第1章-常用半导体器件.ppt
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1、第1章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 场效应管,1.1 半导体基础知识,在自然界中存在着许多不同的物质,根据其导电性能的不同大体可分为导体、 绝缘体和半导体三大类。,将很难导电、电阻率大于1010cm的物质,称为绝缘体。 例如:塑料、橡胶、陶瓷等材料;,将很容易导电、 电阻率小于10-4cm的物质,称为导体。 例如:铜、铝、银等金属材料;,将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在10-3109cm范围内的物质,称为半导体。 常用的半导体材料:硅(Si)和锗(Ge)。,半导体的热敏特性、光敏特性和掺杂特性:,热敏特性:纯净的半导体硅,
2、当温度从30升高到40时,电阻率减小一半; 而从30到100时,铜的电阻率减少不到一半。 掺杂特性:纯净硅在室温时的电阻率为 2.14105cm,如果在纯净硅中掺入百万分之一浓度的磷原子,此时硅的纯度仍可高达99.9999,但它的电阻率却下降到 0.2cm,几乎减少到原来的百万分之一。,利用半导体的热敏特性和光敏特性可制作各种热敏元件和光敏元件,利用掺杂特性制成的PN结是各种半导体器件的主要组成部分。,1.1.1 本征半导体,纯净的单晶半导体称为本征半导体,即不含任何杂质,结构完整的半导体。 1 本征半导体的晶体结构 常用的半导体材料硅(Si)和锗(Ge)的原子序数分别为14和32,它们的原子
3、结构如图1-1(a)和(b)所示。,图 1-1 硅和锗的原子结构模型 (a) 硅; (b) 锗; (c) 原子简化模型,硅和锗都是晶体,晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵称为晶格。整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶。 硅和锗的单晶体即为本征半导体。,图 1-2 硅和锗晶体共价键结构示意图,2 本征半导体中的两种载流子 在绝对零度(T=-273或T=0 K)下,本征半导体中的每个价电子都被束缚在共价键中,不存在自由运动的电子,本征半导体相当于绝缘体。,在室温下(T=27或T=300 K),本征半导体中一部分价电子因受热而获得足够的能量挣脱共价键的束缚成为自由电子,与此同时,在该共价键上
4、留下了空位,这个空位称为空穴。,由于本征半导体在室温下每产生一个自由电子必然会有一个空穴出现,即电子与空穴成对产生,称之为电子-空穴对。 通常将运载电荷的粒子称为载流子。 这种由于本征半导体受热而产生电子-空穴对的现象称为本征激发。,本征半导体导电依靠两种载流子-自由电子和空穴,可把空穴看成带正电的粒子,在外加电场作用下可以自由的在晶体中运动,也是一种载流子。 有些自由电子和空穴在运动中相遇,空穴又被自由电子填入,电子空穴成对消失,这种现象称为复合。,3 热平衡载流子的浓度 在本征半导体中不断地进行着激发与复合两种相反的过程, 当温度一定时,两种状态达到动态平衡,即本征激发产生的电子-空穴对,
5、与复合的电子-空穴对数目相等,这种状态称为热平衡状态。 半导体中自由电子和空穴的多少分别用浓度(单位体积中载流子的数目)ni和pi来表示。 热平衡状态下的本征半导体:其载流子的浓度是一定的,并且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。,式中:浓度单位为cm-3, K是常量(硅为3.881016 cm-3K-3/2,锗为1.761016cm-3K-3/2), T为热力学温度, k是玻尔兹曼常数(8.6310-5 eV/K), Eg0是T = 0 K(即-273)时的禁带宽度(硅为1.21eV,锗为0.785eV)。,(1-1),本征半导体的载流子浓度和温度、 材料有关。 尽管本征半导体在室温情况下具有一
6、定的导电能力,但是,载流子的数目远小于原子数目,因此本征半导体的导电能力是很低的。,1.1.2 杂质半导体,利用半导体的掺杂特性,人为的在本征半导体中掺入少量的其他元素,可以使本征半导体的导电性能发生显著的变化。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。 根据掺入的杂质不同,杂质半导体可分为N(Negative)型半导体和P(Positive)型半导体。,1 N型半导体 在纯净的单晶体硅中,掺入微量的五价杂质元素,如磷、砷、锑等,使原来晶格中的某些硅原子被杂质原子所取代,便构成N型半导体。 自由电子:多数载流子(多子) 空 穴:少数载流子(少子) 施主原子:杂质原子,图 1-4 N型半导体结构示意图,2
