常用半導體器件原理PPT學習教案

1、會計學1常用半導體器件原理常用半導體器件原理2.1.2 本征半導體 純凈的硅和鍺單晶體稱為本征半導體。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電荷。因為整個原子呈電中性，而其物理化學性質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 。 +4 帶一個單位負電荷的價電子 最外層軌道 帶四個單位正電荷的原子核部分 +14 +32 第1頁/共72頁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電的束縛電子。 +4 價電子 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共價鍵 價電子可以獲得足夠大的能量，

2、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。這個過程稱為本征激發(fā)。 本征激發(fā)產生成對的自由電子和空穴，所以本征半導體中自由電子和空穴的數(shù)量相等。 空穴 +4 +4 +4 +4 自由電子 第2頁/共72頁 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 空穴移動方向 價電子移動方向 價電子的反向遞補運動等價為空穴在半導體中自由移動。因此，在本征激發(fā)的作用下，本征半導體中出現(xiàn)了帶負電的自由電子和帶正電的空穴，二者都可以參與導電，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，這個過程稱為復合。

3、空穴 +4 +4 +4 +4 自由電子 第3頁/共72頁平衡狀態(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 kTEeTApn2230ii0G其中 T 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 型半導體和 P 型半導體 本征激發(fā)產生的自由電子和空穴的數(shù)量相對很少，這說明本征半導體的導電能力很弱。我們

4、可以人為地少量摻雜某些元素的原子，從而顯著提高半導體的導電能力，這樣獲得的半導體稱為雜質半導體。根據(jù)摻雜元素的不同，雜質半導體分為 N 型半導體和 P 型半導體。 第4頁/共72頁一、N 型半導體（摻磷）在本征半導體中摻入五價原子，即構成 N 型半導體。N 型半導體中每摻雜一個雜質元素的原子，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體仍保持電中性 +4 +4 +4 +4 +5 +4 +4 +4 +4 鍵外電子 施主原子 熱平衡時，雜質半導體中多子濃度和少子濃度的乘積恒等于本征半導體中載流子濃度 ni 的平方，所以空穴的濃度 pn為

5、DnNnD2in2inNnnnp自由電子濃度雜質濃度因為ni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5頁/共72頁二、P 型半導體（摻硼）在本征半導體中摻入三價原子，即構成 P 型半導體。P 型半導體中每摻雜一個雜質元素的原子，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體仍保持電中性 +4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 +4 +4 空位 受主原子 而自由電子的濃度 np 為ApNpA2ip2ipNnpnn空穴濃度摻雜濃庹環(huán)境溫度也明顯影響 np 的取值。第6頁/共72頁2.1.4 漂移電流和擴散電流 半導體中載

6、流子（電子與空穴）進行定向運動，就會形成半導體中的電流。半導體電流漂移電流：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，遷移率和電場強度。擴散電流：半導體中載流子濃度不均勻分布時，載流子會從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散，從而形成擴散電流。該電流的大小正比于載流子的濃度差即濃度梯度的大小。PnIII電子電流與空穴電流半導體電流第7頁/共72頁2.2 PN 結 通過摻雜工藝，把本征半導體的一邊做成 P 型半導體，另一邊做成 N 型半導體，則 P 型半導體和 N 型半導體的交接面處會形成一個有特殊物理性質的薄層，稱為

7、 PN 結。 2.2.1PN 結的形成 + + + + P 區(qū) N 區(qū) (a) + + + + + + + + + + + + + + + + P 區(qū) N 區(qū) (b) 空間電荷區(qū) 內建電場 0 UB UB + + + + + + + + + + + + 多子擴散空間電荷區(qū)，內建電場和內建電位差的產生 少子漂移動態(tài)平衡第8頁/共72頁空間電荷區(qū)又稱耗盡區(qū)或勢壘區(qū)。在摻雜濃度不對稱的 PN 結中，耗盡區(qū)在重摻雜一側延伸較小，在輕摻雜一側延伸較大。 耗盡區(qū) 耗盡區(qū) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

