《電子技術半導體》PPT課件.ppt

1、模塊一 半導體器件基礎,1.1 半導體的基本知識,1.2 半導體二極管,1.3 半導體三極管,1.4 BJT模型,1.5 場效應管,1.1 半導體的基本知識,在物理學中。根據材料的導電能力，可以將他們劃分導體、絕緣體和半導體。 典型的半導體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價元素。,硅原子,鍺原子,硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。,本征半導體的共價鍵結構,束縛電子,在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。,一. 本征半導體,本征半導體化學成分純凈的半導體晶體。 制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.99

2、99999%，常稱為“九個9”。,這一現象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。,當溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。,自由電子,空穴,自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，稱為空穴。,可見本征激發(fā)同時產生電子空穴對。 外加能量越高（溫度越高），產生的電子空穴對越多。,動畫演示,與本征激發(fā)相反的現象復合,在一定溫度下，本征激發(fā)和復合同時進行，達到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。,常溫300K時：,電子空穴對,自由電子 帶負電荷 電子流,動畫演示,總電流,空穴 帶正電荷 空穴流,本征半導體的導電性取決于外加能量： 溫度變化，

3、導電性變化；光照變化，導電性變化。,導電機制,二. 雜質半導體,在本征半導體中摻入某些微量雜質元素后的半導體稱為雜質半導體。,1. N型半導體,在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，砷等，稱為N型半導體。,N型半導體,多余電子,磷原子,硅原子,多數載流子自由電子,少數載流子 空穴,施主離子,自由電子,電子空穴對,在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵等。,空穴,硼原子,硅原子,多數載流子 空穴,少數載流子自由電子,受主離子,空穴,電子空穴對,2. P型半導體,雜質半導體的示意圖,多子電子,少子空穴,多子空穴,少子電子,少子濃度與溫度有關,多子濃度與溫度無關,因多子濃度差,形成內電場,多子的

4、擴散,空間電荷區(qū),阻止多子擴散，促使少子漂移。,PN結合,空間電荷區(qū),多子擴散電流,少子漂移電流,耗盡層,三. PN結及其單向導電性,1 . PN結的形成,動畫演示,動態(tài)平衡：,擴散電流 漂移電流,總電流0,2. PN結的單向導電性,(1) 加正向電壓（正偏）電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū),外電場的方向與內電場方向相反。 外電場削弱內電場,耗盡層變窄,擴散運動漂移運動,多子擴散形成正向電流I F,(2) 加反向電壓電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū),外電場的方向與內電場方向相同。 外電場加強內電場,耗盡層變寬,漂移運動擴散運動,少子漂移形成反向電流I R,在一定的溫度下，由本征激發(fā)產生的少子濃度是一定的，

5、故IR基本上與外加反壓的大小無關，所以稱為反向飽和電流。但IR與溫度有關。,PN結加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現低電阻， PN結導通； PN結加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現高電阻， PN結截止。 由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。,動畫演示1,動畫演示2,3. PN結的伏安特性曲線及表達式,根據理論推導，PN結的伏安特性曲線如圖,正偏,IF（多子擴散）,IR（少子漂移）,反偏,反向飽和電流,反向擊穿電壓,反向擊穿,熱擊穿燒壞PN結,電擊穿可逆,根據理論分析：,u 為PN結兩端的電壓降,i 為流過PN結的電流,IS 為反向飽和電流,UT =kT/q 稱為溫度的電壓當

6、量,其中k為玻耳茲曼常數 1.381023 q 為電子電荷量1.6109 T 為熱力學溫度 對于室溫（相當T=300 K） 則有UT=26 mV。,當 u0 uUT時,當 u|U T |時,4. PN結的電容效應,當外加電壓發(fā)生變化時，耗盡層的寬度要相應地隨之改變，即PN結中存儲的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。,(1) 勢壘電容CB,(2) 擴散電容CD,當外加正向電壓 不同時，PN結兩側堆積的少子的數量及濃度梯度也不同，這就相當電容的充放電過程。,電容效應在交流信號作用下才會明顯表現出來,極間電容（結電容）,1.2 半導體二極管,二極管 = PN結 + 管殼 + 引線,結構,符號,二

7、極管按結構分三大類：,(1) 點接觸型二極管,PN結面積小，結電容小， 用于檢波和變頻等高頻電路。,(3) 平面型二極管,用于集成電路制造工藝中。 PN 結面積可大可小，用 于高頻整流和開關電路中。,(2) 面接觸型二極管,PN結面積大，用 于工頻大電流整流電路。,半導體二極管的型號,國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：,2AP9,一 、半導體二極管的VA特性曲線,硅：0.5 V 鍺： 0.1 V,(1) 正向特性,導通壓降,(2) 反向特性,死區(qū) 電壓,實驗曲線,硅：0.7 V 鍺：0.3V,二. 二極管的模型及近似分析計算,例：,二極管的模型,串聯電壓源模型,U D 二極管的導通壓降。

