常用半導(dǎo)體器件原理

1、常用半導(dǎo)體器件原理第1頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三2.1.2 本征半導(dǎo)體 純凈的硅和鍺單晶體稱為本征半導(dǎo)體。硅和鍺的原子最外層軌道上都有四個電子，稱為價電子，每個價電子帶一個單位的負(fù)電荷。因?yàn)檎麄€原子呈電中性，而其物理化學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于最外層的價電子，所以，硅和鍺原子可以用簡化模型代表 。第2頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三每個原子最外層軌道上的四個價電子為相鄰原子核所共有，形成共價鍵。共價鍵中的價電子是不能導(dǎo)電的束縛電子。 價電子可以獲得足夠大的能量，掙脫共價鍵的束縛，游離出去，成為自由電子，并在共價鍵處留下帶有一個單位的正電荷的空穴

2、。這個過程稱為本征激發(fā)。 本征激發(fā)產(chǎn)生成對的自由電子和空穴，所以本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的數(shù)量相等。第3頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三價電子的反向遞補(bǔ)運(yùn)動等價為空穴在半導(dǎo)體中自由移動。因此，在本征激發(fā)的作用下，本征半導(dǎo)體中出現(xiàn)了帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴，二者都可以參與導(dǎo)電，統(tǒng)稱為載流子。 自由電子和空穴在自由移動過程中相遇時，自由電子填入空穴，釋放出能量，從而消失一對載流子，這個過程稱為復(fù)合。 第4頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三平衡狀態(tài)時，載流子的濃度不再變化。分別用ni和pi表示自由電子和空穴的濃度 (cm-3) ，理論上 其中 T

3、 為絕對溫度 (K) ；EG0 為T = 0 K時的禁帶寬度，硅原子為1.21 eV，鍺為0.78 eV；k = 8.63 10- 5 eV / K為玻爾茲曼常數(shù)；A0為常數(shù)，硅材料為3.87 1016 cm- 3 K- 3 / 2，鍺為1.76 1016 cm- 3 K- 3 / 2。 2.1.3 N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體 本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴的數(shù)量相對很少，這說明本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。我們可以人為地少量摻雜某些元素的原子，從而顯著提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，這樣獲得的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻雜元素的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為 N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體。 第5頁，共71頁，202

4、2年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三一、N 型半導(dǎo)體（摻磷）在本征半導(dǎo)體中摻入五價原子，即構(gòu)成 N 型半導(dǎo)體。N 型半導(dǎo)體中每摻雜一個雜質(zhì)元素的原子，就提供一個自由電子，從而大量增加了自由電子的濃度施主電離多數(shù)載流子一一自由電子少數(shù)載流子一一空穴但半導(dǎo)體仍保持電中性 熱平衡時，雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子濃度和少子濃度的乘積恒等于本征半導(dǎo)體中載流子濃度 ni 的平方，所以空穴的濃度 pn為 自由電子濃度雜質(zhì)濃度因?yàn)閚i容易受到溫度的影響發(fā)生顯著變化，所以pn也隨環(huán)境的改變明顯變化。第6頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三二、P 型半導(dǎo)體（摻硼）在本征半導(dǎo)體中摻入三價原子，即構(gòu)成 P 型

5、半導(dǎo)體。P 型半導(dǎo)體中每摻雜一個雜質(zhì)元素的原子，就提供一個空穴，從而大量增加了空穴的濃度受主電離多數(shù)載流子一一空穴少數(shù)載流子一一自由電子但半導(dǎo)體仍保持電中性而自由電子的濃度 np 為空穴濃度摻雜濃庹環(huán)境溫度也明顯影響 np 的取值。第7頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三2.1.4 漂移電流和擴(kuò)散電流 半導(dǎo)體中載流子（電子與空穴）進(jìn)行定向運(yùn)動，就會形成半導(dǎo)體中的電流。半導(dǎo)體電流漂移電流：在電場的作用下，自由電子會逆著電場方向漂移，而空穴則順著電場方向漂移，這樣產(chǎn)生的電流稱為漂移電流。該電流的大小主要取決于載流子的濃度，遷移率和電場強(qiáng)度。擴(kuò)散電流：半導(dǎo)體中載流子濃度不均勻分布

