常用半導(dǎo)體器件-課件

1、 第一章 常用半導(dǎo)體器件第一章 常用 器件半導(dǎo)體 類別項(xiàng)目 導(dǎo)體絕緣體代表物質(zhì) 一般最外層電子數(shù)外層電子受原子核的束縛力 導(dǎo)電性 金屬惰性氣體硅、鍺 4=4小易大二者之間不易二者之間半導(dǎo)體1.1.1 本征半導(dǎo)體1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體無(wú)雜質(zhì)?GeSi半導(dǎo)體硅和鍺的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可將其制成晶體。即為本征半導(dǎo)體Intrinsic semiconductor 本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖+4+4+4+4 形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共用電子常溫下價(jià)電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子導(dǎo)電能力很弱Share electro

2、n +4+4+4+4熱和光的作用 自由電子 空穴一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵束縛電子空穴對(duì)本征激發(fā)（熱激發(fā)）帶正電帶負(fù)電游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合Intrisic excitation +4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移。空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體的兩種載流子溫度越高，載流子的濃度越高，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素。這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴

3、移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體 N 型半導(dǎo)體+4+4+5+4磷原子多余電子摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻）取代，形成共價(jià)鍵多出一個(gè)電子磷原子成為不能移動(dòng)的正離子施主原子Impurity semiconductor +4+4+5+4N 型半導(dǎo)體中的載流子是什么？1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。Negative+4+4+3+4空位硼原子空穴P

4、 型半導(dǎo)體摻入少量的三價(jià)元素硼（或銦）取代，形成共價(jià)鍵產(chǎn)生一個(gè)空位吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)受主原子硼原子成為不能移動(dòng)的負(fù)離子空穴是多子，電子是少子Positive(3)、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P 型半導(dǎo)體+N 型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。小結(jié)4、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。 N型半導(dǎo)體中自由電子是多子，空穴是少子。 5、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與溫度、光強(qiáng)、雜質(zhì)濃度 和材料性質(zhì)有關(guān)。 1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。 2、在一定溫度下，本征半導(dǎo)體因本征激發(fā)而產(chǎn)生自由 電子和空穴對(duì)，故其有一定的導(dǎo)

5、電能力。 3、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由溫度決定； 雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。一、PN 結(jié)的形成利用摻雜工藝，將P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。1.1.3 PN結(jié)N 型半導(dǎo)體P 型半導(dǎo)體+PN結(jié)+物質(zhì)因濃度差會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。自由電子空穴空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。擴(kuò)散的結(jié)果是產(chǎn)生空間電荷區(qū)。+內(nèi)電場(chǎng)E+-在電場(chǎng)力作用下，載流子產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)自由電子空穴電位VV0最終擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)空間

6、電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng) 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移 內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散 總結(jié) 因濃度差 由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)達(dá)到平衡，空間電荷區(qū)寬度固定不變 二、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?REPN 結(jié)正向偏置內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+_外加電源將使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)源源不斷的進(jìn)行，形成正向電流，PN結(jié)導(dǎo)通forward bias PN 結(jié)反向偏置+內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚NP+_內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。PN結(jié)截止REReverse bias PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流； 由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的

7、反向漂移電流， PN結(jié)截止?？偨Y(jié)Unilateral conductivity 三、PN結(jié)VCR方程PN結(jié)兩端的外電壓u與流過(guò)PN結(jié)的電流i之間的關(guān)系UT: 溫度電壓當(dāng)量， = kT/q，一般取值為26mv； k為玻耳曼常數(shù) T為熱力學(xué)溫度 q為電子電荷量IS：反向飽和電流ABC四、PN結(jié)的電容效應(yīng)1. 勢(shì)壘電容 PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，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(guò)程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢(shì)壘電容Cb。2. 擴(kuò)散電容 PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)散過(guò)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(guò)程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。結(jié)電容： 結(jié)電容不

8、是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！barrier capacity Diffused capacity NP+-1.2 半導(dǎo)體二極管外殼封裝陰極引線陽(yáng)極引線semiconductor diode 1.2.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型按結(jié)構(gòu)分類點(diǎn)接觸型面接觸型平面型(1) 點(diǎn)接觸型二極管陽(yáng)極引線陰極引線PN結(jié)面積小不能通過(guò)較大的電流結(jié)電容小工作頻率高 適用于高頻電路和小功率整流陽(yáng)極引線陰極引線(2) 面接觸型二極管PN結(jié)面積大能通過(guò)較大的電流結(jié)電容大能在低頻下工作一般僅作為整流管使用合金法PN結(jié)面積可大可小陽(yáng)極引線陰極引線視結(jié)面積的大小用于大功率整流和開(kāi)關(guān)電路中二極管的電

