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1、第二章 半导体基本器件1精编课件2.1 半导体二极管2.1.1 半导体基本知识一、什么是半导体？导体 (金属原子的外层电子受原子核的束缚力很小，自由电子成为导电的“载流子”)绝缘体可运动的带电粒子p392精编课件半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si),锗(Ge)。硅和锗的原子结构模型(a)硅原子 (b)锗原子 简化模型硅和锗都是四价元素,原子的最外层轨道上有四个价电子。3精编课件1.本征半导体（纯净的半导体晶体）硅和锗的晶体结构（）点阵结构 （）共价键结构点阵结构：每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。原子最外层的价电子不仅围绕两个相邻原子共用一对电
2、子4精编课件热激发产生自由电子和空穴室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚u成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为“空穴”。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。u在电子技术中,将空穴看成带正电荷的载流子。5精编课件空穴运动有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补u这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。（与自由电子的运动不同）6精编课件结论：本征半导体中有两种载流子：u带负电荷的自由电子带正电荷的空穴 热激发产生的自由电子和空穴是成对出现
3、的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为“复合”。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。7精编课件2.N型和P型半导体(1)N型半导体 在硅晶体中掺入五价元素磷,磷原子的五个价电子有四个多出的一个电子不受共价键的束缚,室温下很u容易成为自由电子。磷原子失去一个电子成为正离子（在晶体中不能移动） 每个磷原子都提供一个自由电子，自由电子数目大大增加，远远超过空穴数。这种半导体主要依靠电子导电，称为电子型或N型半导体。8精编课件N型半导体的特点：自由电子 空 穴 多数载流子（简称多子）少数载流子（简称少子） 只要掺入极少量的杂质元素（1106），多子的浓度将比本征半导体载流子浓度增加近106
4、倍。 掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。9精编课件(2)P型半导体 在硅晶体中掺入三价元素硼,硼原子与相邻的四个硅原子由于缺少一个价电子而产生一个空位，这个空位很容易被邻近共价键中的价电子填补。硼原子u得到一个电子成为负离子（在晶体中不能移动），失去价电子的共价键中出现一个空穴，每个硼原子都产生一个空穴，空穴数目大大增加，远远超过自由电子数。这种半导体主要依靠空穴导电，称为空穴型或P型半导体10精编课件P型半导体的特点：空 穴 自由电子 多数载流子（简称多子）少数载流子（简称少子） 掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。 少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温
5、度。11精编课件3. PN结的形成预备知识:u半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动.在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。u将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层PN结4012精编课件 多子扩散运动形成空间电荷区u由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向扩散的结果，交界面P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子，这样在交界面处出现由数量相等的正负离子组成的空间
