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 半导体的基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极性晶体管 1.4 场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管,1.1 半导体的基础知识,1.1.1 半导体材料,1.1.2 半导体的共价键结构,1.1.3 本征半导体,1.1.4 杂质半导体,1.1.1 半导体材料,自然界物质按导电能力分类: 导体:导电能力最强,电解液,碳,金属,金属元素价电子数少于4个 绝缘体:导电能力最弱,橡胶,石英,价电子数8个 半导体:导电能力介于二者之间,价电子数4个,常用的半导体材料有:,元素半导体:硅(Si)、锗(Ge) 化合物半导体:砷化镓(GaAs),1.1.2 半导体材料硅(Si
2、 )锗( Ge)的原子结构与共价键,外层电子(价电子)数4个,价电子受原子核的束缚力最小,决定其化学性质,1.1.3 本征半导体、空穴、及其导电作用,本征半导体:完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度:99.9999999%,“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。 本征半导体的特征: T=0K 且无外界激发,只有束缚电子,没有自由电子,本征半导体相当于绝缘体;T=300K,本征激发,少量束缚电子摆脱共价键成为自由电子。,共价键内的电子 称为束缚电子,挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子,本征半导体,半导体导电的两个方面,自由电子的运动 束缚电子的运动,与金属导电相比,金属导电只有自由电子的运动
3、,因为金属没有共价键,而半导体有共价键,所以有两个方面的导电特性。,空 穴,直接描述束缚电子的运动不太方便,我们用假想的(自然界不存在的)、带正电的、与束缚电子反方向运动的那么一种粒子来描述束缚电子的运动比较方便,这种粒子起名叫做“空穴”。,半导体中的载流子,自由电子 空穴(束缚电子),本征半导体中的自由电子和空穴成对出现,本征半导体的特性: (1)热敏特性(2)光敏特性(3)搀杂特性,三种方式都可使本征半导体中的载流子数目增加,导电能力增强,但是并不是当做导体来使用,因为与导体相比,导电能力还差得远。,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高,在本征半导体硅或锗中掺入
4、微量杂质,如三价元素硼或铟,则空穴浓度大大增加,空穴成为多子而电子为少子,这样就形成空穴型半导体,即P型半导体,掺入微量杂质,如五价元素磷或砷,形成电子型半导体,也称N型半导体,1.1.4 杂质半导体,一、 N型半导体,+5,+5,在本征半导体中掺入五价元素,自由电子是多子(杂质、热激发),空穴是少子 (热激发),由于五价元素很容易贡献电子,因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子,代表符号,二、P型半导体,+3,+3,在本征半导体中掺入三价元素,自由电子是少子(热激发),空穴是多子 (杂质、热激发),因留下的空穴很容易俘获电子,使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称:
5、受主杂质,代表符号,本征半导体、杂质半导体,本节有关概念小结,自由电子、空穴,N型半导体、P型半导体,多数载流子、少数载流子,施主杂质、受主杂质,1.2.1 PN结 1.2.2 半导体二极管 1.2.3 特殊二极管,1.2 半导体二极管,杂质半导体虽然比本征半导体中的载流子数目要多得多,导电能力增强,但是也并不能象导体那样被用来传导电能,而是用来形成PN结。通过控制形成PN结的个数和结构安排,可以构成常用的半导体器件: 1个PN结 : 二极管,单向导电性,开关作用,非线性电阻 2个PN结 : 三极管,电流控制作用,开关作用 3个PN结 : 晶闸管,可控整流,1.2.1 P N 结,PN结的形成
6、,PN结的单向导电性,PN结的反向击穿,PN结的电容效应,P区,N区,浓度差扩散运动(多子),载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流称为扩散电流,内电场漂移运动(少子) 内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动,同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动.,扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡,一、PN结的形成,1. 交界面出现自由电子、空穴的浓度差别,P区,N区,空穴多,自由电子少,空穴少,自由电子多,P区空穴(多子)向N区扩散 N区自由电子(多子)向P区扩散,同时进行,2. 扩散的过程中自由电子和空穴复合,留下不能移动的杂质离子,形成内电场,3. 内电场的出现使少数载流子向对