6、時，載流子會從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散，從而形成擴(kuò)散電流。該電流的大小正比于載流子的濃度差即濃度梯度的大小。電子電流與空穴電流半導(dǎo)體電流第8頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三2.2 PN 結(jié) 通過摻雜工藝，把本征半導(dǎo)體的一邊做成 P 型半導(dǎo)體，另一邊做成 N 型半導(dǎo)體，則 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體的交接面處會形成一個有特殊物理性質(zhì)的薄層，稱為 PN 結(jié)。 2.2.1PN 結(jié)的形成 多子擴(kuò)散空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場和內(nèi)建電位差的產(chǎn)生 少子漂移動態(tài)平衡第9頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三空間電荷區(qū)又稱耗盡區(qū)或勢壘區(qū)。在摻雜濃度不對稱的 PN 結(jié)中，耗盡區(qū)

7、在重?fù)诫s一側(cè)延伸較小，在輕摻雜一側(cè)延伸較大。第10頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三PN 結(jié)的單向?qū)щ娞匦?一、正向偏置的 PN 結(jié)正向偏置耗盡區(qū)變窄擴(kuò)散運(yùn)動加強(qiáng)漂移運(yùn)動減弱正向電流二、反向偏置的 PN 結(jié)反向偏置耗盡區(qū)變寬擴(kuò)散運(yùn)動減弱漂移運(yùn)動加強(qiáng)反向電流第11頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三PN 結(jié)的單向?qū)щ娞匦裕篜N 結(jié)只需較小的正向電壓，就可使耗盡區(qū)變得很薄，從而產(chǎn)生較大的正向電流，且該電流隨電壓的微小變化會發(fā)生明顯改變。在反偏時，少子只能提供很小的漂移電流，且基本上不隨反向電壓變化。4.2.3PN 結(jié)的擊穿特性 PN 結(jié)反向電壓足夠大時，反

8、向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為 PN 結(jié)的擊穿。 雪崩擊穿：PN 結(jié)反偏，耗盡區(qū)中少子在漂移運(yùn)動中被電場作功，動能增大。當(dāng)少子的動能足以使其在與價電子碰撞時發(fā)生碰撞電離，把價電子擊出共價鍵，產(chǎn)生一對自由電子和空穴，連鎖碰撞使盡區(qū)內(nèi)載流子數(shù)量劇增，引起反向電流急劇增大。雪崩擊穿出現(xiàn)在輕摻雜的 PN 結(jié)中。齊納擊穿：在重?fù)诫sPN 結(jié)中，耗盡區(qū)較窄，所以反向電壓在其中產(chǎn)生較強(qiáng)的電場。電場強(qiáng)到能直接將價電子拉出共價鍵，發(fā)生場致激發(fā)，產(chǎn)生大量的自由電子和空穴，使反向電流急劇增大，這種擊穿稱為齊納擊穿。PN 結(jié)擊穿時，只要限制反向電流不要過大，就可以保護(hù) PN 結(jié)不受損壞。第12頁，共71頁，2022年，5

9、月20日，5點(diǎn)31分，星期三4.2.4PN 結(jié)的電容特性 PN 結(jié)能存貯電荷，且電荷變化與外加電壓變化有關(guān)，說明 PN 結(jié)有電容效應(yīng)。 一、勢壘電容（反偏） CT0為 u = 0 時的 CT，與 PN 結(jié)的結(jié)構(gòu)和摻雜濃度等因素有關(guān)；UB為內(nèi)建電位差；n 為變?nèi)葜笖?shù)，取值一般在 1 / 3 6 之間。當(dāng)反向電壓- u的絕對值增大時，CT 將減小（變?nèi)莨埽?第13頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三PN 結(jié)的結(jié)電容為勢壘電容和擴(kuò)散電容之和，即 Cj = CT + CD。CT 和 CD 都隨外加電壓的變化而改變，所以都是非線性電容。當(dāng)PN 結(jié)正偏時，CD 遠(yuǎn)大于 CT ，即 C

10、j CD ；當(dāng)PN 結(jié)反偏時，CT 遠(yuǎn)大于 CD，則 Cj CT 。二、擴(kuò)散電容（正偏） 第14頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三4.3晶體二極管 二極管可分為硅二極管和鍺二極管，簡稱為硅管和鍺管。 4.3.1二極管的伏安特性：指數(shù)特性IS 為反向飽和電流，q =1.60 10- 19C ；UT = kT/q，稱熱電壓， 300 K 時，UT = 26 mV。 1、二極管的導(dǎo)通，截止和擊穿當(dāng) uD 0 且超過特定值 UD(on) 時，iD 變得明顯，此時認(rèn)為二極管導(dǎo)通，UD(on) 稱為導(dǎo)通電壓 (開啟電壓) ；uD 0.7V時，VD處于導(dǎo)通狀態(tài)，等效成短路，所以輸出電壓