8、+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + P區(qū) N區(qū) P區(qū) N區(qū) 第9頁/共72頁2.2.2PN 結的單向導電特性 + + + + + + + + + + + + + + + + P 區(qū) N 區(qū) 耗盡區(qū) 0 UB U UB E R U 內建電場 外加電場 正向電流 一、正向偏置的 PN 結正向偏置耗盡區(qū)變窄擴散運動加強漂移運動減弱正向電流二、反向偏置的 PN 結 P 區(qū) 耗 盡 區(qū) 0 UB U UB E R U 內 建 電 場 外 加 電 場 N 區(qū) 反 向 電 流 + + + + + + + + + + + +

9、+ + + + 反向偏置耗盡區(qū)變寬擴散運動減弱漂移運動加強反向電流第10頁/共72頁PN 結的單向導電特性：PN 結只需較小的正向電壓，就可使耗盡區(qū)變得很薄，從而產生較大的正向電流，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 結的擊穿特性 PN 結反向電壓足夠大時，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為 PN 結的擊穿。 雪崩擊穿：PN 結反偏，耗盡區(qū)中少子在漂移運動中被電場作功，動能增大。當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，產生一對自由電子和空穴，連鎖碰撞使盡區(qū)內載流子數(shù)量劇增，引起反向電流

10、急劇增大。雪崩擊穿出現(xiàn)在輕摻雜的 PN 結中。齊納擊穿：在重摻雜PN 結中，耗盡區(qū)較窄，所以反向電壓在其中產生較強的電場。電場強到能直接將價電子拉出共價鍵，發(fā)生場致激發(fā)，產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 結擊穿時，只要限制反向電流不要過大，就可以保護 PN 結不受損壞。第11頁/共72頁4.2.4PN 結的電容特性 PN 結能存貯電荷，且電荷變化與外加電壓變化有關，說明 PN 結有電容效應。 一、勢壘電容（反偏） P 區(qū) N 區(qū) 耗盡區(qū) |u| P 區(qū) N 區(qū) 耗盡區(qū) |u| + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

11、 + + + + + + + + + + + + dSUuCuQCnB0TT1CT0為 u = 0 時的 CT，與 PN 結的結構和摻雜濃度等因素有關；UB為內建電位差；n 為變容指數(shù)，取值一般在 1 / 3 6 之間。當反向電壓- u的絕對值增大時，CT 將減小（變容管）。 第12頁/共72頁 P區(qū) N區(qū) 耗盡區(qū) u P區(qū) N區(qū) 耗盡區(qū) u u 0 0 np0 pn0 pnnn nppp Qn Qp uQQuQCpnDPN 結的結電容為勢壘電容和擴散電容之和，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PN 結正偏時，CD 遠大于 CT ，即

12、 Cj CD ；當PN 結反偏時，CT 遠大于 CD，則 Cj CT 。二、擴散電容（正偏） 第13頁/共72頁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) 1() 1(TDD/S/SDUukTqueIeIiIS 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。 uD iD UD(on) 0 IS 擊穿 TDSDUueIiT2 T1 1、二極管的導通，截止和擊穿當 uD 0 且超過特定值 UD(on) 時，iD 變得明顯，此時認為二極管導通，UD(on) 稱為導

13、通電壓 (開啟電壓) ；uD 0.7V時，VD處于導通狀態(tài)，等效成短路，所以輸出電壓uo=ui-0.7； RL D ui uo t ui 0 t 0 (a) (b) 0.7 V uo (c) uo ui 0 0.7 V 1 當ui0時，D1和D2上加的是正向電壓，處于導通狀態(tài)，而D3和D4上加的是反向電壓，處于截止狀態(tài)。輸出電壓uo的正極與ui的正極通過D1相連，它們的負極通過D2相連，所以uo=ui； RL D1 ui uo t ui 0 t uo 0 (a) (b) D3 D4 D2 (c) uo ui 0 1 1 當ui0時，二極管D1截止，D2導通，電路等效為(b)所示的反相比例放大器