8、硅管 0.7V；鍺管 0.3V。,理想二極管模型,正偏,反偏,二極管的近似分析計算,例：,串聯電壓源模型,測量值 9.32mA,相對誤差,理想二極管模型,相對誤差,0.7V,例：二極管構成的限幅電路如圖所示，R1k，UREF=2V，輸入信號為ui。 (1)若 ui為4V的直流信號，分別采用理想二極管模型、理想二極管串聯電壓源模型計算電流I和輸出電壓uo,解：（1）采用理想模型分析。,采用理想二極管串聯電壓源模型分析。,（2）如果ui為幅度4V的交流三角波，波形如圖（b）所示，分別采用理想二極管模型和理想二極管串聯電壓源模型分析電路并畫出相應的輸出電壓波形。,解：采用理想二極管 模型分析。波形如

9、圖所示。,采用理想二極管串聯電壓源模型分析，波形如圖所示。,三. 二極管的主要參數,(1) 最大整流電流IF,二極管長期連續(xù)工 作時，允許通過二 極管的最大整流 電流的平均值。,(2) 反向擊穿電壓UBR,二極管反向電流 急劇增加時對應的反向 電壓值稱為反向擊穿 電壓UBR。,(3) 反向電流IR,在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。,當穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時,其兩端電壓近似為常數,穩(wěn)定電壓,四、穩(wěn)壓二極管,穩(wěn)壓二極管是應用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管,正向同二極管,反偏電

10、壓UZ 反向擊穿, UZ ,穩(wěn)壓二極管的主要 參數,(1) 穩(wěn)定電壓UZ ,(2) 動態(tài)電阻rZ ,在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。,rZ =U /I rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。,(3) 最小穩(wěn)定工作 電流IZmin,保證穩(wěn)壓管擊穿所對應的電流，若IZIZmin則不能穩(wěn)壓。,(4) 最大穩(wěn)定工作電流IZmax,超過Izmax穩(wěn)壓管會因功耗過大而燒壞。,1.3 半導體三極管,半導體三極管，也叫晶體三極管。由于工作時，多數載流子和少數載流子都參與運行，因此，還被稱為雙極型晶體管（Bipolar Junction Transistor,簡稱BJT）。 BJT是由兩個

11、PN結組成的。,一.BJT的結構,NPN型,PNP型,符號:,三極管的結構特點: （1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。 （2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。,二 BJT的內部工作原理（NPN管）,三極管在工作時要加上適當的直流偏置電壓。,若在放大工作狀態(tài)： 發(fā)射結正偏：,+ UCE , UBE , UCB ,集電結反偏：,由VBB保證,由VCC、 VBB保證,UCB=UCE - UBE, 0,（1）因為發(fā)射結正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 ，形成了擴散電流IEN 。同時從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴散運動，形成的電流為IEP。但其數量小，可忽略。 所以發(fā)射極電流I E I EN 。,（2）發(fā)射區(qū)的

12、電子注入基區(qū)后，變成了少數載流子。少部分遇到的空穴復合掉，形成IBN。所以基極電流I B I BN 。大部分到達了集電區(qū)的邊緣。,1BJT內部的載流子傳輸過程,（3）因為集電結反偏，收集擴散到集電區(qū)邊緣的電子，形成電流ICN 。,另外，集電結區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。,2電流分配關系,三個電極上的電流關系:,IE =IC+IB,定義：,(1)IC與I E之間的關系:,所以:,其值的大小約為0.90.99。,(2)IC與I B之間的關系：,聯立以下兩式：,得：,所以：,得：,令：,三. BJT的特性曲線（共發(fā)射極接法）,(1) 輸入特性曲線 iB=f(uBE) uCE=const,（1）uC

13、E=0V時，相當于兩個PN結并聯。,（3）uCE 1V再增加時，曲線右移很不明顯。,（2）當uCE=1V時， 集電結已進入反偏狀態(tài)，開始收集電子，所以基區(qū)復合減少， 在同一uBE 電壓下，iB 減小。特性曲線將向右稍微移動一些。,(2)輸出特性曲線 iC=f(uCE) iB=const,現以iB=60uA一條加以說明。,（1）當uCE=0 V時，因集電極無收集作用，iC=0。,（2） uCE Ic 。,（3） 當uCE 1V后，收集電子的能力足夠強。這時，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不變。,同理，可作出iB=其他值的曲線。,輸出特性曲線可以分為三個區(qū)

14、域:,飽和區(qū)iC受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內uCE0.7 V。 此時發(fā)射結正偏，集電結也正偏。,截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當iB=0的曲線的下方。 此時，發(fā)射結反偏，集電結反偏。,放大區(qū) 曲線基本平行等 距。 此時，發(fā) 射結正偏，集電 結反偏。 該區(qū)中有：,飽和區(qū),放大區(qū),截止區(qū),四. BJT的主要參數,1.電流放大系數,（2）共基極電流放大系數：,一般取20200之間,2.3,1.5,（1）共發(fā)射極電流放大系數：,2.極間反向電流,（2）集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO 基極開路時，集電極到發(fā)射極間的電流穿透電流 。 其大小與溫度有關。,（1）集電極基極間反向飽和電流ICBO 發(fā)射極開路