9、路符號(hào)陽(yáng)極陰極二端無(wú)源元件(3) 平面型二極管擴(kuò)散法+-ui半導(dǎo)體二極管圖片1.2.2 半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線uiPN結(jié)二極管近似分析時(shí)：(1) 二極管和PN結(jié)伏安特性的區(qū)別二極管存在半導(dǎo)體體電阻和引線電阻二極管表面 漏電流單向?qū)щ娦評(píng)i幾點(diǎn)說(shuō)明二極管的正向特性陽(yáng)極陰極+-uu00uUonUon開(kāi)啟電壓正向電流為零uUon開(kāi)始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。二極管的反向特性陽(yáng)極陰極+-uuUZ時(shí)作用同二極管u增加到UZ 時(shí)，穩(wěn)壓管擊穿(a)Voltage-regulation diode 2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。(1)穩(wěn)定電壓 UZ穩(wěn)壓管低

10、于此值穩(wěn)壓情況變壞，常記作IZmin(2)穩(wěn)定電流 IZ工作在穩(wěn)壓區(qū)時(shí)，端電壓變化量與其電流變化量之比(3)動(dòng)態(tài)電阻rZrZ =UZ /IZ(4)額定功耗PZMPZM= UZ IZmax最大穩(wěn)定電流(5)溫度系數(shù)表示溫度每變化1穩(wěn)壓值的變化量例1 電路如圖所示，設(shè)ui=6sint V，試?yán)L出輸出電壓uo的波形。設(shè)DZ為硅穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)定電壓為5V, 正向?qū)▔航岛雎圆挥?jì)。+ui-3V RDZ+uo-解： ui-3V D導(dǎo)通 uo= -3V ui-3V D截止 uo= ui 2V 2VuiD反向擊穿 uo= 2V ui/V t o6uo/V t o22-3-3ABVB= uiVA= -3V例2

11、穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電UZ=6V, 最小穩(wěn)定電流IZmin=5mA,最大穩(wěn)定電流IZmax=25mA, 負(fù)載電阻RL=600。求限流電阻R的取值范圍。UI=10VRDZ+UO-RLILIDZIR+-解： UO=UZ =6V IL= UO RL = 6 600 =0.01A =10mA 當(dāng)IDZ=IZmin=5mA時(shí) IR=IDZ+IL =5+10 =15mA R= UI-UOIR= 10-61510-3=227當(dāng)IDZ=IZmax=25mA時(shí) IR=25+10 =35mA R= 10-63510-3=114R=1142271.3 晶體三極管管中有兩種不同極性的載流子參與導(dǎo)電， 所以又稱做雙極型晶體管由

12、兩個(gè) PN 結(jié)組合而成，是一種CCCS器件BJTCrystal triode 較薄，摻雜濃度低面積很大摻雜濃度很高集電結(jié)發(fā)射結(jié) NPN型PNN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)基極b發(fā)射極e集電極c 1.3.1 晶體管的結(jié)構(gòu)及類型emitter base collector 集電結(jié)發(fā)射結(jié)NPN型cPNNeb發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電區(qū)PNP型NPPeb基區(qū)集電結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c發(fā)射極基極cbeecb我國(guó)晶體管的型號(hào)命名方法 3AX81以 NPN 型三極管為例討論cNNPebbec表面看三極管若實(shí)現(xiàn)放大，必須從三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部所加電源的極性來(lái)保證。不具備放大作用 1.3.2 晶體管的電流放大作用

13、三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求：NNPebc1. 發(fā)射區(qū)高摻雜。2. 基區(qū)做得很薄。通常只有幾微米到幾十微米，而且摻雜較少。外加電源的極性應(yīng)使發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，而集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。3. 集電結(jié)面積大。三極管放大的外部條件：VBBVCC-uo+RbRc 共射放大電路電流單位：mAiB 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10iC 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95iE uBE晶體管C、E之間相當(dāng)于開(kāi)路放大區(qū)輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域:放大區(qū)發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏uBE Uon ,且uCE uBE 曲線基本平行等距。輸出曲線具有恒流特性飽和區(qū)輸出特性曲線可以分

14、為三個(gè)區(qū)域:飽和區(qū)發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏uBE Uon ,且uCEVE有可能NPN1.5VTRbRciC-6VVE =0VB0即 VBVE不可能PNP1.4 場(chǎng)效應(yīng)管利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流Field Effect Transistor簡(jiǎn)稱FETBJT（三極管）電流控制元件(iB iC)工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。工作時(shí)，只有一種載流子（多子）參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。 特點(diǎn)：輸入電阻極高，噪聲低，熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)，耗電省，集成工藝簡(jiǎn)單。 應(yīng)用：大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路。N溝道N溝道耗盡型N溝道增強(qiáng)型P溝道分類：絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型