6、电荷区，并产生由N区指向P区的内电场EIN。PN结13精编课件 内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移 多子扩散 空间电荷区加宽内电场EIN增强 少子漂移促使阻止EINEIN 空间电荷区变窄内电场EIN削弱 u扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结14精编课件小结：PN结中同时存在多子的扩散运动和 少子的漂移运动，达到动态平衡时，扩散运动产生的扩散电流和漂移运动产生的漂移互相抵消，PN结中总的电流为零。4115精编课件4. PN结的单向导电性外加正向电压（也叫正向偏置）u外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大
7、的正向电流，这时称PN结处于“导通”状态。16精编课件4. PN结的单向导电性外加反向电压（也叫反向偏置）u外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流 IR，因为是少子漂移运动产生的， IR很小，这时称PN结处于“截止”状态。17精编课件 PN结伏安特性 a. 外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态 b. 正向电压大于“开启电压UON”后，i 随着 u 增大迅速上升。UonUon0.5V(0.5V(硅硅) ) UonUon0.1V(0.1V(锗锗) )P4218精编课件P42 c. 外加反向电压时， PN结处
8、于截止状态，反向电流 IR 很小。 d. 反向电压大于“击穿电压U（BR）”时，反向电流 IR 急剧增加。19精编课件2.1.2 二极管符号及主要参数A阳极 K阴极 二极管主要参数： 1.最大正向电流 IF 2.反向击穿电压U（BR） 3.反向电流 IR 4.最高工作频率 20精编课件2.1.3 二极管应用举例 二极管的伏安特性是一个非线性的曲线，在实际分析电路中，导通时管压降视为一个固定值：UD0.7V（硅） UD0.3V（锗） p42 或视为一个理想开关，即导通时视为“短路”，截止时视为“开路”。这就是电子线路中经常采用的近似估算法。 p4421精编课件U Ui周期性矩形脉冲22精编课件2
9、.1.3 稳压管及其应用 稳压管正常工作时处于反向击穿状态。 为了避免稳压管因过流而损坏，必须加限流电阻。23精编课件2.2 半导体三极管 三极管的结构及工作原理u(a)管芯结构图 (b)结构示意图 (c) 电路符号u三极管内部结构的特点：基区很薄，掺杂浓度最低.发射区掺杂浓度很高，远大于基区和集电区的掺杂浓度. 发射区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结NPN型三极管b 基极e 发射极c 集电极24精编课件PNP型三极管25精编课件三极管电流的形成及分配u1.电流的形成 发射区向基区发射电子，形成发射极电流 IE 发射结正向偏置。u电子在基区复合形成基极电流 IB
10、 由于基区很薄且空穴浓度很低，发射区电子进入基区后少数电子和基区空穴复合，绝大多数电子继续扩散到集电结附近。u 集电结反向偏置，基区中扩散到集电结附近的电子，在电场作用下漂移到集电区，形成集电极电流 IC 。26精编课件三极管电流的形成及分配三极管电流的形成及分配u1.电流的分配关系 u发射区电子在基区每复合一个，就要向集电区供给个电子，这是三极管内固定不变的电流分配原则。u 称为电流放大系数， 值通常在20200之间27精编课件2.2.1 三极管的特性曲线输入特性曲线输出特性曲线P47倒3行P48倒13行28精编课件 uBE Uon(0.5V)IB=0IC0截止区截止区u截止条件： uBE
11、Uon(0.5V)特点：特点： IB=0， IC0 c e 之间相当之间相当于断开的开关。于断开的开关。29精编课件uBE Uon放大区放大区uCE uBE +u放大条件： uBE Uon uCE uBE 特点：特点： IC= IB， c e 之间之间相当于受控电流源。相当于受控电流源。P48电流放大倍数30精编课件 uBE Uon饱和区饱和区uCE uBE + 饱和条件： uBE Uon uCE uBE 特点：特点： IC IB ， uCEUCES0.3V， c e 之之间相当于闭合的开关。间相当于闭合的开关。31精编课件u饱和条件： uBE Uon uCE uBE 特特点：点： IC IB
12、 ，uCEUCES0.3V， c e 之间相之间相当于闭合的开关。当于闭合的开关。u截止条件： uBE Uon(0.5V) 特点：特点： IB=0， IC0 c e 之间相当于断开的之间相当于断开的开关。开关。截止和饱和两个状态通称为开关状态。32精编课件2.2.2 三极管的主要参数及应用IbIc1 共发射极电流放大系数 = = 20-20033精编课件三极管的主要参数2 击穿电压 Ucbo,Uceo,Uebo例如：Uebo=6VUeboUebo34精编课件三极管的主要参数三极管的主要参数IbIc3 最大电流ICM, 最大功率PCMIcm=600mA;PcM=625mW设工作电流设工作电流Ic
