半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識電子科技大學(xué).ppt

第一章常用半導(dǎo)體器件 1 1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 1 2半導(dǎo)體二極管 1 3晶體三極管 1 4場效應(yīng)管 1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 一 本征半導(dǎo)體 二 雜質(zhì)半導(dǎo)體 三 PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?四 PN結(jié)的電容效應(yīng) 一 本征半導(dǎo)體 導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體 1 什么是半導(dǎo)體 什么是本征半導(dǎo)體 導(dǎo)體 鐵 鋁 銅等金屬元素等低價元素 其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動 形成電流 絕緣體 惰性氣體 橡膠等 其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強 只有在外電場強到相當(dāng)程度時才可能導(dǎo)電 半導(dǎo)體 硅 Si 鍺 Ge 均為四價元素 它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間 2 本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 由于熱運動 具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子 自由電子的游離使共價鍵中留有一個空位置 稱為空穴 自由電子與空穴相碰同時消失 稱為復(fù)合 共價鍵 一定溫度下 自由電子與空穴對的濃度一定 溫度升高 熱運動加劇 掙脫共價鍵的電子增多 自由電子與空穴對的濃度加大 外加電場時 帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電 且運動方向相反 由于載流子數(shù)目很少 故本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性很差 為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體 3 本征半導(dǎo)體中的兩種載流子 運載電荷的粒子稱為載流子 溫度升高 熱運動加劇 載流子濃度增大 導(dǎo)電性增強 熱力學(xué)溫度0K時不導(dǎo)電 二 雜質(zhì)半導(dǎo)體1 N型半導(dǎo)體 磷 P 雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電 摻入雜質(zhì)越多 多子濃度越高 導(dǎo)電性越強 實現(xiàn)導(dǎo)電性可控 多數(shù)載流子 空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了 少了 為什么 2 P型半導(dǎo)體 硼 B 多數(shù)載流子 P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電 摻入雜質(zhì)越多 空穴濃度越高 導(dǎo)電性越強 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中 溫度變化時 載流子的數(shù)目變化嗎 少子與多子變化的數(shù)目相同嗎 少子與多子濃度的變化相同嗎 三 PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動 氣體 液體 固體均有之 P區(qū)空穴濃度遠高于N區(qū) N區(qū)自由電子濃度遠高于P區(qū) 擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低 靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低 產(chǎn)生內(nèi)電場 PN結(jié)的形成 因電場作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動 參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同 達到動態(tài)平衡 就形成了PN結(jié) 由于擴散運動使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子 形成內(nèi)電場 從而阻止擴散運動的進行 內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū) 自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動 PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通 耗盡層變窄 擴散運動加劇 由于外電源的作用 形成擴散電流 PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài) PN結(jié)加反向電壓截止 耗盡層變寬 阻止擴散運動 有利于漂移運動 形成漂移電流 由于電流很小 故可近似認為其截止 不導(dǎo)通 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?