7、P型半导体 在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素,如硼、镓、铟等,便构成P型半导体。 在P型半导体中,由于掺入的是三价杂质元素, 使空穴浓度远大于自由电子浓度, 空 穴:多数载流子(多子) 自由电子:少数载流子(少子) 受主原子:杂质原子,图 1-5 P型半导体结构示意图,1.1.3 PN结 半导体器件的核心是PN结。 半导体二极管是:单个PN结; 半导体三极管具有:两个PN结; 场效应管的基本结构也是:PN结。,单纯的P型或N型半导体,仅仅是导电能力增强了,因此它还不是电子线路中所需要的半导体器件。 若在一块本征半导体上,两边掺入不同的杂质,使一边成为P型半导体,另一边成为N型半导体,则在
8、两种半导体的交界面附近形成一层很薄的特殊导电层PN结。 PN结是构成各种半导体器件的基础。,1、PN结的形成,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低,产生内电场。,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同,达到动态平衡,就形成了PN结。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子,形成内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,1、PN结的形成,PN结形成过程
9、动画演示,当多子的扩散运动和少子的漂移运动达到动态平衡时,由多子扩散运动所形成的扩散电流和少子的漂移运动所形成的漂移电流相等,且两者方向相反,此时,空间电荷区(又称耗尽层、阻挡层)宽度一定,PN结电流为零。 在动态平衡时,由内电场产生的电位差称为内建电位差Uho, 如图1-6(c)所示。 处于室温时,锗的Uho0.20.3 V,硅的Uho0.50.7 V。,对称PN结: P型区和N型区的掺杂浓度相等时,正离子区与负离子区的宽度也相等;,不对称PN结:当两边掺杂浓度不等时,浓度高的一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧;,P型区掺杂浓度大于N型区的称为P+N结; N型区掺杂浓度大于P型区的称为N+P结
10、。,2PN结的单向导电性 1) 正向特性,促进扩散, 阻止漂移, 形成正向电流,为两种 多子电流和。外接R 起限流作用,2)反向特性,阻止扩散, 促进漂移, 形成反向 电流,数值 很小,又称 反向饱和电流。,由于少数载流子是由本征激发产生的,其浓度很低,因此反向电流数值很小。 在一定的温度下,当外加反向电压超过某个数值(约为零点几伏)后,反向电流将不再随着外加反向电压的增加而增大,故又称为反向饱和电流(Reverse Saturation Current),用IS表示。,PN结正向偏置时,结电阻很小,回路中产生一个较大的正向电流, PN结呈导通状态; PN结反向偏置时,结电阻很大, 回路中的反
11、向电流很小,几乎接近于零,PN结呈截止状态。 所以,PN结具有单向导电性。,3)伏安特性 根据理论分析,PN结两端的电压U和流过PN结的电流I之间的关系为:,(1-2),式中, IS 为反向饱和电流; UT 为温度电压当量,UT=kT/q,其中: k为玻尔兹曼常数(即为1.3810-23 J/K), q为电子电荷(约为1.610-19C), T为PN结的绝对温度。 对于室温T=300K来说,UT26mV。若UUT,则可得下列近似式:,即I随U按指数规律变化;当PN结外加反向电压(U为负),且|U|UT时,eU/UT0,则I-IS。即反向电流与反向电压大小无关。 PN结的反向饱和电流IS一般很小
12、(硅PN结:毫微安量级,锗PN结:微安量级),所以PN结反向特性曲线几乎接近于横坐标。 I与U的关系曲线如图1-9所示。,3 PN结的击穿特性 如前所述,当PN结外加反向电压时,流过PN结的反向电流很小,但是当反向电压不断增大,超过某一电压值时,反向电流将急剧增加,这种现象称为PN结的反向击穿(Reverse Breakdown)。 反向电流急剧增加时所对应的反向电压U(BR)称为反向击穿电压。,图 1-10 PN结的击穿特性,PN结产生反向击穿的原因有以下两种: 1)雪崩击穿:掺杂浓度较低的PN结中,连锁反应,造成载流子急剧增多, 使反向电流“滚雪球”般骤增。雪崩击穿的击穿电压较高,其值随掺