13、=200mA Uce625/200=3V35精编课件例：例：P51uI 周期性矩形脉冲 (1) uI = 0 时,三极管截止，iB = 0 , iC = 0 uO = UCiC RC = UC = 12V (2) uI = 5V 时，36精编课件例：例：P51uI 周期性矩形脉冲条件成立假设三极管处于饱和状态37精编课件例：例：P5138精编课件uPN结正向导通时，P区扩散到N区的空穴，边扩散，边复合逐渐减少，在N区内产生一定数量的空穴积累，形成梯度分布；同理， N区的电子扩散到P区后，也将在P区内产生一定数量的电子积累。这些扩散到对方区域并积累的电子及空穴称为存储电荷。u PN结正向导通时，
14、PN结两侧出现的电子空穴积累的现象叫做电荷存储效应。预备知识:39精编课件2.2.3 三极管的开关时间和极间电容u由于三极管内部电荷建立和消失均需一定的时间，截止和饱和两种状态的转换不可能瞬间完成。延迟时间 td 上升时间 tr 开启时间 ton（几十到几百纳秒）存储时间 ts下降时间 tf关闭时间 toff（几十到几百纳秒）40精编课件为TTL电路准备 输入电阻很大，而输出电阻很小 uOuI特点：2.2.4 共集电极电路uP54-5541精编课件2.3 MOS场效应管场效应管 P型硅片作衬底，表面制作两个N型区，引出源极(s)和漏极(d)，覆盖一层SiO2，在漏源之间绝缘层上再制作一层金属铝
15、，引出栅极(g)，衬底也引出一个电极B。 MOS场效应管是利用半导体表面的电场效应来控制输出电流的，输入端不需要供给电流 金属-氧化物-半导体场效应管 （Metal-Oxide-Semiconductor)42精编课件 uGS= 0 时，漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性的电压，都不能导电。u uGS 为正时，产生一个电场，把P型衬底少子电子吸引到衬底表面，当uGS 增大到一定值UT时，电子在衬底表面形成一个N型层即N型导电沟道。43精编课件IG=0ID=gmUGS 小结：MOS管是一个受栅源电压uGS控制的器件 uGSUT时，D-S间无导电沟道，MOS管截止 uGSUT
16、时，D-S间才会形成导电沟道， 故称为N沟道增强型MOS管。 uGS增大，导电沟道变宽。即改变uGS可以控制iD的大小。44精编课件npp 注意PMOS管S D 电流从S流入，D流出例：例：P61P61参见表：参见表：P56P5645精编课件UGS(th)N:开启电压开启电压转移特性转移特性输出特性输出特性 uGSUGS(th)N， 管子处于截止状态,D、S之间相当于断开的开关uGS UGS(th)N ，uDS较小。 iD与uDS之间近似为线性关系，D、S之间相当于一个由uGS控制的可变电阻， uGS越大，曲线越陡， D、S之间的导通电阻越小。 uGS UGS(th)N ，uDS较大， iD取
17、决于uGS， D、S之间相当于一个受控电流源。46精编课件转移特性转移特性输出特性输出特性在夹断区，管子处于截止状态,D、S之间相当于断开的开关。在可变电阻区，D、S之间导通电阻rDS(ON)很小，约为几百欧姆。只要RD远大于这个导通电阻，漏源之间可以看作闭合的开关。 MOS管的开关特性47精编课件2.3.3 MOS场效应管的主要参数场效应管的主要参数u开启电压UGS(th)N或UGS(th)Pu输入电阻rGSu跨导gmu导通电阻rDS 也不是一个恒定值 在恒流区， rDS很大，在可变电阻区，导通电阻rDS很小，约为几百欧姆，用rDS(ON)表示。u极间电容CGS CGD CDS 影响MOS管
18、开关速度的主要因素。常数48精编课件u已知UGS(th)N=2.0V gm=1.3mAV rDS(ON)=875u(1) uI=0，管子截止，iD=0， uO = uDS= UCiD R1 = UC = 12V (2) uI=5V，管子工作在可变电阻区或恒流区 假设 uO = uDS= UCiD R1 0 可判断管子工作在可变电阻区 uO = uDS= UC rDS(ON)(rDS(ON)+ R1 ) = 0.9Vp6049精编课件u已知UGS(th)P=2.0V gm=0.5mAV u(1) uI=0，uGS= uI UC=5V，管子导通，处于可变电阻区，uO = uR1= uDS+ UC = 5V (2) uI=5V， uGS= uI UC= 0，管子截止, uO = uR1= 0V 50精编课件第四章第四章P115：CMOS反向器反向器51精编课件u第二章 练习题 u 1，2，3，4，5(1)，6 52精编课件