必要嗎 清華大學(xué)華成英hchya 四 PN結(jié)的電容效應(yīng) 1 勢壘電容 PN結(jié)外加電壓變化時 空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化 有電荷的積累和釋放的過程 與電容的充放電相同 其等效電容稱為勢壘電容Cb 2 擴散電容 PN結(jié)外加的正向電壓變化時 在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化 也有電荷的積累和釋放的過程 其等效電容稱為擴散電容Cd 結(jié)電容 結(jié)電容不是常量 why 由于Cj的存在 若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度 則失去單向?qū)щ娦?問題 為什么將自然界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征半導(dǎo)體 導(dǎo)電性能極差 又將其摻雜以改善導(dǎo)電性能 為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差 是多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素 PN結(jié)在P區(qū)和N區(qū)中的耗盡層寬度是一樣的嗎 為什么半導(dǎo)體器件有最高工作頻率 2半導(dǎo)體二極管 一 二極管的組成 二 二極管的伏安特性及電流方程 三 二極管的等效電路 四 二極管的主要參數(shù) 五 穩(wěn)壓二極管 一 二極管的組成 將PN結(jié)封裝 引出兩個電極 就構(gòu)成了二極管 小功率二極管 大功率二極管 穩(wěn)壓二極管 發(fā)光二極管 一 二極管的組成 點接觸型 結(jié)面積小 結(jié)電容小 故結(jié)允許的電流小 最高工作頻率高 面接觸型 結(jié)面積大 結(jié)電容大 故結(jié)允許的電流大 最高工作頻率低 平面型 結(jié)面積可小 可大 小的工作頻率高 大的結(jié)允許的電流大 二 二極管的伏安特性及電流方程 開啟電壓 反向飽和電流 擊穿電壓 溫度的電壓當(dāng)量 二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性 從二極管的伏安特性可以反映出 1 單向?qū)щ娦?2 伏安特性受溫度影響 T 在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流IS U BR T 正向特性左移 反向特性下移 正向特性為指數(shù)曲線 反向特性為橫軸的平行線 增大1倍 10 三 二極管的等效電路 理想二極管 近似分析中最常用 導(dǎo)通時 i與 u成線性關(guān)系 應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路 1 將伏安特性折線化 100V 5V 1V 2 微變等效電路 Q點越高 rd越小 當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動態(tài)信號作用時 則可將二極管等效為一個電阻 稱為動態(tài)電阻 也就是微變等效電路 ui 0時直流電源作用 小信號作用 靜態(tài)電流 四 二極管的主要參數(shù) 最大整流電流IF 最大平均值最大反向工作電壓UR 最大瞬時值反向電流IR 即IS最高工作頻率fM 因PN結(jié)有電容效應(yīng) 第四版 P20 討論 解決兩個問題 如何判斷二極管的工作狀態(tài) 導(dǎo)通 截止 什么情況下應(yīng)選用二極管的什么等效電路 uD V iR ID UD V與uD可比 則需圖解 實測特性 對V和Ui二極管的模型有什么不同 課堂練習(xí) 五 穩(wěn)壓二極管 1 伏安特性 進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流 不至于損壞的最大電流 由一個PN結(jié)組成 反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變 為穩(wěn)定電壓 2 主要參數(shù) 穩(wěn)定電壓UZ 穩(wěn)定電流IZ 最大功耗PZM IZMUZ 動態(tài)電阻rz UZ IZ 若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓 若穩(wěn)壓管的電流太大則會因功耗過大而損壞 因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻 限流電阻 斜率 作業(yè)1 31 41 61 7 1 3晶體三極管 一 晶體管的結(jié)構(gòu)和符號 二 晶體管的放大原理 三 晶體管的共射輸入特性和輸出特性 四 溫度對晶體管特性的影響 五 主要參數(shù) 一 晶體管的結(jié)構(gòu)和符號 多子濃度高 多子濃度很低 且很薄 面積大 晶體管有三個極 