华大半导体181页PPT基础知识培训——常用半导体器件讲解.ppt
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1、(1-1), 1.1 半导体基础知识, 1.2 半导体二极管, 1.3 双极型三极管, 1.5 单结晶体管和晶闸管, 1.4 场效应管,第一章 常用半导体器件, 1.6 集成电路中的元器件,(1-2),1.1.1 导体、半导体和绝缘体,自然界中很容易导电的物质称为导体,金属一般都是导体。,有的物质几乎不导电,称为绝缘体,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间,称为半导体,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,1.1 半导体基础知识,(1-3),半导体的导电机理不同于其它物质,所以它具有不同于其它物质的特点。比如:热敏性、光敏性、掺杂性。,当受外界热和光的作用
2、时,它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使它的导电能力明显改变。,(1-4),1.1.2 本征半导体,现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个。,(1-5),通过一定的工艺过程,可以将半导体制成晶体。,完全纯净的、结构完整的半导体晶体,称为本征半导体。,在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组成晶体点阵,每个原子都处在正四面体的中心,而四个其它原子位于四面体的顶点,每个原子与其相临的原子之间形成共价键,共用一对价电子。,(1-6),硅和锗的晶体结构,(1-7),本征半导体的导电机理,本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即自由电子和空穴。,温度越
3、高,载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强,温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素,这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,(1-8),在其它力的作用下,空穴吸引临近的电子来填补,这样的结果 相当于空穴的迁 移,而空穴的迁 移相当于正电荷 的移动,因此可 以认为空穴是载 流子。,本征半导体的导电机理,(1-9),硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,(1-10),共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为束缚电子,常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价
4、键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定结构。,共价键有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体。,(1-11),本征半导体的导电机理,在绝对0度(T=0K)和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着,本征半导体中没有可以运动的带电粒子(即载流子),它的导电能力为0,相当于绝缘体。,在常温下,由于热激发,使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚,成为自由电子,同时共价键上留下一个空位,称为空穴。,(1-12),本征半导体的导电机理,自由电子,空穴,束缚电子,(1-13),1.1.3 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。,其原因是掺杂半导体的某种
5、载流子浓度大大增加。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体(电子半导体),使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体(空穴半导体)。,(1-14),N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,磷原子的最外层有五个价电子,其中四个与相临的半导体原子形成共价键,必定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚,很容易被激发而成为自由电子,这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子,称为施主原子。,(1-15),N型半导体,多余电子,磷原子,(1-16),N型半导体,N型半导体中的载流子是什么?,1、由施主原子提供的电子,浓度
6、与施主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以,自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子(多子),空穴称为少数载流子(少子)。,(1-17),P型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如硼(或铟),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,硼原子的最外层有三个价电子,与相临的半导体原子形成共价键时,产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补,使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子,所以称为受主原子。,(1-18),空穴,P型半导体,硼原子,(1-19),总 结,1、N型半导体中电子是多子,其中大部分是掺杂提
7、供的电子,本征半导体中受激产生的电子只占少数。 N型半导体中空穴是少子,少子的迁移也能形成电流,由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,2、P型半导体中空穴是多子,电子是少子。,(1-20),杂质半导体的示意表示法,(1-21),一. PN 结的形成,在同一片半导体基片上,分别制造P型半导体和N型半导体,经过载流子的扩散,在它们的交界面处就形成了PN结。,1.1.3 PN结,(1-22),P型半导体,N型半导体,空间电荷区,PN结处载流子的运动,(1-23),扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,空间电荷区越宽。,内电场越强,就使漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。
8、,(1-24),所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡,相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚度固定不变。,(1-25),空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,(1-26),1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子(都是多子)向对方运动(扩散运动)。,3、P中的电子和N中的空穴(都是少子),数量有限,因此由它们形成的电流很小。,请注意,(1-27),二. PN结的单向导电性,PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是: P区加正、N区加负电压。,PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是: P区加负、N区加正电压。,(1-28),PN结正向偏置,P,