15、時，在其集電結上加反向電壓，得到反向電流。它實際上就是一個PN結的反向電流。其大小與溫度有關。 鍺管：I CBO為微安數量級， 硅管：I CBO為納安數量級。,3.極限參數,Ic增加時， 要下降。當值下降到線性放大區(qū)值的70時，所對應的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。,（1）集電極最大允許電流ICM,（2）集電極最大允許功率損耗PCM 集電極電流通過集電結時所產生的功耗， PC= ICUCE,PCM, PCM,（3）反向擊穿電壓,BJT有兩個PN結，其反向擊穿電壓有以下幾種：, U（BR）EBO集電極開路時，發(fā)射極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般幾伏十幾伏。 U（BR）CBO發(fā)射

16、極開路時，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般為幾十伏幾百伏。, U（BR）CEO基極開路時，集電極與發(fā)射極之間允許的最大反向電壓。,在實際使用時，還有 U（BR）CER、U（BR）CES 等擊穿電壓。,1.4 三極管的模型及分析方法,UD=0.7V,UCES=0.3V,iB0 iC0,一. BJT的模型,直流模型,二. BJT電路的分析方法（直流）,1. 模型分析法（近似估算法）(模擬p5859),例：共射電路如圖，已知三極管為硅管，=40，試求電路中的直流量IB、 IC 、UBE 、UCE。,+ UBE ,+ UCE ,解：設三極管工作在放大狀態(tài)，用放大模型代替三極管。,UBE=0

17、.7V,2. 圖解法 模擬(p5456),iC=f(uCE) iB=40A,M(VCC,0),(12 , 0),(0 , 3),直流負載線,斜率：,UCEQ 6V,ICQ 1.5mA,Q,半導體三極管的型號,第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、 G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關管,國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：,3DG110B,1.5 場效應管,BJT是一種電流控制元件(iB iC)，工作時，多數載流子和少數載流子都參與運行，所以被稱為雙極型器件。,場效應管（Field Effect Transistor簡稱

18、FET）是一種電壓控制器件(uGS iD) ，工作時，只有一種載流子參與導電，因此它是單極型器件。 FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點，得到了廣泛應用。,一. 絕緣柵場效應三極管,絕緣柵型場效應管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，簡稱MOSFET。分為： 增強型 N溝道、P溝道 耗盡型 N溝道、P溝道,1.N溝道增強型MOS管 （1）結構 4個電極：漏極D， 源極S，柵極G和 襯底B。,符號：,當uGS0V時縱向電場 將靠近柵極下方的空穴向下排斥耗盡層。,（2）工作原理,當uGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的 二極管，在d、s之

19、間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。,再增加uGS縱向電場 將P區(qū)少子電子聚集到 P區(qū)表面形成導電溝道，如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。,柵源電壓uGS的控制作用,定義： 開啟電壓（ UT）剛剛產生溝道所需的 柵源電壓UGS。,N溝道增強型MOS管的基本特性： uGS UT，管子截止， uGS UT，管子導通。 uGS 越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流ID越大。,漏源電壓uDS對漏極電流id的控制作用,當uGSUT，且固定為某一值時，來分析漏源電 壓VDS對漏極電流ID的影響。（設UT=2V， uGS=4V）,（a）uds=0時， id=0。,（b）uds

20、 id； 同時溝道靠漏區(qū)變窄。,（c）當uds增加到使ugd=UT時， 溝道靠漏區(qū)夾斷，稱為預夾斷。,（d）uds再增加，預夾斷區(qū) 加長， uds增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上， id基本不變。,（3）特性曲線,四個區(qū)： （a）可變電阻區(qū)（預夾斷前）。,輸出特性曲線：iD=f(uDS)uGS=const,（b）恒流區(qū)也稱飽和 區(qū)（預夾斷 后）。,（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。,（d）擊穿區(qū)。,可變電阻區(qū),恒流區(qū),截止區(qū),擊穿區(qū),轉移特性曲線： iD=f(uGS)uDS=const,可根據輸出特性曲線作出移特性曲線。 例：作uDS=10V的一條轉移特性曲線：,UT,一個重要參數跨導gm：,gm=iD/uGS uDS=const (單位mS) gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 在轉移特性曲線上， gm為的曲線的斜率。 在輸出特性曲線上也可求出gm。,2.N溝道耗盡型MOSFET,特點： 當uGS=0時，就有溝道，加入uDS，就有iD。 當uGS0時，溝道增寬，iD進一步增加。 當uGS0時，溝道變窄，iD減小。,在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當uGS=0時，這些正離子已經感應出反型層，形成了溝道。,定義： 夾斷電壓（ UP）溝道剛剛消失所需