三個區(qū) 兩個PN結(jié) 中功率管 大功率管 二 晶體管的放大原理 擴散運動形成發(fā)射極電流IE 復(fù)合運動形成基極電流IB 漂移運動形成集電極電流IC 少數(shù)載流子的運動 因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū) 因基區(qū)薄且多子濃度低 使極少數(shù)擴散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合 因集電區(qū)面積大 在外電場作用下大部分擴散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū) 基區(qū)空穴的擴散 電流分配 IE IB ICIE 擴散運動形成的電流IB 復(fù)合運動形成的電流IC 漂移運動形成的電流 穿透電流 集電結(jié)反向電流 直流電流放大系數(shù) 交流電流放大系數(shù) 為什么基極開路集電極回路會有穿透電流 三 晶體管的共射輸入特性和輸出特性 為什么UCE增大曲線右移 對于小功率晶體管 UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以取代UCE大于1V的所有輸入特性曲線 為什么像PN結(jié)的伏安特性 為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了 1 輸入特性 2 輸出特性 是常數(shù)嗎 什么是理想晶體管 什么情況下 對應(yīng)于一個IB就有一條iC隨uCE變化的曲線 為什么uCE較小時iC隨uCE變化很大 為什么進入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線 飽和區(qū) 放大區(qū) 截止區(qū) 晶體管的三個工作區(qū)域 晶體管工作在放大狀態(tài)時 輸出回路的電流iC幾乎僅僅決定于輸入回路的電流iB 即可將輸出回路等效為電流iB控制的電流源iC 四 溫度對晶體管特性的影響 五 主要參數(shù) 直流參數(shù) ICBO ICEO c e間擊穿電壓 最大集電極電流 最大集電極耗散功率 PCM iCuCE Constant 安全工作區(qū) 交流參數(shù) fT 使 1的信號頻率 極限參數(shù) ICM PCM U BR CEO 清華大學(xué)華成英hchya 討論一 由圖示特性求出PCM ICM U BR CEO uCE 1V時的iC就是ICM U BR CEO 討論二 利用Multisim測試晶體管的輸出特性 利用Multisim分析圖示電路在V2小于何值時晶體管截止 大于何值時晶體管飽和 討論三 以V2作為輸入 以節(jié)點1作為輸出 采用直流掃描的方法可得 約小于0 5V時截止 約大于1V時飽和 描述輸出電壓與輸出電壓之間函數(shù)關(guān)系的曲線 稱為電壓傳輸特性 BJT管特點1 是 電流控制型 器件 IB控制IC 2 要得到所需的放大 控制 特性 三個極外加電壓極性必須正確 且管子處于放大區(qū) 3 要取得大的控制電流 輸入阻抗不能太高 4 極間漏電流是十分有害的 作業(yè)1 91 111 12 1 4場效應(yīng)管 以N溝道為例 場效應(yīng)管也有三個極 源極 s 柵極 g 漏極 d 對應(yīng)于晶體管的e b c 有三個工作區(qū)域 截止區(qū) 恒流區(qū) 可變電阻區(qū) 對應(yīng)于晶體管的截止區(qū) 放大區(qū) 飽和區(qū) 1 結(jié)型場效應(yīng)管 符號 結(jié)構(gòu)示意圖 導(dǎo)電溝道 單極型管 噪聲小 抗輻射能力強 低電壓工作 柵 源電壓對導(dǎo)電溝道寬度的控制作用 溝道最寬 uGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度 為什么g s必須加負電壓 UGS off 漏 源電壓對漏極電流的影響 uGS UGS off 且不變 VDD增大 iD增大 預(yù)夾斷 uGD UGS off VDD的增大 幾乎全部用來克服溝道的電阻 iD幾乎不變 進入恒流區(qū) iD幾乎僅僅決定于uGS 場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件是什么 uGD UGS off uGD UGS off 夾斷電壓 漏極飽和電流 轉(zhuǎn)移特性 場效應(yīng)管工作在恒流區(qū) 因而uGS UGS off 且uGD UGS off uDG UGS off g s電壓控制d s的等效電阻 輸出特性 預(yù)夾斷軌跡 uGD UGS off 可變電阻區(qū) 恒流區(qū) iD幾乎僅決定于uGS 擊穿區(qū) 夾斷區(qū) 截止區(qū) 不同型號的管子UGS off IDSS將不同 低頻跨導(dǎo) 2 絕緣柵型場效應(yīng)管 uGS增大 反型層 導(dǎo)電溝道 將變厚變長 當(dāng)反型層將兩個N區(qū)相接時 形成導(dǎo)電溝道 SiO2絕緣層 襯底 反型層 增強型管 大到一定值才開啟 增強型MOS管uDS對iD的影響 用場效應(yīng)管組成放大電路時應(yīng)使之工作在恒流區(qū) N溝道增強型MOS管工作在恒流區(qū)的條件是什么 iD隨uDS的增大而增大 可變電阻區(qū) uGD UGS th 預(yù)夾斷 iD幾乎僅僅受控于uG