14、，uo=-(R2/R1)ui；當ui 0時，uo1 = - ui，uo = ui；當ui 2.7V時，VD導通，所以uo=2.7V；當ui2.3V時，D2導通，uo=2.3V；當ui2.3V時，D2截止，支路等效為開路，uo=ui。所以D2實現(xiàn)了上限幅；解：D1處于導通與截止的臨界狀態(tài)時，其支路兩端電壓為-E-UD(on)=-2.3V。當ui-2.3V時，D1截止，支路等效為開路，uo=ui。所以D1實現(xiàn)了下限幅；第32頁/共72頁圖中,設二極管的交流電阻rD 0,導通電壓UD(on)=0.7 V ui VD1 VD2 R2 R1 uo A 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

15、護后級電路的安全工作。當-0.7Vui0.7 V時，VD1導通，VD2截止，R1、VD1和R2構成回路，對ui分壓，集成運放輸入端的電壓被限制在UD(on)=0.7V；當ui-0.7V時，VD1截止，VD2導通，R1、VD2和R2構成回路，對ui分壓，集成運放輸入端的電壓被限制在-UD(on)=-0.7 V。該電路把ui限幅到0.7V到-0.7V之間，保護集成運算放大器。第33頁/共72頁圖中,設二極管的交流電阻rD 0,導通電壓UD(on)=0.7 Vui A / D 5 V D1 D2 R E 當-0.7Vui5.7V時，VD1導通，VD2截止，A/D的輸入電壓被限制在5.7V；當ui-0

16、.7V時，VD1截止，VD2導通，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34頁/共72頁例4.3.8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，導通電壓UD(on) 近似為零。輸入電壓ui的波形在圖 (b) 中給出，作出輸出電壓uo的波形。 ui (a) R1 uo 5 k A UZ t ui (V) 0 (b) 2 2 DZ1 DZ2 1 k R2 第35頁/共72頁解：當 | ui | 1 V時，DZ1和DZ2一個導通，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

17、(c) 所示的uo波形。 ui (a) R1 uo 5 k A UZ t ui (V) 0 (b) 2 2 1 1 t uo (V) 0 (c) 5 5 DZ1 DZ2 1 k R2 第36頁/共72頁 uo R A DZ1 t uo , uC 0 UOH R3 DZ2 R1 R2 C uC UZ UTH UTL UOL uo uC 圖示電路為單運放弛張振蕩器。其中集成運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。仍然認為DZ1和DZ2的穩(wěn)定電壓為UZ，而導通電壓UD(on) 近似為零。經過限幅，輸出電壓uo可以是高電壓

18、UOH = UZ或低電壓UOL = - UZ。第37頁/共72頁3、電平選擇電路 例4.3.9(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。 R E ui2 uo t ui1 (a) VD1 ui1 VD2 t ui2 0 t uo 0 (b) 0 第38頁/共72頁解：因為ui1和ui2均小于E，所以VD1和VD2至少有一個處于導通狀態(tài)。 R E ui2 uo t ui1 0 (a) VD1 ui1 VD2 t ui2 0 t uo 0 (b) 1 1 0 1

19、1 0 0 0 1 0 0 0 假設ui1ui2時，VD2導通，VD1截止，uo=ui2；只有當ui1=ui2時，VD1和VD2才同時導通，uo=ui1=ui2。uo的波形如(b)所示。該電路完成低電平選擇功能，當高、低電平分別代表邏輯1和邏輯0時，就實現(xiàn)了邏輯“與”運算。 第39頁/共72頁 ui uo1 D uo C (a) A1 A2 ui , uo t 0 uo ui (b) uG V A2 4、峰值檢波電路 例4.3.10分析圖示峰值檢波電路的工作原理。 解：電路中集成運放A2起電壓跟隨器作用。當uiuo時，uo10，二極管D導通，uo1對電容C充電，此時集成運放A1也成為跟隨器，u

