电工电子第5章半导体器件(2015)

1、在热力学温度零度在热力学温度零度和没有外界激发时和没有外界激发时,本征半导体不导电。本征半导体不导电。 纯净的具有晶体纯净的具有晶体结构的半导体称为本结构的半导体称为本征半导体。它是共价征半导体。它是共价键结构。键结构。 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构硅原子硅原子价电子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空空穴穴本征激发本征激发复合复合自由电子和空穴的形成自由电子和空穴的形成成对出现成对出现成对消失成对消失+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴导电的空穴导电的实质是共价实质是共价键中的束缚键中的束缚电子依次填电子依次填补

2、空穴形成补空穴形成电流。故半电流。故半导体中有电导体中有电子和空穴两子和空穴两种载流子。种载流子。 空穴移动方向空穴移动方向 电子移动方向电子移动方向 在外电场作用下，在外电场作用下，电子和空穴均能电子和空穴均能参与导电。参与导电。 价电子填补空穴价电子填补空穴+4+4+4+4+4+4+4+41 . N型半导体型半导体在硅或锗的晶在硅或锗的晶体中掺入少量体中掺入少量的五价元的五价元 素素,如磷，则形成如磷，则形成N型半导体。型半导体。 磷原子磷原子+4+5多余价电子多余价电子自由电子自由电子正离子正离子 虽然在半导体中掺入杂质的数量虽然在半导体中掺入杂质的数量极微极微，但对半导体，但对半导体的

3、导电性能却有的导电性能却有很大很大的影响。例如，在一立方厘米硅晶的影响。例如，在一立方厘米硅晶体中约有体中约有5.1 1022个硅原子，个硅原子， 室温下本征激发所产生的电室温下本征激发所产生的电子，空穴对约为子，空穴对约为 1.43 1010 对。对。 如果如果掺入掺入十亿分之一十亿分之一的的磷，即在一立方厘米硅晶体中掺入磷，即在一立方厘米硅晶体中掺入5.1 1022 10 9 = 5.1 1013个磷个磷原子，就可以提供原子，就可以提供 5.1 1013个自由电子，与原来由本个自由电子，与原来由本征激发所产生的的自由电子的数量相比，增加了征激发所产生的的自由电子的数量相比，增加了3566倍

4、，倍，与原来由本征激发所产生的两种载流子的总数相比，增加与原来由本征激发所产生的两种载流子的总数相比，增加了了1783倍，因而导电能力大大增强。倍，因而导电能力大大增强。 另一方面，由于自由电子的增多，增加了空穴与自另一方面，由于自由电子的增多，增加了空穴与自由电子复合的机会，原来由本征激发产生的少量空穴又由电子复合的机会，原来由本征激发产生的少量空穴又进一步减少，所以，在掺入五价元素的杂质半导体中，进一步减少，所以，在掺入五价元素的杂质半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 N 型半导体结构示意图型半导体结构示意图少数载流子少数载流子多数载流子多数

5、载流子正离子正离子在在N型半导体中型半导体中,电子是多数载流子电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。空穴是少数载流子。 此图中只画出了掺入的五价元素形成的正离子、多此图中只画出了掺入的五价元素形成的正离子、多数载流子数载流子 和少数载流子。未画出硅原子。和少数载流子。未画出硅原子。+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴2. P型半导体型半导体在硅或锗的晶在硅或锗的晶体中掺入少量体中掺入少量的三价元素，的三价元素，如硼，则形成如硼，则形成P 型半导体。型半导体。 +4+4硼原子硼原子填补空位填补空位+3负离子负离子 P 型半导体结构示意图型半导体结构示意图电子是少数载流子电子是少数载流子负离子负离

6、子空穴是多数载流子空穴是多数载流子P 型半导体结构示意图型半导体结构示意图 此图中只画出了掺入的三价元素形成的负离子、多此图中只画出了掺入的三价元素形成的负离子、多数载流子数载流子 和少数载流子。亦未画出硅原子。和少数载流子。亦未画出硅原子。P 区区N 区区N区的电子向区的电子向P区扩散并与空穴复合区扩散并与空穴复合P区的空穴向区的空穴向N区扩散并与电子复合区扩散并与电子复合空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上, ,形成形成P型半导体区域和型半导体区域和N型半导体区域型半导体区域, ,在这两个区域的交界在这两个区域的