9、N,+,_,内电场被削弱, 多子的扩散加强 能够形成较大的 扩散电流。,(1-29),PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强,多子的扩散受抑制。少子漂移加强,但少子数量有限,只能形成较小的反向电流。,(1-30),(1-31),三. PN结的电流方程,( 1.1.2 ),( 1.1.3 ),(1-32),四. PN结的伏安特性,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),(1-33),五. PN结的电容效应,二极管的两极之间有电容,此电容由两部分组成:势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒区是积累空间电荷的区域,当电
10、压变化时,就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化,这样所表现出的电容是势垒电容。,(1-34),(a) 势垒电容CB,势垒电容示意图,(1-35),(b) 扩散电容CD,扩散电容示意图,(1-36),为了形成正向电流(扩散电流),注入P区的少子(电子)在P区有浓度差,越靠近PN结浓度越大,即在P区有电子的积累。同理,在N区有空穴的积累。正向电流大,积累的电荷多。,这样所产生的电容就是扩散电容CD。,(1-37),CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时,载流子很少,扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路:,势垒电容和扩散电容的综合效应,(1-38),1.2.1 半导体二极管的结构,
11、在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、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。,(1-39),点接触结构,PN结加上管壳和引线,就成为半导体二极管。,点接触型,(1-40),(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造艺中。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,(1-41),面接触型,(1-42),半导体二极管图片,1.2 半导体二极管,(1-43),(1-44),end,(1-45),1
12、.2.2 二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正向特性,反向特性,反向击穿特性,(1-46),温度对伏安特性的影响,U,( 1.1.2 ),(1-47),1.2.3 二极管的主要参数,(1) 最大整流电流IF,(2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM,(3) 反向电流IR,(4) 最高工作频率 fM,(1-48),补充参数: (电信专业),(5)最大整流电流 IOM,二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。 注意与IF的关系,(6) 正向压降VF,(7) 极间电容CB、 CD,(1-49),1.2.4 二极管的等效电路,能够用简单、理想的模型来模拟电子 器
13、件的复杂特性或行为的电路称为等效电路, 也称为等效模型。,能够模拟二极管特性的电路称为二极管的 等效电路,也称为二极管的等效模型。,(1-50),1. 理想模型,3. 折线模型,2. 恒压降模型,一、由伏安特性折线化得到的等效电路,(1-51),小信号模型,二极管工作在正向特性的某一小范围内时,其正向特性可以等效成一个微变电阻。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下(T=300K),二、 二极管的 微变等效电路,(1-52),应用举例补充,1. 二极管的静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,(硅二极管典型值),折线模型,(硅二极管典型值),设,(1-53),例 VREF =2.8V Vi
14、=6sin100tV,2. 限幅电路,end,应用举例补充,(1-54),uo,应用举例补充,3. 脉冲识别电路,请同学自己分析教科书 例 1.2.1,(1-55),1.2.5 稳压二极管,1. 稳压管的伏安特性,(a)符号,(b) 伏安特性,(1-56),(1) 稳定电压VZ,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。,(3)额定功耗 PZM 功率高于此值时,二极管会因结温升高 而损坏。,(2)稳定电流 IZ : IZmax 电流高于此值时,二极管会损坏 Izmin 电流低于此值时,稳压性能变坏,2. 稳压二极管主要参数,(1-57),(4) 动态电阻rZ,rZ =VZ /IZ
15、,(5) 温度系数VZ,(1-58),稳压二极管,U,UZ,IZ,稳压误差,曲线越陡,电压越稳定。,-,(1-59),稳压二极管应用,3. 稳压电路,正常稳压时 VO =VZ,# 稳压条件是什么?,# 不加R可以吗?,# 上述电路VI为正弦波,且幅值大于VZ , VO的波形是怎样的?,同学自己计算例 1.2.2,(1-60),光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,其它类型二极管,(1-61),发光二极管,有正向电流流过时,发出一定波长范围的光,目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光,它的电特性与一般二极管类似。,(1-62),例 1.2.3 已知发光二极管导通电压UD=1.6V, 正
16、向电流为520mA时发光。,发光二极管说明: 1、正向压降UD不再是0.6V; 2、发光主要受电流控制,电流选择要适中 (一般手册会给出),(1-63),作业:,1.1 1.4 1.11,(1-64),半导体三极管的结构示意图如图03.1.01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,1.3 双极型三极管,(1-65),1.3.1 结构特点:, 发射区的掺杂浓度最高;, 集电区掺杂浓度低于
17、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,(1-66),三极管的两种基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型(最常用),(1-67),PNP型,(1-68),基区:较薄,掺杂浓度低,集电区:面积较大,发射区:掺 杂浓度较高,(1-69),IB=IBE-ICBOIBE,3,(1-70),发射结,集电结,(1-71),1. 内部载流子的传输过程,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下,通过载流子传输体现出来的。 外部条件:发射结正偏,集电结反偏。,发射区:发射载流子 集电区:收集载流子 基区: 传送和控制 载流子 (以NPN为例),1.3.2
18、晶体管的电流放大作用,(1-72),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)。,(1-73),电流放大原理,EB,RB,Ec,发射结正偏,发射区电子不断向基区扩散,形成发射极电流IE。,1,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合,形成电流IBE ,多数扩散到集电结。,(1-74),EB,RB,Ec,集电结反偏,有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子,漂移进入集电结而被收集,形成ICE。,2,(1-75),2. 电流分配关系,根据传输过程可知,IC= InC+ IC
19、BO,IB= IB - ICBO,通常 IC ICBO,IE=IB+ IC,载流子的传输过程,(1-76),根据,IE=IB+ IC,IC= InC+ ICBO,且令,2. 电流分配关系,(1-77),3. 三极管的三种组态,共集电极接法,集电极作为公共电极,用CC表示;,共基极接法,基极作为公共电极,用CB表示。,共发射极接法,发射极作为公共电极,用CE表示;,BJT的三种组态,(1-78),vI = 20mV,设,若,则,电压放大倍数,iB = 20 uA,vO = -iC RL = -0.98 V,, = 0.98,使,4. 放大作用 共射,(1-79),放大作用 共基 (电信常用),若
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