常用半导体器件--ppt课件.ppt

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第一章常用半导体器件第一章常用器件半导体金属惰性气体硅、锗444小易大二者之间不易二者之间半导体1.1.1本征半导体1.1半导体基础知识纯净的晶体结构的半导体无杂质半导体硅和锗的最外层电子(价电子)都是四个。结构特点通过一定的工艺过程,可将其制成晶体。即为本征半导体Intrinsicsemiconductor本征半导体的结构示意图形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定结构。共用电子常温下价电子很难脱离共价键成为自由电子导电能力很弱Shareelectron4444热和光的作用自由电子空穴一些价电子获得足够的能量而脱离共价键束缚电子空穴对本征激发(热激发)带正电带负电游离的部分自由电子也可能回到空穴中去,称为复合Intrisicexcitation4444在其它力的作用下,空穴吸引附近的电子来填补,这样的结果相当于空穴的迁移。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。本征半导体的两种载流子温度越高,载流子的浓度越高,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。本征半导体中电流由两部分组成1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。在本征半导体中掺入少量合适的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。1.1.2杂质半导体N型半导体磷原子多余电子掺入少量的五价元素磷(或锑)取代,形成共价键多出一个电子磷原子成为不能移动的正离子施主原子ImpuritysemiconductorN型半导体中的载流子是什么1、由施主原子提供的电子,浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。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)。Negative空位硼原子空穴P型半导体掺入少量的三价元素硼(或铟)取代,形成共价键产生一个空位吸引束缚电子来填补受主原子硼原子成为不能移动的负离子空穴是多子,电子是少子Positive3、杂质半导体的示意表示法P型半导体N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。小结4、P型半导体中空穴是多子,自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子,空穴是少子。5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。2、在一定温度下,本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对,故其有一定的导电能力。3、本征半导体的导电能力主要由温度决定;杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。一、PN结的形成利用掺杂工艺,将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面处就形成了PN结。1.1.3PN结N型半导体P型半导体PN结物质因浓度差会产生扩散运动N区自由电子浓度远高于P区。P区空穴浓度远高于N区。自由电子空穴空间电荷区,也称耗尽层。扩散的结果是产生空间电荷区。内电场E-在电场力作用下,载流子产生的运动称为漂移运动自由电子空穴最终扩散和漂移这一对相反的运动达到平衡,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。多子的扩散运动空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散总结因浓度差由杂质离子形成空间电荷区达到平衡,空间电荷区宽度固定不变二、PN结的单向导电性PN结正向偏置PN_外加电源将使扩散运动源源不断的进行,形成正向电流,PN结导通forwardbiasPN结反向偏置NP_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。PN结截止REReversebiasPN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流;由此可以得出结论PN结具有单向导电性。PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流,PN结截止。总结Unilateralconductivity三、PN结VCR方程PN结两端的外电压u与流过PN结的电流i之间的关系UT温度电压当量,kTq,一般取值为26mv;k为玻耳曼常数T为热力学温度q为电子电荷量IS反向饱和电流ABC四、PN结的电容效应1.