7、交界处就形成了一个特殊的薄层，称为处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。结。 多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区P 区区N 区区 在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。 内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RIP 区区N 区区外电场驱使外电场驱使P区的空穴进入空间区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄空间电

8、荷区变窄 多子扩散运动增强，多子扩散运动增强，形成较大的正向电流形成较大的正向电流(1) 外加正向电压外加正向电压P 区区N 区区内电场方向内电场方向ER空间电荷区变宽空间电荷区变宽 外电场方向外电场方向IR(2)(2)外加反向电压外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过少数载流子越过PN结结形成很小的反向电流形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行多数载流子的扩散运动难于进行1、PN结加正向电压：结加正向电压：PN结所处的状态称为结所处的状态称为正向导正向导通通，其特点：，其特点：PN结正向电流大，结正向电流大

9、，PN结电阻小。结电阻小。相当于开关闭合相当于开关闭合SPN结的单向导电性：结的单向导电性：2、PN结加反向电压：结加反向电压：PN结所处的状态称为结所处的状态称为反向截反向截止止，其特点：，其特点：PN结反向电流小，结反向电流小，PN结电阻大。结电阻大。相当于开关打开相当于开关打开 正极正极引线引线含三价含三价元素的元素的金属触丝金属触丝N型锗型锗支架支架外壳外壳负极引线负极引线点接触型二极管点接触型二极管 正极引线正极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型区型区负极引线负极引线 面接触型二极管面接触型二极管N型硅型硅PN结结PN结结二极管的符号二极管的符号正极正极负极负极PN 二极管和二极管

10、和PN结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲线可结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲线可见，当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电压见，当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称为为死区电压死区电压。通常，硅管的死区电压约为。通常，硅管的死区电压约为0.5V,锗管约为锗管约为0.1V。导通时的正向压降，硅管约为导通时的正向压降，硅管约为0.6V0.7V,锗管约为锗管约为0.20.3V。604020 0.02 0.0400.4 0.82550I / mAU / V正向特性正

11、向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压URBR反向特性反向特性I / mAU / V0.20.4 25 50510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0604020 0.02 0.0400.4 0.82550I / mAU / V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压URBR反向特性反向特性I / mAU / V0.20.4 25 50510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0 在二极管上加反向电压时在二极管上加反向电压时,反向电流很小。但当反反向电流很小。但当反向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增

12、大。这向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿时的电压称为反向击穿电压时的电压称为反向击穿电压URBR二极管的近似伏安特性和理想伏安特性二极管的近似伏安特性和理想伏安特性UOIUD(a) 近似伏安特性近似伏安特性UOI(b) 理想伏安特性理想伏安特性 (a)当电源电压与二极管导通时的正向电压降相差不当电源电压与二极管导通时的正向电压降相差不多时，正向电压降不可忽略，可采用多时，正向电压降不可忽略，可采用近似伏安特性近似伏安特性 (b)当电源电压远大于二极管导通时的正向电压降时，当电源电压远大于二极

13、管导通时的正向电压降时，则可将二极管看成则可将二极管看成理想二极管理想二极管，可采用，可采用理想伏安特性理想伏安特性600400200 0.1 0.200.4 0.850100ID / mAUD / V正向特性正向特性反向击反向击穿特性穿特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性反向特性反向特性死区电压死区电压对于理想二极管对于理想二极管锗锗 管管正向压降正向压降0.2-0.3V硅硅 管管正向压降正向压降0.5-0.7VR- -+USIDDUD- -+R- -+USIDD正向特性：正向特性：二极管加正向电压二极管加正向电压600400200 0.1 0.200.4 0.850100ID / mAUD /

14、 V正向特性正向特性反向击反向击穿特性穿特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性反向特性反向特性死区电压死区电压对于理想二极管对于理想二极管R- -+USDUD- -+R- -+USIRD反反 向特性：向特性：二极管加反向电压二极管加反向电压1.1. 最大整流电流最大整流电流IOM 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。流过二极管的最大正向平均电流。2.2. 最高反向工作电压最高反向工作电压UDRM 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。压，一般是反