13、杂浓度的降低而增大。 空间电荷区变宽内电场加强飘移运动加速动能加大共价键价电子碰撞 产生电子-空穴对电场加速碰撞其他中性原子产生新的电子空穴对。,2)齐纳击穿:PN结两边的掺杂浓度很高时,只要加上不大的反向电压(如4V以下),阻挡层就可能获得2106V/cm以上的电场强度,该场强足以直接破坏共价键,把价电子从共价键中拉出来,齐纳击穿的反向击穿电压较低,且随着掺杂浓度的增高而减小。,通常情况下,反向击穿电压在7V以上属于雪崩击穿,4V以下属于齐纳击穿,在47V之间的击穿则两种情况都有。无论哪种击穿,只要PN结不因电流过大而产生过热损坏,当反向电压降到击穿电压以下(均指绝对值)时,其性能又可恢复到
14、击穿前的情况。,4 PN结的温度特性 由式(1-2)可知,PN结电流的大小与UT和IS有关,而UT和IS均为温度的函数,所以PN结的伏安特性与温度有关。 实验证明,在室温下,温度每升高1,在同一正向电流下,PN结正向压降减小22.5 mV;温度每升高10,反向饱和电流大约增加 1 倍。所以当温度升高时,PN结的正向特性曲线向左移动,反向特性曲线向下移动。 此外, PN结的反向击穿特性也与温度有关。理论分析表明, 雪崩击穿电压随温度升高而增大,具有正的温度系数;齐纳击穿电压随温度的升高而降低,具有负的温度系数。,5 PN结的电容特性 实践证明,PN结的单向导电性仅在直流或外加电压变化非常缓慢的情
15、况下才是正确的。当外加电压变化很快时, PN结的单向导电性就不完全成立, 其主要原因是PN结的电容效应。在PN结内部由于载流子运动所产生的电容效应主要有势垒电容和扩散电容。,1) 势垒电容Cb(Barrier Capacitance) 当PN结外加正向电压时,空间电荷区变窄,电荷量变小; 当PN结外加反向电压时,空间电荷区变宽,电荷量增加。 随着外加电压U的变化,空间电荷区出现电荷的堆积和消散,与之相应的电荷量Q也随着发生变化,如同电容的充电和放电一样,称此为势垒电容Cb。,势垒电容的大小可用下式表示:,(1-4),势垒电容的大小: 与PN结的结面积S成正比, 与空间电荷区的宽度l成反比, 为
16、半导体材料的介电系数。 由于空间电荷区的宽度l随外加电压U的变化而变化,因此势垒电容是一种非线性电容。,2)扩散电容Cd(Diffusion Capacitance) PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。当PN结处于正向偏置时,P区的多子(空穴)扩散到N区,成为N区中的少子,N区中的多子(自由电子)扩散到P区,成为P区中的少子,这种不是靠热激发而存在的少子称为非平衡少子。当外加正向电压一定时,靠近空间电荷区边界的中性区非平衡少子浓度高,远离边界的中性区非平衡少子浓度低。当外加的正向电压增加时,扩散到中性区的非平衡少子浓度相应增大,相应的电荷量随之增大; 当外加正向电压减小时,非平衡少子浓度
17、降低,电荷量减小。这种随着外加正向电压的增大或减小而引起的非平衡少子电荷量变化的电容效应,称为扩散电容Cd。,PN结的结电容Cj (Junction Capacitance)为势垒电容Cb和扩散电容Cd之和,即,正偏时,Cb Cd ,Cj主要由Cb决定。,(1-5),1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的结构和符号 将一个PN结用管壳封装起来,在两端加上电极引线就构成了二极管。,面结型: 整流管,点触型: 高频检波和小功率整流,平面型: 大功率整流管或开关管,按制作工艺型:,1.2.2 二极管的伏安特性 二极管的基本结构就是一个PN结,因此二极管具有和PN结相同的特性。 但是,由于管
18、子存在电中性区的体电阻和引线电阻等,在外加正向电压相同的情况下,二极管的正向电流要小于PN结的电流,大电流时更为明显; 当外加反向电压时,由于二极管表面漏电流的存在,使反向电流增大。 尽管如此,一般情况下仍用PN结的伏安特性方程式(1-2)来描述二极管的电压和电流关系。,1.2.3 二极管的主要参数 器件的参数是器件特性的定量描述,也是合理选择和安全运用器件的依据。 各种器件的参数可由手册查得。 常用的二极管主要参数有:,(1) 最大整流电流IF:二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。,(4) 最高工作频率fM :它是指二极管正常工作时的上限频率。 超过此值,由于二极管结电容的作用,二极
