，当高、低电平分别代表逻辑1和逻辑0时，就实现了逻辑“与”运算。 第39页/共72页 ui uo1 D uo C (a) A1 A2 ui , uo t 0 uo ui (b) uG V A2 4、峰值检波电路 例4.3.10分析图示峰值检波电路的工作原理。 解：电路中集成运放A2起电压跟随器作用。当uiuo时，uo10，二极管D导通，uo1对电容C充电，此时集成运放A1也成为跟随器，u

20、o=uCui，即uo随着ui增大；当uiuo时，uo1UBE(on)时，e结正偏，晶体管导通，即处于放大状态或饱和状态。此两种状态下，uBEUBE(on)，所以也可以认为UBE(on)是导通的晶体管输入端固定的管压降；当uBEuBE(on)，则晶体管处于放大状态或饱和状态，再判断c结是正偏还是反偏。如果c结反偏，则晶体管处于放大状态，这时UBE=UBE(on)。根据外电路和UBE(on)计算IB，接下来IC=IB，IE=IB+IC。再由这三个极电流和外电路计算UCE和UCB；实际应用中，通过控制e结和c结的正偏与反偏，可使晶体管处于放大状态、饱和状态或截止状态，来实现不同的功能。确定直流偏置下

21、晶体管工作状态的基本步骤：1判断e结是正偏还是反偏。若uBE 0，所以c结反偏，假设成立，UO=UC=4V；当UI=5V时，因为，UCB=-3.28V0，所以晶体管处于饱和状态，UO=UCE(sat) 。 第49页/共72页 2 k RC UCC 200 k RB 2 k RE IB IC IE V 12 V 例4.4.2晶体管直流偏置电路如图所示，已知晶体管V的UBE(on)=-0.7V，=50。判断V的工作状态，并计算IB、IC和UCE。 解：图中晶体管是PNP型，UBE(on)=UB-UE=(UCC-IBRB)-IERE=UCC-IBRB-(1+)IBRE=-0.7V，得到IB=-37.

22、4A0，所以V处于放大或饱和状态。假设处于放大状态，则IC=IB=-1.87mA，验证：因为，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-(UCC-IBRB)=-3.74VUSUG栅极电流：IG 0夹断电压：UGS(off)第56页/共72页2、输出特性(iD-uDS) 0 5 10 15 20 uDS (V) iD (mA) 2 V 0.5 V 1 V 1.5 V UDG UGS(off) 恒 流 区 可变电阻区 截止区 1 2 3 4 UGS UGS(off) 击穿区 UGS 0 （1）恒流区 (|uGS|UGS(off)|且|uDG| |uDSuGS|UGS(off)|) （2）可变电阻区

23、 (|uGS|UGS(off)|且|uDG|UGS(off)|)uGS和iD为平方率关系。预夹断导致uDS对iD的控制能力很弱。（3）截止区 (|uGS|UGS(off)|)uDS的变化明显改变iD的大小。导电沟道全部夹断，iD 0。 N G D S UGS uDS iD P+ P+ 另外，若|uDS|足够大，则PN结在靠近漏极的局部会击穿，iD急剧增大，相应的区域成为击穿区。第57页/共72页3、转移特性(iD-UGS) 3 2 1 UGS (V) iD (mA) UGS(off) 0 1 2 3 4 IDSS 2GS(off)GSDSSD1UuIi恒流区内，iD与uGS的平方率关系可以描述

24、为：第58页/共72页4.5.2绝缘栅场效应管 金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET），根据结构上是否存在原始导电沟道，分为增强型（normally-off）和耗尽型(normally-on)。 G D S 栅极 G 漏极 D N N P 衬底 源极 S B PN 结 B G D S 栅极 G 漏极 D P P N 衬底 源极 S B PN 结 B N 沟道增强型 MOSFET P 沟道增强型 MOSFET G D S B G D S 栅极 G 漏极 D N 衬底 源极 S B PN 结 B P P 栅极 G 漏极 D P 衬底 源极 S B PN 结 N N N 沟道耗尽型 MOS

25、FET P 沟道耗尽型 MOSFET 第59页/共72页1、工作原理 G D N P 衬底 S B UGS UDS G D N P 衬底 S B UGS UDS G D N N P 衬底 S B UGS UDS ID ID ID N N UGS = 0 ID 0N沟道增强型MOSFETUGS UGS(th) 电场 反型层 导电沟道 ID 0UGS控制ID的大小UDUGUS=UB，IG = 0第60页/共72页在UGS0时就存在IDID0。UGS增大ID增大。当UGS0时，且|UGS| 足够大时，导电沟道消失，ID0，此时的UGS称为夹断电压UGS(off) 。 N沟道耗尽型MOSFET2、输出

