第1章常用半导体器件14-15-2

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1、第 一 章,常 用 半 导 体 器 件,本章重点：,本章难点： 晶体三极管的导电机理,PN结的组成原理与特性 半导体二极管的特性与应用 双极性晶体管的工作原理与特性曲线 场效应管的类型与工作原理,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3双极型晶体管,1.4 场效应管,本 章 内 容,常用半导体材料均为四价元素。,1.1 半导体基础知识,导 体,半 导 体,绝 缘 体,低价元素,高价元素,如Cu为+2价、Al 为+3价,如惰性气体,一种物质的导电性能取决于它的载流子密度 （浓度）。,1.1.1 本征半导体,本征半导体化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.

2、9999999%，常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。,1.1.1 本征半导体,一、结构特点,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,1.1.1 本征半导体,一、结构特点,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,共价键,1.1.1 本征半导体,一、结构特点,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,二、本征半导体的导电机理,1、本征激发,半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象,条件：加热、光照及射线照射,自由电子,空穴,束缚电子,载流子,二、本征半导体的导电机理,2、复合,自由电子运动填补空穴两者同时消失的现象,电子的运动相当于空穴的反向迁移,

3、P1=P2,二、本征半导体的导电机理,3、总结,本征激发,复合,动态平衡,注意：半导体有自由电子和空穴两种 载流子导电,三、本征半导体中载流子的浓度,载流子浓度受环境温度影响，计算公式为：,自由电子的浓度,空穴的浓度,N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子。,1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体,一、 N型半导体,杂质元素,V族元素,P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。,1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体,二、 P型半导体,杂质元素,族元素,1.1.3 PN结,一、 半导体内载流子的运动,1、 漂移运动（Dr

4、ift Movement） 条件：有电场力作用 表现：电子和空穴定向运动 结论：产生漂移电流。,2、扩散运动 条件：浓度差 表现：电子和空穴定向运动 结论：产生扩散电流。,在P型半导体和N型半导体的交界处形成的空间电荷区,二、 PN结的形成,浓度差引起载流子扩散,扩散形成自建电场,在P型半导体和N型半导体的交界处形成的空间电荷区,二、 PN结的形成,自建电场阻止扩散，加强漂移。,扩散=漂移,动态平衡,PN结形成,扩散,漂移,1、PN结正向偏置,三、 PN结的单向导电性,P区接高电位，N区接低电位,正偏,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,结论：正向导通,以电子的运动进行说明,

5、2、PN结反向偏置,三、 PN结的单向导电性,P区接低电位，N区接高电位,反偏,结论：反向截止,内电场被被加强，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。,四、PN结的电流方程,玻耳兹曼常数 k =1.3810-23J/K,电子电荷量 q =1.610-19C,外加电压,取,时,反向饱和电流,PN结的伏安特性曲线,对应表:,五、PN结的伏安特性,正向特性,反向特性,注意：击穿需要避免但并不意 味着PN结烧坏。,特殊情况,PN结的反向击穿,反向电压超过某一数值时，反向电流急剧增加,齐纳击穿,雪崩击穿,高掺杂情况,低掺杂情况,五、PN结的伏安特性,势垒电容Cb,势垒电

6、容：耗尽层宽窄变化所等效的电容。具有非线性，与结面积、耗尽层宽度、半导体的介电常数及外加电压有关。,扩散电容：载流子浓度差所等效的电容。为了形成正向电流，注入P 区的少子在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。,六、PN结的电容效应,扩散电容Cd,请问：以下知识点你掌握了吗？ 1.本征半导体的载流子有几种？分别为？ 2.掺杂半导体的种类？ 3.载流子在外力作用下有几种运动？ 4.PN结是如何形成的？ 5.PN结有什么重要特性？,返回本章首页,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,1.2 半导体二极管,1.2.1 基本

7、结构,二极管的电路符号：,死区电压 硅管0.5V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,1.2.2 伏安特性,1、正向特性 死区电压：硅管 0.5V 锗管 0.1V 线性区：硅管 0.6V1V 锗管 0.2V0.5V 对温度变化敏感： 温度升高正向特性曲线左移 温度每升高1正向压降 减小约2mV。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,2、 反向特性 反向电流：很小。 硅管 0.1微安 锗管 几十个微安 受温度影响大： 温度每升高10 反向电流增加约1倍。 3、 反向击穿特性 反向击穿UBR:几十伏以上。,反向击穿电压UBR,

8、1. 最大整流电流 IF,2. 反向击穿电压UBR,1.2.3 主要参数,3. 反向电流 IR,4.最高工作频率,5.微变电阻,5. 微变电阻 rD,uD,rD 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：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,二极管的应用举例1：二极管半波整流,1.2.4 应用举例,二极管的应用举例2：二极管全波整流,二极管的应用举例3：限幅电路： 如下图，设vi(t)=3sint,1.2.5 稳压二极管,专门工作于反向击穿状态的二极管稳压管,U,I,IZ,IZmax,UZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,UZ,U,I,IZ,IZmax,UZ,稳压

