AET_01_半導(dǎo)體器件.ppt

1、模擬電子技術(shù),Analog Electronic Technology,朱家富,重慶文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院,第一章 半導(dǎo)體器件, 1.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí) 1.2 半導(dǎo)體二極管 1.3 半導(dǎo)體三極管 1.4 場(chǎng)效應(yīng)晶體管,1-2,1.1.1 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體,導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱(chēng)為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。,絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱(chēng)為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半導(dǎo)體：另有一類(lèi)物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱(chēng)為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。,1.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),1-3,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。

2、例如：,當(dāng)受外界光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化光敏效應(yīng)。,往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變摻雜效應(yīng)。,1-4,當(dāng)受外界熱的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化熱敏效應(yīng)。,1.1.2 本征半導(dǎo)體,一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。,現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。,1-5,本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。,在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。,1-6,硅和鍺的共價(jià)鍵

3、結(jié)構(gòu),共價(jià)鍵共 用電子對(duì),+4表示除去價(jià)電子后的原子,1-7,共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱(chēng)為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。,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)。,共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。,1-8,二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,在絕對(duì)0度（T=0K）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。,在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)

4、共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴。,1.載流子、自由電子和空穴,1-9,自由電子,空穴,束縛電子,1-10,2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,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，而空穴的遷移相當(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)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。,1-11,溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(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. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。,1-12,

5、1.1.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。,P 型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱(chēng)為（空穴半導(dǎo)體）。,N 型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱(chēng)為（電子半導(dǎo)體）。,1-13,一、N 型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱(chēng)為施主原子

6、。,1-14,多余 電子,磷原子,N 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(chēng)為多數(shù)載流子（多子），空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子（少子）。,1-15,二、P 型半導(dǎo)體,空穴,硼原子,P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。,1-16,三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法,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。,1-17,一 、PN 結(jié)的形成,在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體和N

7、 型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。,1.1.4 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?1-18,P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。,內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,1-19,所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(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。,1-20,空間電荷區(qū),N型區(qū),P型區(qū),電位V,V0,1-21,1.空間電荷區(qū)中沒(méi)有載流子。,2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P中的空穴.N區(qū) 中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。,3.P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它

8、們形成的電流很小。,注意:,1-22,二、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN 結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P 區(qū)加正、N 區(qū)加負(fù)電壓。,PN 結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區(qū)加負(fù)、N 區(qū)加正電壓。,1-23,1、PN 結(jié)正向偏置,P,N,+,_,內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。,1-24,2、PN 結(jié)反向偏置,N,P,+,_,內(nèi)電場(chǎng)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。,R,E,1-25,1.2.1 基本結(jié)構(gòu),PN 結(jié)加上管殼和引線(xiàn)，就成為半導(dǎo)體二極管。,點(diǎn)接觸型,1-26,1.2 半導(dǎo)體二極管,二極管的電路符號(hào)：,1-

9、27,面接觸型,1.2.2 伏安特性,死區(qū)電壓 硅管0.5V,鍺管0.2V。,導(dǎo)通壓降: 硅管0.50.7V,鍺管0.20.3V。,反向擊穿電壓UBR,1-28,1.2.3 主要參數(shù),1. 最大整流電流 IOM,二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。,2. 反向擊穿電壓UBR,二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過(guò)熱而燒壞。手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半。,1-29,3. 反向電流 IR,指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高?/p>

10、向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。,以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦裕饕獞?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個(gè)交流參數(shù)。,1-30,4. 微變電阻 rD,uD,rD 是二極管特性曲線(xiàn)上工作點(diǎn)Q 附近電壓的變化與電流的變化之比：,顯然，rD是對(duì)Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。,1-31,5. 二極管的極間電容,二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。,勢(shì)壘電容：勢(shì)壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時(shí)，就會(huì)引起積累在勢(shì)壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢(shì)壘電容。,擴(kuò)散電容：為了形成正向電流