19、管的单向导电性将遭到破坏。,(2) 最大反向工作电压UR :当二极管的反向电压超过最大反向工作电压UR时,管子可能会因反向击穿而损坏。 通常:UR为二极管反向击穿电压U(BR)的一半。,(3) 反向电流IR :管子未击穿时的反向电流。 此值越小,二极管的单向导电性越好,随着温度的增加,反向电流会急剧增加,使用时要注意温度的影响。,1.2.4 二极管的等效模型 二极管是一种非线性器件,二极管电路的严格分析一般要采用非线性电路的分析方法。 这里主要介绍等效电路分析法。有的等效电路模型较简单,便于近似估算。为了便于分析,在一定的条件下,可用线性模型来代替二极管,模型称为二极管的等效模型(或等效电路)
20、。根据二极管的伏安特性,对应于不同的应用场合,可建立不同的等效模型。 所谓“等效”,是指在一定的条件下,在电路中如果两个电路具有相同的外部效果,即它们在相同的外部连接时,从外部看进去相应的电压,电流完全一样,则称这两个电路是等效的。,图 1-14 理想模型 (a) U-I特性; (b) 代表符号,1. 理想模型,图 1-15 恒压降模型 (a) U-I特性; (b) 代表符号,Uon=0.7V,2恒压降模型,3 折线模型 图中二极管正向压降大于Uon后,用一斜线来描述电压和电流的关系,斜线的斜率为实际二极管特性曲线的斜率1/rD,rD=U/I。因此等效模型为一理想二极管和恒压源Uth及正向电阻
21、rD相串联。,图 1-16 折线模型 (a) U-I 特性; (b) 代表符号,Uth=0.5V,4 微变等效模型 二极管对应微变量所呈现的作用如同一个线性电阻的作用, 故可将二极管等效为一个动态电阻rd,且rd=UD/ID,称为二极管的微变等效电路。,图1-17 二极管的微变等效模型 (a) U-I特性; (b) 代表符号,动态电阻rd还可利用二极管的电流方程求得:,取ID对UD的微分,得微变电导:,则,在室温(T=300K)时:,(1-6),式中, ID为静态工作点Q的电流。,例1:设简单二极管基本电路如下图所示,R=10K,rD=200,求电路的ID和UD的值。 (1)UDD=10V(2
22、)UDD=1V。 在每种条件下,应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。,注意:上述各种等效电路模型都是在不同的条件下得出的。在使用时,可根据实际情况选择合适的一种,不能乱用。,(1) UDD=10V 使用理想模型: UD=0V, ID=UDD/R=10V/10K=1mA 使用恒压降模型: UD=0.7V, ID=(UDD-UD)/R=(10V-0.7V)/10K=0.93mA 使用折线模型: ID=(UDD-Uon)/(R+rD)=(10V-0.7V)/(10K+0.2K)=0.912mA UD=Uon+IDrD=0.7+0.912mA0.2K=0.88V (2) UDD=1V 使用理想模型
23、: UD=0V, ID=UDD/R=1V/10K=0.1mA 使用恒压降模型: UD=0.7V, ID=(UDD-UD)/R=(1V-0.7V)/10K=0.03mA 使用折线模型: ID=(UDD-Uon)/(R+rD)=(1V-0.7V)/(10K+0.2K)=0.03mA UD=Uon+IDrD=0.7+0.03mA0.2K=0.71V,例2 由二极管组成的开关电路如图1-18所示,判断图中二极管是导通还是截止,并确定电路的输出电压Uo(设二极管是理想二极管)。,1.2.5 稳压二极管 稳压二极管又称齐纳二极管,简称稳压管,它是一种用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管。 1 稳压管的伏
24、安特性,2 稳压管的主要参数 (1)稳定电压UZ:稳压管反向击穿后的稳定电压值。 (2)稳定电流IDZ:稳压管正常工作时的参考电流。,(3)额定功耗PZM:稳压管允许的最大稳定电流IZM(或记作IZmax)和稳定电压UZ的乘积。 稳压管的功耗超过此值,会因结温过高而烧毁。 (4)动态电阻rz: 稳压管工作在稳压区时,其端电压变化量与端电流变化量之比,即rz=UZ/IDZ。 rz越小,稳压性能越好。 对于同一个稳压管,工作电流越大,rz越小。,(5)温度系数:温度每变化1所引起的稳定电压的变化量,即=UZ/T。 通常稳定电压低于4V的稳压管具有负温度系数(属于齐纳击穿),即温度升高时,稳定电压值
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