7、方漂移,N区空穴(少子)向P区漂移 P区自由电子(少子)向N区漂移,同时进行,4. 刚开始,扩散运动大于漂移运动, 最后,扩散运动等于漂移运动,达到动态平衡,内电场阻止多子扩散,因浓度差,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,扩散运动,多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动 扩散运动产生扩散电流,漂移运动,少子向对方漂移,称漂移运动 漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流,PN结内总电流=0。,P N 结,稳定的空间电荷区,又称高阻区,也称耗尽层,1. PN结加正向电压时的导电情况,外电场方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电场。
8、动态平衡被打破。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱,扩散电流加大。 扩散电流远大于漂移电流,可忽略漂移电流的影响。空间电荷区变窄,,P区的电位高于N区的电位,称为加正向电压,简称正偏;,内,外,二、PN结的单向导电性,PN结呈现低阻性,2. PN结加反向电压时的导电情况,外电场与PN结内电场方向相同,增强内电场。 内电场对多子扩散运动阻碍增强,扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。 此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流,可忽略扩散电流。但是漂移电流本身就很小,因为是少子形成的结变宽,P区的电位低于N区的电位,称为加反向电压,简称反偏;,内,外,PN结呈现高阻性,由此可以得出
9、结论:PN结具有单向导电性。,PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散 电流;,PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。,线性电阻具有双向导电性,其中 Is 饱和电流; UT = kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数; T=300k(室温)时 UT= 26mv,由半导体物理可推出:, 当加反向电压时:, 当加正向电压时:,(UUT),PN结两端的电压与 流过PN结电流的关系式,3PN结电流方程,反向击穿,PN结上所加的反向电压达到某一数值时,反向电流激增的现象,雪崩击穿,当反向电压增高时,少子获得能量高速运动,在空间电荷区与原子发生碰撞,产生碰撞电离。形成连锁反应,象
10、雪崩一样,使反向电流激增。,齐纳击穿,当反向电压较大时,强电场直接从共价键中将电子拉出来,形成大量载流子,使反向电流激增。,击穿是可逆。,击穿是可逆。,(不可逆击穿), 热击穿,PN结的电流或电压较大,使PN结耗散功率超过极限值,使结温升高,导致PN结过热而烧毁,三、PN结的反向击穿,1.2.2 半导体二极管,一、半导体二极管的结构,二、二极管的伏安特性,三、二极管的参数,一 半导体二极管的结构,在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管。二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1) 点接触型二极管,PN结面积小,结电容小,用于检波和变频等高频电路。,(3) 平面型二极管,往往用
11、于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大,用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,(4) 二极管的代表符号,1.正向起始部分存在一个死区或门坎,称为门限电压。 硅:Vr=0.5-0.6v; 锗:Vr=0.1-0.2v 2.加反向电压时,反向电流很小 即Is硅(nA)Is锗(A) 硅管比锗管稳定 3.当反压增大VBR时再增加,反向电流激增,发生反向击穿, VBR称为反向击穿电压。,二极管的伏安特性可用下式表示,二、 二极管的伏安特性,当温度升高时特性曲线左移,注意参考方向问题,晶体二极管的电阻,非线性电阻,直流电阻R,(也称静
