AET半导体器件PPT教学课件

1、第一章 半导体器件 1.1 半导体的基本知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 场效应晶体管1-1第1页/共98页1.1.1 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。1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1-2第2页/共98页半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界光的作用时，它的导电能力明显变化光敏效应。 往纯净的半导体中掺入某

2、些杂质，会使它的导电能力明显改变掺杂效应。1-3 当受外界热的作用时，它的导电能力明显变化热敏效应。第3页/共98页1.1.2 本征半导体一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，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。1-4第4页/共98页本征半导体：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。硅和锗的晶体结构：1-5第5页/共98页硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+

3、4+4+4+4表示除去价电子后的原子1-6第6页/共98页 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。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+41-7第7页/共98页二、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（即载流子），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，

4、成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴1-8第8页/共98页+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子1-9第9页/共98页2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。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。1-10第10页/共98页 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，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。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成

5、： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。1-11第11页/共98页1.1.3 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。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。1-12第12页/共98页一、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

6、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。1-13第13页/共98页+4+4+5+4多余电子磷原子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。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）。1-14第14页/共98页二、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。

7、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。+4+4+3+4空穴硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。1-15第15页/共98页三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体+N 型半导体 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。1-16第16页/共98页一 、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。1.1.4 PN结及其单向导电性结及其单向导电性1-17第17页/共98页P型半

8、导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。1-18第18页/共98页漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E所以扩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。1-19第19页/共98页+空间电荷区N型区P型区电位VV01-20第20页/共98页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区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因

9、此由它们形成的电流很小。注意:1-21第21页/共98页二、 PN结的单向导电性 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。1-22第22页/共98页+RE1、PN 结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。1-23第23页/共98页2、PN 结反向偏置+内电场外电场变厚NP+_内电场被加强，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。RE1-24第24页/共98页1.2.1 基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二

10、极管。引线外壳线触丝线基片点接触型1-251.2 半导体二极管第25页/共98页PN二极管的电路符号：1-26PN结面接触型第26页/共98页 1.2.2 伏安特性UI死区电压 硅管0.5V,锗管0.2V。导通压降: 硅管0.50.7V,锗管0.20.3V。反向击穿电压UBR1-27第27页/共98页1.2.3 主要参数1. 最大整流电流 IOM 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. 反向击穿电压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，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。1-28第28页/共98页3

11、. 反向电流 IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。1-29第29页/共98页4. 微变电阻 rDiDuDIDUDQiDuDrD 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：DDDiur显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。1-30第30页/共98页5. 二极管的极间电容二极管的两极之间有电

12、容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。P+-N1-31第31页/共98页CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容CD可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd1-32第32页/共98页实际

13、二极管： 硅二极管：死区电压 0 .5V，正向压降0.7V 锗二极管：死区电压 0 .2V，正向压降0.3V1-33 理想二极管： 死区电压 0 ，正向压降 0 二极管的简化模型第33页/共98页RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流电路1-34第34页/共98页二极管的应用举例2：二极管充放电电路tttuiuRuoRRLuiuRuo1-35第35页/共98页一、稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳压性能越好。1.2.4 特殊二极管特殊二极管1-36第36页/共98页（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电

14、流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗maxZZZMIUP稳压二极管的参数:（1）稳定电压 UZ（2）电压温度系数U（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻ZZIUZr1-37第37页/共98页负载电阻：要求：当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRLmaxmin10V, 20mA, 5mAzWzzUII稳压管的技术参数: k2LR求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。1-38第38页/共98页uoiZDZRiLiuiRL解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。mA25maxLZWzRUIi102

15、521RUiRu.zWi方程11-39第39页/共98页令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：k50V7518.R,.ui1-40第40页/共98页二、光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加1-41第41页/共98页三、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，它的电特性与一般二极管类似。1-42第42页/共98页四、其他特殊二极管常见的特殊二极管除了前面介绍的稳压二极管、整流二极管、光电二极管、

16、发光二极管以外，利用二极管的某些参数随电压的变化还可以制成变容二极管、变阻二极管、激光二极管、开关二极管等。1-43第43页/共98页1.3.1 基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型1.3 半导体三极管半导体三极管1-44第44页/共98页BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高1-45第45页/共98页BECNNP基极发射极集电极发射结集电结1-46第46页/共98页1.3.2 电流放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB

17、E ，多数扩散到集电结。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。1-47第47页/共98页BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。1-48第48页/共98页IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE1-49IE=IB+IC=IBE+ICE第49页/共98页ICE与IBE之比称为电流放大倍数注意：要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。CECCBOCB

18、EBCBOBIIIIIIII1-50第50页/共98页BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管1-51第51页/共98页1.3.3 特性曲线ICmAAVVUCEUBERBIBECEB 实验线路1-52第52页/共98页一、输入特性曲线UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降： 硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。UCE=0VUCE =0.5V 死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。1-53第53页/共98页二、输出特性曲线IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB

19、称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。1-54第54页/共98页IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。1-55第55页/共98页IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中 : IB=0, IC=ICEO, UBEIC，UCE0.3V (3) 截止区： UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 1-57注意：输出特性曲线上表明有三极管的工作三个区，但三极管的状态却有放大、饱和、截止

20、和倒置四个。第57页/共98页例1： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k， 当USB = -2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE1-58第58页/共98页解：由于 =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k （1）当USB =-2V时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEmA2612maxCSCCRUIIB=0 ， IC=0首先计算最大饱和电流IC ：Q位于截止区 1-59第59页/共98页即IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBER

21、CUBE（2）当USB =2V时：20.7700.019mASBBEBBUUIRmax500.019mA0.95mABCmaxII2mACCmaxII1-61第61页/共98页三、主要参数 前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：BCII_ 工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：BCII1. 电流放大倍数 和 _1-62第62页/共98页例如：UCE=6V时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =

22、2.3 mA。5 .3704. 05 . 1_BCII4004. 006. 05 . 13 . 2BCII在以后的计算中，一般作近似处理： =1-63第63页/共98页2.集-基极反向截止电流ICBOAICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。1-64第64页/共98页BECNNPICBOICEO= IBE+ICBO IBE IBEICBO进入N区，形成IBE。根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。集电结反偏有ICBO3. 集-射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。1-

23、65第65页/共98页4.集电极最大电流ICM 集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。5.集-射极反向击穿电压 当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。1-66第66页/共98页6. 集电极最大允许功耗PCM 集电极电流IC 流过三极管， 所发出的焦耳 热为：PC =ICUCE 必定导致结温 上升，所以PC 有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区1-67第67页/共98页 场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，

24、且输入阻抗高、温度稳定性好。结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种:1.4 场效应晶体管场效应晶体管1-68第68页/共98页N基底 ：N型半导体PP两边是P区G(栅极)S源极D漏极一、结构1.4.1 结型场效应管:导电沟道1-69第69页/共98页NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管DGSDGS1-70第70页/共98页PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管DGSDGS1-71第71页/共98页二、工作原理（以P沟道为例）UDS=0V时PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。1-72第72页/共98页PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V时NNUGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。但当UGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。1-73第73页/共98页PGSDUDSUGSNNUDS=0时UGS达到一定值时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时