26、特性 0 5 10 15 20 uDS (V) iD (mA) 3 V 6 V 5 V 4 V UDG UGS(th) 恒 流 区 可变电阻区 截止区 1 2 3 4 UGS UGS(th) 击穿区 UGS 7 V G D N N P衬底 S B UGS UDS ID 预夹断N沟道增强型MOSFET各区划分140页第61页/共72页 4 6 8 UGS (V) iD (mA) UGS(th) 0 1 2 3 4 2 n为导电沟道中自由电子运动的迁移率；Cox为单位面积的栅极电容；W 和 L分别为导电沟道的宽度和长度，W / L为宽长比。2GS(th)GSoxnD)(2UuLWCi)1 ()(2

27、DS2GS(th)GSoxnDuUuLWCiN沟道增强型MOSFET3、转移特性 恒流区内，iD与uGS的平方率关系可以描述为：如果计入uDS对iD的微弱影响，则需要用沟道调制系数修正公式。第62页/共72页N沟道耗尽型MOSFET（类似N沟道JFET） 0 5 10 15 20 uDS (V) iD (mA) 3 V 6 V 3 V 0 UDG UGS(off) 恒 流 区 可变电阻区 截止区 1 2 3 4 UGS UGS(off) 击穿区 UGS = 9 V 0 3 6 UGS (V) iD (mA) UGS(off) 2 3 4 3 9 6 1 2GS(off)GSD0D1uuIi2G

28、S(off)oxnD02ULWCI恒流区电流方程第63页/共72页4.5.3各种场效应管的比较以及场效应管与晶体管的对比 G D S G D S G D S B G D S B G D S B G D S B JF ET N 沟 道 P 沟 道 N 沟 道 P 沟 道 N 沟 道 P 沟 道 增 强 型 耗 尽 型 M O SF ET 电路符号 0 UGS iD IDSS UGS(off) UGS(th) JFET N 沟道 ID0 MOSFET 耗尽型 N 沟道 增强型 N 沟道 UGS(th) UGS(off) JFET P 沟道 增强型 P 沟道 耗尽型 P 沟道 MOSFET IDSS

29、 ID0 0 UDS iD JFET N 沟道 MOSFET 耗尽型 N 沟道 增强型 N 沟道 0 2 7 4 2 3 3 1 4 2 0 5 1 1 6 5 3 2 UGS (V) 耗尽型 P 沟道 JFET P 沟道 增强型 P 沟道 UGS (V) 7 2 0 6 1 1 5 0 2 4 1 3 2 2 3 3 4 5 MOSFET 特性曲线第64页/共72页晶体管处于放大状态或饱和状态时，存在一定的基极电流，输入电阻较小。场效应管中，JFET的输入端PN结反偏，MOSFET则用SiO2隔离了栅极和导电沟道，所以场效应管的栅极电流很小，输入电阻极大。晶体管中自由电子和空穴同时参与导电，

30、主要依靠基区中非平衡少子的扩散运动，所以导电能力易受外界因素如温度的影响。场效应管只依靠自由电子和空穴之一在导电沟道中作漂移运动实现导电，导电能力不易受环境的干扰。场效应管结构对称，源极和漏极可互换使用。 晶体管发射区和集电区虽是同型杂质半导体，但因制作工艺不同，二者不能互换使用。第65页/共72页 UDD RG 100 k RD 2 k 12 V UGS(off) 4 V IDSS 3 mA (a) UDD RG 100 k RD 3 k 10 V UGS(th) 2 V ID 3 mA (b) E V V 5 V 例4.5.1判断图中场效应管的工作状态。 解:图(a)是N沟道JFET，UGS=0UGS(off)，故该JFET工作在恒流区或可变电阻区，且ID=IDSS，UDG=UDS-UGS=UDS=UDD-IDRD=6(V)-UGS(off)，故该JFET工作在恒流区。图 (b) 是P沟道增强型MOSFET，UGS = - 5 (V) - UGS(th) ，所以该场效应管工作在可变电阻区。 第66页/共72页一、方波，锯齿波发生器 4.5.5场效应管应用电路举例 uo C1 uo1 t 0 A1 R4 R3 R2 R1 UZ R6 C2 A2 E V uo t 0