12、态电阻),交流电阻r,(又称动态电阻或微变电阻),一、直流电阻,定义,二极管两端的直流电压VD与电流ID之比,D,线性电阻的直流电阻和交流电阻相同,二者不等,二、交流电阻r,或,实质是特性曲线静态工作点处的斜率的倒数,交流电导: g=di/dv=ID/VT 交流电阻:r=1/g= VT/ID 室温下:VT=26mv 交流电阻:r=26mv/ ID(mA),晶体二极管的正向交流电阻可由PN结电流方程求出:,由此可得:,晶体二极管的电阻,三、 二极管的参数,(1) 最大整流电流IF:管子长期运行时,允许通过的最大正向平均电流,(2) 反向击穿电压VBR: 最大反向工作电压:VRM= VBR /2,
13、(3) 反向电流IR: VRM作用时的反向电流,(4) 正向压降VF:,(5) 极间电容CB:,1.2.3 特殊二极管,一、稳压二极管,二、光电子器件,1. 光电二极管,2. 发光二极管,1.稳压特性,稳压原理:在反向击穿时,电流在很大范围内变化时,只引起很小的电压变化。,正向部分与普通二极管相同,当反向电压加到一定值时,反 向电流急剧增加,产生反向击穿,一、 稳压二极管,(1) 稳定电压VZ,(2) 动态电阻rZ:愈小稳压性能愈好,在规定的稳压管反向工作电流IZ下,所对应的反向工作电压。,rZ =VZ /IZ,(3)最大耗散功率 PZM,(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流
14、 IZmin,(5)稳定电压温度系数VZ,2.特性参数,稳压管工作时应反接,并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用,以保护稳压管。二是当输入电压或负载电流变化时,通过电阻上压降的变化,取出误差信号以调节稳压管的工作电流,从而起到稳压作用。,3.应用方法,稳压电路,光电二极管是有光照射时会产生电流的二极管。,其结构和普通的二极管基本相同,它利用光电导效应工作,PN结工作在反偏状态,当光照射在PN结上时,束缚电子获得光能变成自由电子,产生电子空穴对,在外电场的作用下形成光电流。,应在反压状态工作,发光二极管是将电能转换成光能的特殊半导体器件,它只有在加正向电压时才发光。,二、 光电子器件,1、光
15、 电 二 极 管,2、发 光 二 极 管,小 结,1、 半导体中有两种载流子:电子和空穴。载流子有两种运动方式:扩散运动和漂移运动。 本征激发使半导体中产生电子-空穴对,但它们的数目很少,并与温度有密切关系。 2、在本征半导体中掺入不同的杂质,可分别形成P型和N型半导体,它们是各种半导体器件的基本材料。 3、PN结是各种半导体器件的基本结构形式,如二极管由一个PN结加引线组成。因此,掌握PN结的特性对于了解和使用各种半导体器件有着十分重要的意义。 PN结的重要特性是单向导电性。,4、为合理选择和正确使用各种半导体器件,必须熟悉它们的参数。这些参数大至可分为两类,一类是性能参数,如稳压管的稳定电
16、压VZ、稳定电流IZ、温度系数等;另一类是极限参数,如二极管的最大整流电流、最高反向工作电压等。必须结合PN结特性及应用电路,逐步领会这些参数的意义。 5、二极管的伏安特性是非线性的,所以它是非线性器件。为分析计算电路方便,在特定条件下,常把二极管的非线性伏安特性进行分段线性化处理,从而得到几种简化的模型,如理想模型、恒压降模型、折线模型和小信号模型。在实际应用中,应根据工作条件选择适当的模型。,小 结,6、对二极管伏安特性曲线中不同区段的利用,可以构成各种不同的应用电路。组成各种应用电路时,关键是外电路(包括外电源、电阻等元件)必须为器件的应用提供必要的工作条件和安全保证。,小 结,重点难点
17、,重点: (1)半导体二极管的V-I特性及主要参数 (2)稳压管工作原理 难点: 两种载流子、PN结的形成、单向导电性。,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下:,附 录,1.3 半导体三极管(BJT),BJT(Bipolar Junction Transistor)是通过一定 工艺,将两个PN结结合在一起的器件。由于两个PN 结之间的相互影响,使BJT表现出不同于单个PN结 的特性而具有电流放大作用,从而使PN结的应用发 生了质的飞跃。,BJT的应用: (1)在模拟电路中作为放大元件 (2)在数字电路中作为开关元件,1个PN结 : 二极管,单向导电性,开关作用,非线性电阻
18、 2个PN结 : 三极管,电流控制作用,开关作用 3个PN结 : 晶闸管,可控整流,1.3.1 BJT的结构简介,1.3.3 BJT的特性曲线,1.3.4 BJT的主要参数,1.3.2 BJT的电流分配与放大,1.3 半导体三极管(BJT),1.3.1 BJT的结构简介,半导体三极管的结构示意图如下图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。 两种类型的三极管,发射结(Je),集电结(Jc),基极,用B或b表示(Base),发射极,用E或e 表示(Emitter);,集电极,用C或c 表示(Collector)。,发射区,集电区,基区,三极管符号,结构特点(对NPN PNP型均适用),发射区的掺