9、误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,1.2.5 稳压二极管,（4）稳定电流IZ、最大、 最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）最大允许功耗,1、稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 UZ,（2）电压温度系数U（%/）,2、稳压二极管的应用举例,已知:,负载电阻 。,要求当输入电压由正常值发20%波动时，负载电压基本不变。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。,方程1,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。,方程2,联立方程1、2，可解得：,1、 光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,1.2.6 其他类

10、型的二极管,2、 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。,请问：以下知识点你掌握了吗？ 1. 二极管的死区电压是多少？导通电压呢？ 2.理想二极管可以如何等效？ 3.二极管应用在那些方面？ 4.稳压二极管利用了PN结的什么特性？ 5.稳压二极管使用时应注意哪些问题？ 6.发光二极管有什么特性？光电二极管呢？,返回本章首页,集电结,发射结,1.3 双极型晶体管,1.3.1 结构及类型,三极管在结构上的特点： (1)掺杂浓度：发射区集电区基区； (2)基区必须很薄。 (3)集电结面积大于发射结面积,公共端,晶体管具

11、有电流放大作用的外 部条件：,发射结正向偏置,集电结反向偏置,共发射极放大电路,1.3.2 晶体管的电流放大作用,1、晶体管内部载流子的运动,IB,IC,IE,发射区向基区扩散电子,电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IE,电子在基区的扩散与复合,集电区收集电子,电子流向电源正极形成IC,EB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IB,由上所述可知:,1,由于基区很薄且掺杂浓度小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。即：,ICIB 或 ICIB,当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的微小变化时，必定使IC发生较大的变化。即三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用。,复合与扩散到集电区

12、的电子数目满足统计学规律,直流放大倍数,交流放大倍数,两者之间的关系,2、晶体管的共射电流放大系数,1.输入特性曲线,IB = f (UBE ),UC E = 常数,UCE1V,UBE,/V,IB/,A,O,材料不同，死区电压不同,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,O,2. 输出特性曲线,IC = g (UCE ) | IB = 常数,IB 减小,IB增加,UCE,IC,IB = 20A,IB =60A,IB =40A,截止区,放大区,饱和区,3.主要参数,集电极基极间反向饱和电流 ICBO,集电极发射极间穿透电流 ICEO,ICEO=(1+)ICBO,交流电流放大系数=IC / IB,集电极

13、最大允许电流 ICM,集-射反向击穿电压 U(BR)CEO,集电极最大允许耗散功率 PCM,过压区,过流区,安全工作区,过损区,PCM=ICUCE,UCE/V,U(BR)CEO,IC/mA,ICM,O,使用时不允许超 过这些极限参数.,温度每升高10oC，ICBO增加约一倍,4.温度对晶体管特性及参数的影响,T,ICBO增大,T,输入特性曲线左移,T,输出特性曲线上移且增大,请问：以下知识点你掌握了吗？ 1. 晶体三极管有几个区？几个极？几种类型？ 2.三极管的内部特性？放大的外部特性？ 3.如何判断三极管工作在哪个区？ 4.晶体三极管的重要参数有几个？分别为？,返回本章首页,1.4 场效应管

14、,场效应管的特点,电压控制元件,体积小、重量轻、耗电少、寿命长,输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单、便于集成,场效应管的分类,结型,绝缘栅型,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,1.4.1 结型场效应管,栅极,源极,漏极,1. 结构特点,P沟道结型场效应管,2. 工作原理,UGS 0使沟道变窄,UDS 0使漏极电流增强,两者平衡使电流稳定,3. 特性曲线,(1)输出特性曲线 输出特性曲线用来描述UGS取一定值时，电流iD和电压UDS间的关系，即它反映了漏-源电压UDS对iD的影响。,（2）转移特性曲线,它反映了栅-源电压UGS对iD的控制作用。,(3

15、). 低频跨导gm,MOS管,一、 N沟道增强型MOS管的结构,1.4.2 金属-氧化物-半导体场效应管,N沟道增强型MOS管的工作原理,1uGS对iD及沟道的控制作用,uGS对iD及沟道的控制作用,2uDS对iD的影响,二、 N沟道增强型MOS管的特性曲线、电流方程,1特性曲线和电流方程,(1)输出特性曲线,(2) 转移特性曲线,式中IDO是UGS=2 UGS(th) 时的漏极电流iD。,-1,(3)电流方程,六 场效应管与三极管的性能比较,1场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射 极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。 2场效应管是电压控制电流器件，由UGS控制iD，其放大系数 gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制 电流器件，由iB（或iE）控制iC。 3场效应管栅极几乎不取电流（ig?0）；而三极管工作时基极 总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入 电阻高。 4场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载 流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以 场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在