11、uo=ui-0.7；當(dāng)ui0時，D1和D2上加的是正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)，而D3和D4上加的是反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)。輸出電壓uo的正極與ui的正極通過D1相連，它們的負(fù)極通過D2相連，所以uo=ui；當(dāng)ui0時，二極管D1截止，D2導(dǎo)通，電路等效為(b)所示的反相比例放大器，uo=-(R2/R1)ui；當(dāng)ui 0時，uo1 = - ui，uo = ui；當(dāng)ui 2.7V時，VD導(dǎo)通，所以uo=2.7V；當(dāng)ui2.3V時，D2導(dǎo)通，uo=2.3V；當(dāng)ui2.3V時，D2截止，支路等效為開路，uo=ui。所以D2實(shí)現(xiàn)了上限幅；解：D1處于導(dǎo)通與截止的臨界狀態(tài)時，其支路兩端電壓為-E-UD(on)

12、=-2.3V。當(dāng)ui-2.3V時，D1截止，支路等效為開路，uo=ui。所以D1實(shí)現(xiàn)了下限幅；第33頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三圖中,設(shè)二極管的交流電阻rD 0,導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7 V限幅電路的基本用途是控制輸入電壓不超過允許范圍，以保護(hù)后級電路的安全工作。當(dāng)-0.7Vui0.7 V時，VD1導(dǎo)通，VD2截止，R1、VD1和R2構(gòu)成回路，對ui分壓，集成運(yùn)放輸入端的電壓被限制在UD(on)=0.7V；當(dāng)ui-0.7V時，VD1截止，VD2導(dǎo)通，R1、VD2和R2構(gòu)成回路，對ui分壓，集成運(yùn)放輸入端的電壓被限制在-UD(on)=-0.7 V。該電路把ui限幅

13、到0.7V到-0.7V之間，保護(hù)集成運(yùn)算放大器。第34頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三圖中,設(shè)二極管的交流電阻rD 0,導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7 V當(dāng)-0.7Vui5.7V時，VD1導(dǎo)通，VD2截止，A/D的輸入電壓被限制在5.7V；當(dāng)ui-0.7V時，VD1截止，VD2導(dǎo)通，A/D的輸入電壓被限制在-0.7V。該電路對ui的限幅范圍是-0.7V到 5.7V。第35頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三例穩(wěn)壓二極管限幅電路如圖 (a) 所示，其中穩(wěn)壓二極管DZ1和DZ2的穩(wěn)定電壓UZ=5V，導(dǎo)通電壓UD(on) 近似為零。輸入電壓ui的波形在圖 (

14、b) 中給出，作出輸出電壓uo的波形。 第36頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三解：當(dāng) | ui | 1 V時，DZ1和DZ2一個導(dǎo)通，另一個擊穿，此時反饋電流主要流過穩(wěn)壓二極管支路，uo穩(wěn)定在 5 V。由此得到圖 (c) 所示的uo波形。 第37頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三圖示電路為單運(yùn)放弛張振蕩器。其中集成運(yùn)放用作反相遲滯比較器，輸出電源電壓UCC或 - UEE，R3隔離輸出的電源電壓與穩(wěn)壓二極管DZ1和DZ2限幅后的電壓。仍然認(rèn)為DZ1和DZ2的穩(wěn)定電壓為UZ，而導(dǎo)通電壓UD(on) 近似為零。經(jīng)過限幅，輸出電壓uo可以是高電壓UOH =

15、 UZ或低電壓UOL = - UZ。第38頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三3、電平選擇電路 例(a)是二極管電平選擇電路，其中二極管VD1和VD2均為理想二極管，輸入信號ui1和ui2的幅度均小于電源電壓E，波形如(b)所示。分析電路的工作原理，并作出輸出信號uo的波形。 第39頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三解：因?yàn)閡i1和ui2均小于E，所以VD1和VD2至少有一個處于導(dǎo)通狀態(tài)。假設(shè)ui1ui2時，VD2導(dǎo)通，VD1截止，uo=ui2；只有當(dāng)ui1=ui2時，VD1和VD2才同時導(dǎo)通，uo=ui1=ui2。uo的波形如(b)所示。該電路完成低