势垒电容PN结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生变化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放电相同,其等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容PN结外加的正向电压变化时,在扩散过程中载流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的过程,其等效电容称为扩散电容Cd。结电容结电容不是常量若PN结外加电压频率高到一定程度,则失去单向导电性barriercapacityDiffusedcapacity1.2半导体二极管阴极引线阳极引线semiconductordiode1.2.1半导体二极管的结构类型按结构分类点接触型面接触型平面型1点接触型二极管PN结面积小不能通过较大的电流结电容小工作频率高适用于高频电路和小功率整流2面接触型二极管PN结面积大能通过较大的电流结电容大能在低频下工作一般仅作为整流管使用合金法PN结面积可大可小视结面积的大小用于大功率整流和开关电路中二极管的电路符号阳极阴极二端无源元件3平面型二极管扩散法半导体二极管图片1.2.2半导体二极管的伏安特性曲线二极管近似分析时1二极管和PN结伏安特性的区别二极管存在半导体体电阻和引线电阻二极管表面漏电流单向导电性几点说明二极管的正向特性u00uUonUon开启电压正向电流为零uUon开始出现正向电流,并按指数规律增长。二极管的反向特性u0UBRu0反向电流很小uUBR反向电流急剧增加反向饱和电流反向击穿电压基本不随反向电压的变化而变化二极管发生击穿2不同材料二极管伏安特性的区别uVi锗材料硅材料硅材料PN结平衡时的耗尽层电势比锗材料的大0.51.0硅管0.60.8V导通压降硅管0.1A反向饱和电流-10A锗管0.10.3V锗管几十A3温度对二极管伏安特性的影响ui8020正向区温度升高,曲线左移反向区温度升高,曲线下移1.2.3半导体二极管的参数二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管工作时允许外加的最大反向电压1最大整流电流IF与PN结结面积和散热条件有关2最高反向工作电压UR通常为击穿电压UBR的一半3反向电流IR二极管未被击穿时的反向电流一般是指最大反向工作电压下的反向电流值。反向电流越小越好。UR1.2.4二极管的等效电路二极管是非线性器件,由二极管构成电路是非线性电路。分析困难用线性元件构成的电路来近似模拟二极管的特性二极管的等效电路多种等效电路,根据应用要求进行选择反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。rduDiDIDUDuDiDrd与工作状态有关二极管的微变等效电路Q2Q11.微变等效电路1.微变等效电路2.由伏安特性折线化得到的等效电路正向压降为0反向电流为0正向压降为U反向电流为0直线斜率为1rd反向电流为0UUUrd理想二极管U例1电路如图所示,试判断二极管是导通还是截止,并求出AO两端电压UAO设二极管是理想的。解假设不成立,所以D导通,相当于导线,UAO-6VBCVB-6VVC-12V假设二极管不导通例2电路如图所示,试判断二极管是导通还是截止,并求出AO两端电压UAO设二极管是理想的。解D1导通,短路D2截止,断路UAO0V假设二极管不导通VB-12VBCVC-15VDVD0V例3电路如图所示,设ui6sintV,试绘出输出电压uo的波形,设D为理想二极管。解ui3VD截止uouiui3VD导通uo3V单向限幅AB假设二极管不导通VA3VVBui例4电路如图所示,设ui6sintV,试绘出输出电压uo的波形,设D为理想二极管。解ui3VD1导通、D2截止uo3Vui-2VD1截止、D2导通uo-2Vui3V-2VD1截止D2截止uoui双向限幅ABCVA3VVB-2VVCui练习二极管开关电路如图所示,求输出电压VO的值。设D为硅二极管,导通压降为0.7V。解D1导通,D2截止,VO0.700.7V共阳极,阴极谁低谁导通共阴极,阳极谁低谁导通例6电路如图所示,设ui6sintV,试绘出输出电压uo的波形,设D为硅二极管,导通压降为0.7V。解ui3.7VD截止uouiui3.7VD导通uo3.7VVAuiVB3.7V例7电路如图所示,设ui6sintV,试绘出输出电压uo的波形,设D为硅二极管,开启电压Uon0.5V,电阻rd200。解ui3.5VD截止uouiui3.5VD导通uo0.53ui-0.5-38002002000.2ui2.8BAVAuiVB3.5V1.2.5稳压二极管稳压二极管是硅材料制成的面接触型晶体二极管。ui曲线越陡,电压越稳定。UZ1、稳压管的伏安特性uUZ时作用同二极管u增加到UZ时,稳压管击穿aVoltage-regulationdiode2、稳压管的主要参数规定的稳压管反向工作电流IZ下,所对应的反向工作电压。