15、向击穿电压的一半或三分之二。3.3. 反向电流反向电流IR 它是指二极管加上给定反向偏置电压时的反它是指二极管加上给定反向偏置电压时的反向电流值。向电流值。 IR越小，二极管的单向导电性越好。越小，二极管的单向导电性越好。 二极管的二极管的应用范围很广应用范围很广,它可用作钳位、限幅、整流、它可用作钳位、限幅、整流、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 例例1：下图中，已知：下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管，为锗管，求输出端求输出端Y的电位并说明的电位并说明二极管的二极管的作用。作用。 解：解： DA优先导通，优先导通，则则VY

16、=30.3=2.7VDA导通后导通后, DB因反偏而截止因反偏而截止,起起隔离隔离作用作用, DA起起钳位钳位作用作用,将将Y端的电位钳制在端的电位钳制在+2.7V。 DA 12VYABDBR解解: (1) VA= VB= VC= 3V VY= 3.3V. +12vABCDADBDCVY=3.3VYDA、DB、DC都导通都导通例例2：下图中，：下图中，DA 、DB和和DC均为锗管，求下列两种情况下均为锗管，求下列两种情况下输出端输出端Y的电位并说明的电位并说明二极管的二极管的作用。作用。(1)VA= VB= VC= 3V; (2) VA= 0V, VB= VC= 3V. +12vABCDADB

17、DC(2) VA= 0V, VB= VC= 3V 则则 DA抢先导通抢先导通VY= 0.3V VY=0.3VYDB、DC截止截止DA导通后，导通后，DB和和DC因反偏因反偏而截止，而截止， 起起隔离隔离作用；作用； DA起起钳位钳位作用，将作用，将Y端的电端的电位钳制在位钳制在+0.3V。 例例2：下图中，：下图中，DA 、DB和和DC均为锗管，求下列两种情况下均为锗管，求下列两种情况下输出端输出端Y的电位并说明的电位并说明二极管的二极管的作用。作用。(1)VA= VB= VC= 3V; (2) VA= 0V, VB= VC= 3V.解解: 例例1：下图是：下图是二极管二极管单向单向限幅电路，

18、限幅电路，D为理想二极管，为理想二极管，ui = 6 sin t V, E= 3V,试画出试画出 uo波形波形 。 t t ui / V Vuo/V63300 2 2 6DE3VRuiuouRuD解：（解：（1）当）当ui 3V时，时，D正向偏置，正向偏置，D导通。导通。 uo = E = 3VuR / V V t 30 2 t ui / V V630 2 t uo/V033D1E13VRuiD2E23Vuourud例例2：下图是：下图是二极管二极管双向双向限幅电路，限幅电路，D为理想二极管，为理想二极管， ui = 6 sin t V, E1= E2= 3V, 试画出试画出 uo波形波形 。

19、(2)当当 3V ui 3V时，时，D1导通，导通，D2截止。截止。 uo = E1 = 3V(3)当当 ui 0UBC VB VE输出输出回路回路输入输入回路回路公公共共端端 三极管的工作状态有三极管的工作状态有放大、饱和及截止三种。放大、饱和及截止三种。1、放大状态、放大状态ECRCIC UCECEBIBRBEBUBEIE发射区向基区发射区向基区扩散电子扩散电子IEIB电子在基区电子在基区扩散与复合扩散与复合集电区收集电子集电区收集电子 电子流向电源正极形成电子流向电源正极形成 ICIcRcRBUBBNPN电源负极向发射电源负极向发射区补充电子形成区补充电子形成 发射极电流发射极电流IEU

20、CC 三极管的电流控制原理三极管的电流控制原理UBB正极拉走电正极拉走电子，补充被复子，补充被复合的空穴，形合的空穴，形成成 IB 三极管处于放大状态时，内部载流子的运动过程是：三极管处于放大状态时，内部载流子的运动过程是：发射区发射载流子形成发射区发射载流子形成 IE，其中很少部分在基区被复合，其中很少部分在基区被复合而形成而形成 IB，绝大部分被集电区收集而形成，绝大部分被集电区收集而形成 IC。三者的关。三者的关系是：系是： IE = IB + IC 三者的大小取决于三者的大小取决于UBE的大小的大小, UBE增加，发射区发射增加，发射区发射的载流子增多，的载流子增多，IE、 IB 和和

21、 IC 都相应增加。都相应增加。ECRCIC UCECEBIBRBEBUBEIEIC IB同样有同样有: IC IB所以说三极管具有电流放大作用所以说三极管具有电流放大作用,也称之为也称之为电流控制作用电流控制作用。 由于基区很薄由于基区很薄,掺杂浓度又很小掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。所以：数量远远大于复合的数量。所以：UCCRCIC UCECEBIBRBEBUBEIE直流（或静态）电流放大系数直流（或静态）电流放大系数交流（或动态）电流放大系数交流（或动态）电流放大系数 = II = IC I 和和 数值相近，故今后一律用数值相近，故今后一律用 。