19、杂浓度最高;,集电区掺杂浓度低于发射区,且面积大;,基区很薄,一般在几个微米至几十个微米,且 掺杂浓度最低。,管芯结构剖面图,发射结与集电结,1、要使三极管具有电流放大作用所必须提供的条件:,外部条件:外加直流电压源保证 发射结正偏,集电结反偏。 内部条件: 发射区的掺杂浓度最高; 集电区掺杂浓度低于发射区,且面积大; 基区很薄,一般在几个微米至几十个微米,且掺 杂浓度最低。,1.3.2 BJT的电流分配与放大原理,两个PN结,每个有正偏和反偏两种状态,组合起来,共有4种状态:,发射结正偏,集电结反偏:放大区,在模拟放大电路中使用,发射结正偏,集电结正偏:饱和区,发射结反偏,集电结反偏:截止区
20、,发射结反偏,集电结正偏: 倒置状态,基本上没有什么用处,在数字电路中使用,2、三极管具有电流放大作用时在三极管内部载流子的传输过程(以NPN管为例介绍),载流子的传输过程,(1)发射区向基区注入自由电子(对NPN管子为自由电子,对PNP管子为空穴),发射结正偏,发射区多子向基区扩散,形成发射极电子电流InE,基区多子向发射区扩散,小,可忽略,漂移运动很弱,可忽略,发射极电流IE= InE,(2)自由电子在基区扩散与复合(对NPN管子为自由电子,对PNP管子为空穴),在基区内自由电子继续向集电结方向扩散,一部分与基区空穴复合,形成基极复合电流 IB,绝大部分扩散到集电结边缘,三极管制成后二者分
21、配比例就已经确定,(3)集电区收集从发射区扩散过来的载流子(对NPN管子为自由电子,对PNP管子为空穴),集电结反偏,发射区扩散过来的自由电子向集电区漂移,集电区自身的少子向基区漂移,基区自身的少子向集电区漂移,扩散运动难以进行,形成集电极电子电流Inc,形成反向饱和电流ICBO,集电极电流IC= Inc +ICBO,基极电流IB = IB - ICBO,以上看出,三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电,故称为双极型三极管或BJT (Bipolar Junction Transistor)。,3、 电流分配关系,根据传输过程可知,IC= InC+ ICBO,IB= IB - ICBO,
22、通常 IC ICBO,IE=IB+ IC,(1)共基极直流电流放大系数,(2)共射极直流电流放大系数,综上所述,三极管的放大作用,主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输,然后到达集电极而实现的。 实现这一传输过程的两个条件是: (1)内部条件:发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度,且基区很薄。 (2)外部条件:发射结正向偏置,集电结反向偏置。,BJT的电流分配与放大(称为控制更合适)原理,小结:,1.3.3 BJT的特性曲线,BJT非线性器件,所以电压、电流之间的关系只能用曲线才能描述清楚,从使用三极管的角度看,了解特性曲线比了解内部载流子的运动更重要,所以我们现在作为使用者,而不是制造者,我们
23、要对特性曲线进行更深入的分析,而内部载流子的运动规律可以帮助我们解释为什么特性曲线是这样。,特性曲线的分类,输入特性曲线 输出特性曲线,共射接法特性曲线 共基接法特性曲线 共集接法特性曲线,NPN管特性曲线 PNP管特性曲线,我们只研究NPN共射 特性曲线(输入、输出),规定电压和电流的参考方向如图所示:,注意电压变量、电流变量的写法:小写的字母,大写的下标,iB=f(vBE) vCE=const,iC=f(vCE) iB=const,vCE = 0V,iB=f(vBE) vCE=const,(2) 当vCE1V时, vCB= vCE - vBE0,集电结已进入反偏状态,开始收集电子,基区复合
24、减少,同样的vBE下IB减小,特性曲线右移。,(1) 当vCE=0V时,相当于发射结的正向伏安特性曲线。(饱和区),1、 NPN共射输入特性曲线,截止区,非线性区,线性区(放大区),温度对晶体管特性的影响,NPN共射输入特性曲线的特点描述,(1)当vCE=0V时,相当于正向偏置的两个二极管并联,所以与PN结的正向特性相似 (2) vCE1V的特性曲线比vCE=0V的右移。原因: vCE1V时集电结反偏,集电结吸引自由电子的能力增强,从发射区注入的自由电子更多地流向集电区,对应于相同的vBE (即发射区发射的自由电子数一定) ,流向基极的电流减小,曲线右移 (3) vCE1V与vCE=1V的曲线
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