15、場(chǎng)效應(yīng)管P溝道P溝道柵極gNP漏極d源極sN型半導(dǎo)體為基底高摻雜的P型半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道耗盡層1.4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Junction Field Effect Transistor結(jié)構(gòu)符號(hào)1.4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Junction Field Effect Transistor結(jié)構(gòu)在漏極和源極之間加上一個(gè)正向電壓，N 型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是 N 型的，稱 N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。gds柵極gNP漏極d源極sP 溝道場(chǎng)效應(yīng)管P 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道gsd在 P 型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的 N 型區(qū)(N+)，導(dǎo)電溝道為 P 型，多數(shù)載流子為空穴。符號(hào)GDSgds一、

16、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作原理 N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變 uGS 大小來(lái)控制漏極電流 iD 的。(VCCS)gdsNN型溝道P+P+耗盡層*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會(huì)變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流 iD 減小。1. 當(dāng)uDS = 0 時(shí)， uGS 對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用iD = 0gdsN型溝道P+P+ (a)uGS = 0耗盡層很窄，導(dǎo)電溝道很寬耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝道相應(yīng)變窄。耗盡層閉合，導(dǎo)電溝道被夾斷。UGS(off)為夾斷電壓，為負(fù)值。一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作原理iD = 0dgsP+P+R(b) UGS(off) uGS 0VGGiD = 0dgs(c) uGS

17、 UGS(off)VGGP+P+uGD = UGS(off)？R2. uGS為UGS(off)0中一固定值時(shí), uDS 對(duì)漏極電流iD的影響。iD = 0dgsP+P+N型溝道(a) uDS = 0VGG導(dǎo)電溝道由uGS確定， iD =0(b) uDS 由零逐漸增加iD隨uDS的增大而線性增大，d-s呈現(xiàn)電阻特性；導(dǎo)電溝道從s極到d極逐漸變寬gdsNiSiDuDSVGG P+P+iD決定于uDSuGD= uGS -uDS 漏極一邊的耗盡層出現(xiàn)夾斷區(qū)，稱uGD = UGS(off)為預(yù)夾斷夾斷區(qū)加長(zhǎng)，iD 幾乎僅決定于uGS，表現(xiàn)出恒流特性u(píng)DSuGDgdsNiSiDuDSVGG(c) uGD

18、= UGS(off)P+P+gdsiSiDuDSVGG(d) uGD UGS(off)P+iD決定于uGS3.當(dāng)uGD UGS(off)時(shí) , uGS 對(duì)漏極電流iD的控制作用場(chǎng)效應(yīng)管為電壓控制元件(VCCS)。3.當(dāng)uGD UGS(off)時(shí) , uGS 對(duì)漏極電流iD的控制作用 在uGD uGS(off)情況下, 對(duì)應(yīng)于不同的uGS ，d-s間等效成(2)當(dāng)uDS使uGDuGS(off)時(shí)，d-s之間預(yù)夾斷(3)當(dāng)uGD uGS(off)uGD uGS(off)uGS0，就可以形成漏極電流iD。在柵極下方導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型區(qū)的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。隨著uGS的繼續(xù)增加，

19、反型層變厚，iD增加。uGS 0 g吸引電子 反型層 導(dǎo)電溝道uGS 反型層變厚 uDS iD （2）漏源電壓uDS對(duì)漏極電流iD的控制作用（a）若uGSUGS(th)且固定為某一值:uDS=uDGuGS=uGDuGSuGD=uGSuDSuDS為0或較小時(shí)， uGD=uGSuDS UGS(th)，此時(shí)uDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。這時(shí)iD隨uDS增大。uDS iD uDSuGS-UGS(th)uGS為大于UGS(th)的某一值時(shí), uDS對(duì)iD的影響可變電阻區(qū)預(yù)夾斷恒流區(qū)(a) 轉(zhuǎn)移特性曲線UGS 0；UGS 正、負(fù)、零均可iD/mAuGS /VOUGS(off)(a)轉(zhuǎn)移特性

20、IDSS(b)輸出特性iD/mAuDS /VO+1VUGS=0-3 V-1 V-2 V43215101520N 溝道耗盡型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、夾斷區(qū)。種 類符 號(hào)轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線 結(jié)型N 溝道耗盡型 結(jié)型P 溝道耗盡型 絕緣柵型 N 溝道增強(qiáng)型sgdsgdiDUGS= 0V+uDS+0sgdBuGSiD0UGS(th)各類場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線+UGS = UGS(th)uDSiD+0iDUGS= 0V-uDSOuGSiDUGS(off)IDSSuGSiDUGS(off)IDSS種 類符 號(hào)轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線絕緣柵型N 溝道耗盡型絕緣柵型P 溝道增強(qiáng)型耗盡型IDsgdBuDSiD_UGS=0+_0iDuGSUGS(off)IDSS0