11、（擴(kuò)散電流），注入P 區(qū)的少子（電子）在P 區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P 區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容CD。,1-32,CB在正向和反向偏置時(shí)均不能忽略。而反向偏置時(shí)，由于載流子數(shù)目很少，擴(kuò)散電容CD可忽略。,PN結(jié)高頻小信號(hào)時(shí)的等效電路：,勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng),1-33,實(shí)際二極管： 硅二極管：死區(qū)電壓 0 .5V，正向壓降0.7V 鍺二極管：死區(qū)電壓 0 .2V，正向壓降0.3V,1-34,理想二極管： 死區(qū)電壓 0 ，正向壓降 0,二極管的簡(jiǎn)化模型,二極管的應(yīng)用舉例1：二極管半波整流電路,1-35,二

12、極管的應(yīng)用舉例2：二極管充放電電路,1-36,一、穩(wěn)壓二極管,U,IZ,穩(wěn)壓誤差,曲線(xiàn)越陡，電壓越穩(wěn)定。,-,UZ,1.2.4 特殊二極管,1-37,（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。,（5）最大允許功耗,穩(wěn)壓二極管的參數(shù):,（1）穩(wěn)定電壓 UZ,（3）動(dòng)態(tài)電阻,1-38,負(fù)載電阻：,要求：當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓基本不變。,穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例,穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):,求：電阻R和輸入電壓 ui 的正常值。,1-39,解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流為Izmax 。,方程1,1-40,令輸入電壓降到下限時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流為Izmin 。

13、,方程2,聯(lián)立方程1、2，可解得：,1-41,二、光電二極管,反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。,1-42,三、發(fā)光二極管,有正向電流流過(guò)時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見(jiàn)波段的光，它的電特性與一般二極管類(lèi)似。,1-43,四、其他特殊二極管,常見(jiàn)的特殊二極管除了前面介紹的穩(wěn)壓二極管、整流二極管、光電二極管、發(fā)光二極管以外，利用二極管的某些參數(shù)隨電壓的變化還可以制成變?nèi)荻O管、變阻二極管、激光二極管、開(kāi)關(guān)二極管等。,1-44,1.3.1 基本結(jié)構(gòu),基極,發(fā)射極,集電極,NPN型,PNP型,1.3 半導(dǎo)體三極管,1-45,基區(qū)：較薄，摻雜濃度低,集電區(qū)：面積較大,發(fā)射區(qū)：摻

14、雜濃度較高,1-46,發(fā)射結(jié),集電結(jié),1-47,1.3.2 電流放大原理,EB,RB,EC,進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE ，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。,發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。,1-48,EB,RB,EC,集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。,從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。,1-49,IB=IBE-ICBOIBE,1-50,IE=IB+IC=IBE+ICE,ICE與IBE之比稱(chēng)為電流放大倍數(shù),注意：要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。,1-51,NPN型三極管,PNP型三極管,1-

15、52,1.3.3 特性曲線(xiàn),IC,V,UCE,UBE,RB,IB,EC,EB,實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路,1-53,一、輸入特性曲線(xiàn),工作壓降： 硅管UBE0.60.7V,鍺管UBE0.20.3V。,死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。,1-54,二、輸出特性曲線(xiàn),IC(mA ),此區(qū)域滿(mǎn)足IC=IB稱(chēng)為線(xiàn)性區(qū)（放大區(qū)）。,當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時(shí)，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。,1-55,此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IBIC，UCE0.3V稱(chēng)為飽和區(qū)。,1-56,此區(qū)域中 : IB=0, IC=ICEO, UBE 死區(qū)電壓，稱(chēng)為截止區(qū)。,1-57,輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):,放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反

16、偏。 即： IC=IB , 且 IC = IB,(2) 飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。 即：UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V,(3) 截止區(qū)： UBE 死區(qū)電壓， IB=0 ， IC=ICEO 0,1-58,注意：輸出特性曲線(xiàn)上表明有三極管的工作三個(gè)區(qū)，但三極管的狀態(tài)卻有放大、飽和、截止和倒置四個(gè)。,例1： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k， 當(dāng)USB = -2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？,1-59,解：由于 =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k,（1）當(dāng)USB =-2V時(shí)：,IB=0 ， IC=0,首先計(jì)算