20、o=uCui，即uo隨著ui增大；當uiuo時，uo1UBE(on)時，e結正偏，晶體管導通，即處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)。此兩種狀態(tài)下，uBEUBE(on)，所以也可以認為UBE(on)是導通的晶體管輸入端固定的管壓降；當uBEuBE(on)，則晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)，再判斷c結是正偏還是反偏。如果c結反偏，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=IB，IE=IB+IC。再由這三個極電流和外電路計算UCE和UCB；實際應用中，通過控制e結和c結的正偏與反偏，可使晶體管處于放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)或截止狀態(tài)，來實現(xiàn)不同的功能。確定直流偏置下

21、晶體管工作狀態(tài)的基本步驟：1判斷e結是正偏還是反偏。若uBE 0，所以c結反偏，假設成立，UO=UC=4V；當UI=5V時，因為，UCB=-3.28V0，所以晶體管處于飽和狀態(tài)，UO=UCE(sat) 。 第49頁/共72頁 2 k RC UCC 200 k RB 2 k RE IB IC IE V 12 V 例4.4.2晶體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+)IBRE=-0.7V，得到IB=-37.

22、4A0，所以V處于放大或飽和狀態(tài)。假設處于放大狀態(tài)，則IC=IB=-1.87mA，驗證：因為，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-(UCC-IBRB)=-3.74VUSUG柵極電流：IG 0夾斷電壓：UGS(off)第56頁/共72頁2、輸出特性(iD-uDS) 0 5 10 15 20 uDS (V) iD (mA) 2 V 0.5 V 1 V 1.5 V UDG UGS(off) 恒 流 區(qū) 可變電阻區(qū) 截止區(qū) 1 2 3 4 UGS UGS(off) 擊穿區(qū) UGS 0 （1）恒流區(qū) (|uGS|UGS(off)|且|uDG| |uDSuGS|UGS(off)|) （2）可變電阻區(qū)

23、 (|uGS|UGS(off)|且|uDG|UGS(off)|)uGS和iD為平方率關系。預夾斷導致uDS對iD的控制能力很弱。（3）截止區(qū) (|uGS|UGS(off)|)uDS的變化明顯改變iD的大小。導電溝道全部夾斷，iD 0。 N G D S UGS uDS iD P+ P+ 另外，若|uDS|足夠大，則PN結在靠近漏極的局部會擊穿，iD急劇增大，相應的區(qū)域成為擊穿區(qū)。第57頁/共72頁3、轉移特性(iD-UGS) 3 2 1 UGS (V) iD (mA) UGS(off) 0 1 2 3 4 IDSS 2GS(off)GSDSSD1UuIi恒流區(qū)內，iD與uGS的平方率關系可以描述

24、為：第58頁/共72頁4.5.2絕緣柵場效應管 金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET），根據(jù)結構上是否存在原始導電溝道，分為增強型（normally-off）和耗盡型(normally-on)。 G D S 柵極 G 漏極 D N N P 襯底 源極 S B PN 結 B G D S 柵極 G 漏極 D P P N 襯底 源極 S B PN 結 B N 溝道增強型 MOSFET P 溝道增強型 MOSFET G D S B G D S 柵極 G 漏極 D N 襯底 源極 S B PN 結 B P P 柵極 G 漏極 D P 襯底 源極 S B PN 結 N N N 溝道耗盡型 MOS

25、FET P 溝道耗盡型 MOSFET 第59頁/共72頁1、工作原理 G D N P 襯底 S B UGS UDS G D N P 襯底 S B UGS UDS G D N N P 襯底 S B UGS UDS ID ID ID N N UGS = 0 ID 0N溝道增強型MOSFETUGS UGS(th) 電場 反型層 導電溝道 ID 0UGS控制ID的大小UDUGUS=UB，IG = 0第60頁/共72頁在UGS0時就存在IDID0。UGS增大ID增大。當UGS0時，且|UGS| 足夠大時，導電溝道消失，ID0，此時的UGS稱為夾斷電壓UGS(off) 。 N溝道耗盡型MOSFET2、輸出