22、晶体管处于放大状态的特征是晶体管处于放大状态的特征是:UCCRCIC UCECEBIBRBEBUBEIE(a) IB 的微小变化会引起的微小变化会引起 IC 的较大变化的较大变化;(b) IC = IB， IC 是由是由 和和 IB 决定的决定的;(c) UCC UCE 0 ， UCE = UCC RC IC在模拟电路中，在模拟电路中，晶体管晶体管主要工作在放大状态，主要工作在放大状态，起放大作用。起放大作用。ECRCIC UCECEBIBRBEBUBEIE三极管处于三极管处于饱和饱和状态状态的外部条件的外部条件 : （1）发射结正向偏置；）发射结正向偏置；（2）集电结正向偏置。）集电结正向偏

23、置。对于对于NPN型三极管应满足型三极管应满足: UBE 0UBC 02、饱和状态、饱和状态晶体管处于饱和状态的特征是晶体管处于饱和状态的特征是:UCCRCIC UCECEBIBRBEBUBEIE(a) IB 增加时，增加时， IC 基本不变基本不变;(c) UCE = 0(d) 晶体管相当于短路。晶体管相当于短路。(b) IC = ， IC 是由是由UCC 和和 RC 决定的决定的;UCC RC ECRCIC UCECEBIBRBEBUBEIE三极管处于三极管处于截止截止状态状态的外部条件的外部条件 : （1）发射结反向偏置；）发射结反向偏置；（2）集电结反向偏置。）集电结反向偏置。对于对于

24、NPN型三极管应满足型三极管应满足: UBE 0UBC 03、截止状态、截止状态晶体管处于晶体管处于截止截止状态的特征是状态的特征是:UCCRCIC UCECEBIBRBEBUBEIE(a) IB = 0 ;(c) UCE = UCC ;(d) 晶体管相当于开路。晶体管相当于开路。(b) IC = 0 ;在数字电路中，在数字电路中，晶体管晶体管交替工作于交替工作于截止和截止和饱和饱和两种状态，起开关作用。两种状态，起开关作用。IBUBEOUCE 1V死区电压死区电压1. 三极管的输入特性三极管的输入特性IB = f ( UBE )UC E = 常数常数UCCRCIC UCECEBIBRBEBU

25、BEIEIB =40AIB =60AUCEoIcIB增加增加IB减小减小IB = 20AIB = 常数常数IC = f ( UCE )2. 三极管的输出特性三极管的输出特性UCCRCIC UCECEBIBRBEBUBEIEIc / mAUCE /V0放放大大区区三极管输出特性上的三个工作区三极管输出特性上的三个工作区 IB = 0 A20A40 A截止区截止区饱和区饱和区60 A80 A1. 电流放大系数电流放大系数 IB = IC = IC IB 2. 穿透电流穿透电流 ICEO 3. 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 4. 反向击穿电压反向击穿电压 BU (BR)CEO 5.

26、集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM极限参数极限参数使用时使用时不允许超过不允许超过!Ic / mAUCE /V0IB = 0 A20A40 A60 A80 A由三极管的极限参数确定安全工作区由三极管的极限参数确定安全工作区BU (BR) CEOICM安安全全工工作作区区过过损损耗耗区区PCM曲线曲线ICEO集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM60A0 20A1.52.3在输出特性上求在输出特性上求 , = IC IB =1.5mA40A= 37.5 =IC IB =2.31.5(mA)60 40(A)= 40设设UCE=6V, IB由由40A加为加为60A 。

27、IC / mAUCE /VIB =40A6SiO2结构示意图结构示意图P型硅衬底型硅衬底源极源极S栅极栅极G漏极漏极D 衬底引线衬底引线BN+N+DBSG符号符号1. 结构和符号结构和符号SiO2结构示意图结构示意图P型硅衬底型硅衬底耗尽层耗尽层衬底引线衬底引线BN+N+SGDUDSID = 0D与与S之间是两个之间是两个PN结反向串联，结反向串联，无论无论D与与S之间加之间加什么极性的电压，什么极性的电压，漏极电流均接近漏极电流均接近于零。于零。2. 工作原理工作原理P型硅衬底型硅衬底N+BSGD。UDS耗尽层耗尽层ID = 0由柵极指向衬底方由柵极指向衬底方向的电场使空穴向向的电场使空穴向