17、最大飽和電流IC ：,Q位于截止區(qū),1-60,即IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大區(qū)。,（2）當(dāng)USB =2V時(shí)：,1-61,（3）當(dāng)USB =5V時(shí):,Q 位于飽和區(qū)，此時(shí)IC 和IB 已不是 倍的關(guān)系。,1-62,三、主要參數(shù),前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點(diǎn)，稱(chēng)為共射接法，相應(yīng)地還有共基、共集接法。,共射直流電流放大倍數(shù)：,工作于動(dòng)態(tài)的三極管，真正的信號(hào)是疊加在直流上的交流信號(hào)。基極電流的變化量為IB，相應(yīng)的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數(shù)為：,1. 電流放大倍數(shù)和 ,1-63,例如：UCE=6V時(shí)：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB =

18、 60 A, IC =2.3 mA。,在以后的計(jì)算中，一般作近似處理： =,1-64,2.集-基極反向截止電流ICBO,ICBO是集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。,1-65,B,E,C,N,N,P,ICBO進(jìn)入N區(qū)，形成IBE。,根據(jù)放大關(guān)系，由于IBE的存在，必有電流IBE。,集電結(jié)反偏有ICBO,3. 集-射極反向截止電流ICEO,ICEO受溫度影響很大，當(dāng)溫度上升時(shí)，ICEO增加很快，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。,1-66,4.集電極最大電流ICM,集電極電流IC上升會(huì)導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為ICM。,5.集

19、-射極反向擊穿電壓,當(dāng)集-射極之間的電壓UCE超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)，三極管就會(huì)被擊穿。手冊(cè)上給出的數(shù)值是25C、基極開(kāi)路時(shí)的擊穿電壓U(BR)CEO。,1-67,6. 集電極最大允許功耗PCM,集電極電流IC 流過(guò)三極管， 所發(fā)出的焦耳 熱為：,PC =ICUCE,必定導(dǎo)致結(jié)溫 上升，所以PC 有限制。,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作區(qū),1-68,場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，且輸入阻抗高、溫度穩(wěn)定性好。,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET,絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS,場(chǎng)效應(yīng)管有兩種:,1.4 場(chǎng)效應(yīng)晶體管,1-69,N,基底 ：N型半導(dǎo)體,兩邊是P區(qū),G(柵極),S源極,D漏極,一、結(jié)構(gòu),1

20、.4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管:,導(dǎo)電溝道,1-70,N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,1-71,P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,1-72,二、工作原理（以P溝道為例）,UDS=0V時(shí),PN結(jié)反偏，UGS越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。,1-73,ID,UDS=0V時(shí),UGS越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。,但當(dāng)UGS較小時(shí)，耗盡區(qū)寬度有限，存在導(dǎo)電溝道。DS間相當(dāng)于線(xiàn)性電阻。,1-74,P,G,S,D,UDS,UGS,UDS=0時(shí),UGS達(dá)到一定值時(shí)（夾斷電壓VP）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時(shí)，即使UDS 0V，漏極電流ID=0A。,ID,1-75,UGS0、UGDVP時(shí)耗盡區(qū)的形狀,越靠近漏端，PN結(jié)反壓越大,ID,1-76,UGSVp且UDS較大時(shí)UGDVP時(shí)耗盡區(qū)的形狀,溝道中仍是電阻特性，但是是非線(xiàn)性電阻。,ID,1-77,UGSVp UGD=VP時(shí),漏端的溝道被夾斷，稱(chēng)為予夾斷。,UDS增大則被夾斷區(qū)向下延伸。,ID,1-78,UGSVp UGD=VP時(shí),此時(shí)，電流ID由未被夾斷區(qū)域中的載流子形成，基本不隨UDS的增加而增加，呈恒流特性。,ID,1-79,三、特性曲線(xiàn),飽和漏極電流,夾斷電壓,轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn) 一定UDS下的ID-UGS曲線(xiàn),1-80,ID,U DS