16、電平選擇功能，當(dāng)高、低電平分別代表邏輯1和邏輯0時，就實(shí)現(xiàn)了邏輯“與”運(yùn)算。 第40頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三4、峰值檢波電路 例分析圖示峰值檢波電路的工作原理。 解：電路中集成運(yùn)放A2起電壓跟隨器作用。當(dāng)uiuo時，uo10，二極管D導(dǎo)通，uo1對電容C充電，此時集成運(yùn)放A1也成為跟隨器，uo=uCui，即uo隨著ui增大；當(dāng)uiuo時，uo1UBE(on)時，e結(jié)正偏，晶體管導(dǎo)通，即處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)。此兩種狀態(tài)下，uBEUBE(on)，所以也可以認(rèn)為UBE(on)是導(dǎo)通的晶體管輸入端固定的管壓降；當(dāng)uBEuBE(on)，則晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)，再

17、判斷c結(jié)是正偏還是反偏。如果c結(jié)反偏，則晶體管處于放大狀態(tài)，這時UBE=UBE(on)。根據(jù)外電路和UBE(on)計算IB，接下來IC=bIB，IE=IB+IC。再由這三個極電流和外電路計算UCE和UCB；實(shí)際應(yīng)用中，通過控制e結(jié)和c結(jié)的正偏與反偏，可使晶體管處于放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)，來實(shí)現(xiàn)不同的功能。確定直流偏置下晶體管工作狀態(tài)的基本步驟：1判斷e結(jié)是正偏還是反偏。若uBE 0，所以c結(jié)反偏，假設(shè)成立，UO=UC=4V；當(dāng)UI=5V時，因?yàn)?，UCB=-3.28V0，所以晶體管處于飽和狀態(tài)，UO=UCE(sat) 。 第50頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三例晶體

18、管直流偏置電路如圖所示，已知晶體管V的UBE(on)=-0.7V，=50。判斷V的工作狀態(tài)，并計算IB、IC和UCE。 解：圖中晶體管是PNP型，UBE(on)=UB-UE=(UCC-IBRB)-IERE=UCC-IBRB-(1+b)IBRE=-0.7V，得到IB=-37.4A0，所以V處于放大或飽和狀態(tài)。假設(shè)處于放大狀態(tài)，則IC=bIB=-1.87mA，驗(yàn)證：因?yàn)椋琔CB=UC-UB=(UCC-ICRC)-(UCC-IBRB)=-3.74VUSUG柵極電流：IG 0夾斷電壓：UGS(off)第57頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三2、輸出特性(iD-uDS)（1）恒流區(qū)

19、 (|uGS|UGS(off)|且|uDG|= |uDS-uGS|UGS(off)|) （2）可變電阻區(qū) (|uGS|UGS(off)|且|uDG|UGS(off)|)uDS的變化明顯改變iD的大小。導(dǎo)電溝道全部夾斷，iD = 0。另外，若|uDS|足夠大，則PN結(jié)在靠近漏極的局部會擊穿，iD急劇增大，相應(yīng)的區(qū)域成為擊穿區(qū)。第58頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三3、轉(zhuǎn)移特性(iD-UGS)恒流區(qū)內(nèi)，iD與uGS的平方率關(guān)系可以描述為：第59頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三絕緣柵場效應(yīng)管 金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），根據(jù)結(jié)構(gòu)上

20、是否存在原始導(dǎo)電溝道，分為增強(qiáng)型（normally-off）和耗盡型(normally-on)。 第60頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三1、工作原理 UGS = 0 ID 0N溝道增強(qiáng)型MOSFETUGS UGS(th) 電場 反型層 導(dǎo)電溝道 ID 0UGS控制ID的大小UDUGUS=UB，IG = 0第61頁，共71頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)31分，星期三在UGS=0時就存在ID=ID0。UGS增大ID增大。當(dāng)UGSUGS(off)，故該JFET工作在恒流區(qū)或可變電阻區(qū)，且ID=IDSS，UDG=UDS-UGS=UDS=UDD-IDRD=6(V)-UGS(off)，故該JFET工作在恒流區(qū)。圖 (b) 是P溝道增強(qiáng)型M