26、特性 0 5 10 15 20 uDS (V) iD (mA) 3 V 6 V 5 V 4 V UDG UGS(th) 恒 流 區(qū) 可變電阻區(qū) 截止區(qū) 1 2 3 4 UGS UGS(th) 擊穿區(qū) UGS 7 V G D N N P襯底 S B UGS UDS ID 預夾斷N溝道增強型MOSFET各區(qū)劃分140頁第61頁/共72頁 4 6 8 UGS (V) iD (mA) UGS(th) 0 1 2 3 4 2 n為導電溝道中自由電子運動的遷移率；Cox為單位面積的柵極電容；W 和 L分別為導電溝道的寬度和長度，W / L為寬長比。2GS(th)GSoxnD)(2UuLWCi)1 ()(2

27、DS2GS(th)GSoxnDuUuLWCiN溝道增強型MOSFET3、轉移特性 恒流區(qū)內，iD與uGS的平方率關系可以描述為：如果計入uDS對iD的微弱影響，則需要用溝道調制系數(shù)修正公式。第62頁/共72頁N溝道耗盡型MOSFET（類似N溝道JFET） 0 5 10 15 20 uDS (V) iD (mA) 3 V 6 V 3 V 0 UDG UGS(off) 恒 流 區(qū) 可變電阻區(qū) 截止區(qū) 1 2 3 4 UGS UGS(off) 擊穿區(qū) UGS = 9 V 0 3 6 UGS (V) iD (mA) UGS(off) 2 3 4 3 9 6 1 2GS(off)GSD0D1uuIi2G

28、S(off)oxnD02ULWCI恒流區(qū)電流方程第63頁/共72頁4.5.3各種場效應管的比較以及場效應管與晶體管的對比 G D S G D S G D S B G D S B G D S B G D S B JF ET N 溝 道 P 溝 道 N 溝 道 P 溝 道 N 溝 道 P 溝 道 增 強 型 耗 盡 型 M O SF ET 電路符號 0 UGS iD IDSS UGS(off) UGS(th) JFET N 溝道 ID0 MOSFET 耗盡型 N 溝道 增強型 N 溝道 UGS(th) UGS(off) JFET P 溝道 增強型 P 溝道 耗盡型 P 溝道 MOSFET IDSS

29、 ID0 0 UDS iD JFET N 溝道 MOSFET 耗盡型 N 溝道 增強型 N 溝道 0 2 7 4 2 3 3 1 4 2 0 5 1 1 6 5 3 2 UGS (V) 耗盡型 P 溝道 JFET P 溝道 增強型 P 溝道 UGS (V) 7 2 0 6 1 1 5 0 2 4 1 3 2 2 3 3 4 5 MOSFET 特性曲線第64頁/共72頁晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)時，存在一定的基極電流，輸入電阻較小。場效應管中，JFET的輸入端PN結反偏，MOSFET則用SiO2隔離了柵極和導電溝道，所以場效應管的柵極電流很小，輸入電阻極大。晶體管中自由電子和空穴同時參與導電，

30、主要依靠基區(qū)中非平衡少子的擴散運動，所以導電能力易受外界因素如溫度的影響。場效應管只依靠自由電子和空穴之一在導電溝道中作漂移運動實現(xiàn)導電，導電能力不易受環(huán)境的干擾。場效應管結構對稱，源極和漏極可互換使用。 晶體管發(fā)射區(qū)和集電區(qū)雖是同型雜質半導體，但因制作工藝不同，二者不能互換使用。第65頁/共72頁 UDD RG 100 k RD 2 k 12 V UGS(off) 4 V IDSS 3 mA (a) UDD RG 100 k RD 3 k 10 V UGS(th) 2 V ID 3 mA (b) E V V 5 V 例4.5.1判斷圖中場效應管的工作狀態(tài)。 解:圖(a)是N溝道JFET，UGS=0UGS(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溝道增強型MOSFET，UGS = - 5 (V) - UGS(th) ，所以該場效應管工作在可變電阻區(qū)。 第66頁/共72頁一、方波，鋸齒波發(fā)生器 4.5.5場效應管應用電路舉例 uo C1 uo1 t 0 A1 R4 R3 R2 R1 UZ R6 C2 A2 E V uo t 0