28、下移动下移动,电子向上移电子向上移 动动,在在P 型硅衬底的型硅衬底的 上表面形成耗尽层。上表面形成耗尽层。 仍然没有漏极电流。仍然没有漏极电流。 UGSN+N+P型硅衬底型硅衬底N+BSGD。UDS耗尽层耗尽层ID 栅极下栅极下P型半导型半导体表面形成体表面形成N型导电型导电沟道，当沟道，当D、S加上加上正向电压后可产生正向电压后可产生漏极电流漏极电流ID 。 UGSN型导电沟道N+N+ID /mA4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型增强型 NMOS 管的特性曲线管的特性曲线 0123饱和区饱和区击穿区击穿区可变电阻区246UGS / V3.

29、特性曲线特性曲线UGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS / V结构示意图结构示意图P型硅衬底型硅衬底源极源极S漏极漏极D 栅极栅极G衬底引线衬底引线B耗尽层耗尽层1. 结构特点和工作原理结构特点和工作原理N+N+正离子正离子N N型沟道型沟道SiO2DBSG符号符号制造时制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。第一章第一章 1.6ID /mA432104812UGS =1V2V3VID /mA输出特性输出特性转移特性转移特性耗尽型耗尽型NMOS管的特性曲线管的特性曲线 1230V1012123 UGS / V2. 特性曲线特性曲线 ID

30、UGSUGs(off)第一章第一章 1.6 UDS / VUDS =10VN型硅衬底型硅衬底N+BSGD。UDS耗尽层耗尽层ID .UGSPMOS管结构示意图管结构示意图P沟道沟道PMOS管与管与NMOS管管互为对偶关系，使用互为对偶关系，使用时时UGS 、UDS的极性的极性也与也与NMOS管相反。管相反。 P+P+第一章第一章 1.61. 1. P沟道增强型绝缘栅场效应管沟道增强型绝缘栅场效应管开启电压开启电压UGS(th)为为负值，负值，UGS UGS(th) 时导通。时导通。 SGDB符号符号 ID /mAUGS / V0UGs(th)转移特性转移特性2. 2. P沟道耗尽型绝缘栅场效应

31、管沟道耗尽型绝缘栅场效应管DBSG符号符号 ID /mAUGS /V0UGs(off)转移特性转移特性夹断电压夹断电压UGs(off)为为正值，正值，UGS UGs(off)时导通。时导通。 第一章第一章 1.6在在UDS =0时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。1. 开启电压开启电压UGS(th) 指在一定的指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电下，开始出现漏极电流所需的栅源电 压。它是增强型压。它是增强型MOS管的参数，管的参数，NMOS为正，为正，PMOS为负。为负。2. 夹断电压夹断电压 UGS(off) 指在一定的指在一定的UDS

32、下，使漏极电流近似等于零时所需的下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。是耗尽型栅源电压。是耗尽型MOS管的参数，管的参数，NMOS管是负值，管是负值，PMOS管是正值。管是正值。3. 直流输入电阻直流输入电阻 RGS（DC）4. 低频跨导低频跨导 gm UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个栅源电为常数时，漏极电流的微变量与引起这个栅源电压的微变量之比称为跨导压的微变量之比称为跨导,即即第一章第一章 1.6 另外，漏源极间的击穿电压另外，漏源极间的击穿电压U(BR)DS、栅源极间的击、栅源极间的击穿电压穿电压U(BR)GS以及漏极最大耗散功率以及漏极最大耗散功率PDM是管子的极限是管子的极限参数，使用时不可超过。参数，使用时不可超过。gm= ID / UGS UGS =常数常数它表明栅源电压对漏极电流控制的能力。它表明栅源电压对漏极电流控制的能力。第一章第一章 1.6第一次作业：第一次作业： 1.1 1.2 1.3 第第1章作业章作业 1.5 1.6 1.10 UO=0.45 U2uO的电压平均值：的电压平均值： 负载负载 的电流平均值的电流平均值 ： L2LOO45. 0RURUI 截止时二极管所承受的最高反向电压为：截止时二极管所承受的最高反向电压为