1稳定电压UZ稳压管低于此值稳压情况变坏,常记作IZmin2稳定电流IZ工作在稳压区时,端电压变化量与其电流变化量之比3动态电阻rZrZUZIZ4额定功耗PZMPZMUZIZmax最大稳定电流5温度系数表示温度每变化1稳压值的变化量例1电路如图所示,设ui6sintV,试绘出输出电压uo的波形。设DZ为硅稳压二极管,稳定电压为5V正向导通压降忽略不计。解ui-3VD导通uo-3Vui-3VD截止uoui2V2VuiD反向击穿uo2VABVBuiVA-3V例2稳压管的稳定电UZ6V最小稳定电流IZmin5mA最大稳定电流IZmax25mA负载电阻RL600。求限流电阻R的取值范围。解UOUZ6VILUORL66000.01A10mA当IDZIZmin5mA时IRIDZIL51015mARUI-UOIR10-61510-3227当IDZIZmax25mA时IR251035mA10-63510-3114R1142271.3晶体三极管管中有两种不同极性的载流子参与导电,所以又称做双极型晶体管由两个PN结组合而成,是一种CCCS器件BJTCrystaltriode较薄,掺杂浓度低面积很大掺杂浓度很高集电结发射结NPN型PNN发射区集电区基区基极b发射极e集电极c1.3.1晶体管的结构及类型emitterbasecollector我国晶体管的型号命名方法3AX81以NPN型三极管为例讨论三极管若实现放大,必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。不具备放大作用1.3.2晶体管的电流放大作用三极管内部结构要求NNPebc1.发射区高掺杂。2.基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米,而且掺杂较少。外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态,而集电结处于反向偏置状态。3.集电结面积大。三极管放大的外部条件VBB共射放大电路电流单位mA3537.538.338.839.5一、晶体管内部载流子的运动少数载流子的运动发射区多子浓度高,大量电子从发射区扩散到基区基区薄且多子浓度低,极少数扩散到基区的电子与空穴复合集电区面积大,在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散二、晶体管的电流分配关系扩散运动形成发射极电流IE复合运动形成基极电流IB漂移运动形成集电极电流ICIEICIBIEIENIEPICNIBNIEPICICNICBO三、晶体管的共射电流放大系数共射直流电流放大系数共射交流电流放大系数不太大时,可认为一、输入特性曲线为什么UCE增大曲线右移对于小功率晶体管,UCE大于1V的任何一条输入特性曲线可以近似UCE大于1V的所有曲线。为什么像PN结的伏安特性为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了1.3.3晶体管的共射特性曲线对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。为什么uCE较小时iC随uCE变化很大二、输出特性曲线为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线输出特性曲线可以分为三个区域iB0,iC0截止区饱和区放大区截止区发射结电压小于开启电压集电结反偏uBEUon且uCEuBE晶体管C、E之间相当于开路放大区输出特性曲线可以分为三个区域放大区发射结正偏集电结反偏uBEUon且uCEuBE曲线基本平行等距。输出曲线具有恒流特性饱和区输出特性曲线可以分为三个区域饱和区发射结正偏集电结正偏uBEUon且uCEuBEiC不仅与iB有关,而且明显随uCE的增大而增大uCEuBE临界状态直流参数、交流参数、极限参数一、直流参数1.共射直流电流放大系数2.共基直流电流放大系数3.集电极基极间反向饱和电流ICBO集电极发射极间的穿透电流ICEO1.3.4晶体管的主要参数二、交流参数1.共发射极交流电流放大系数iCiBUCEconst2.共基极交流电流放大系数iCiEUCBconst3.特征频率fT值下降到1的信号频率1.最大集电极耗散功率PCMPCMiCuCE三、极限参数2.最大集电极电流ICM3.极间反向击穿电压UCBO发射极开路时的集电结反向击穿电压。UEBO集电极开路时发射结的反向击穿电压。UCEO基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。由PCM、ICM和UCEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。PCMiCuCEUCEOUCEVICM1.3.5温度对晶体管特性及参数的影响一、温度对ICBO的影响温度每升高10C,ICBO增加约一倍。反之,当温度降低时ICBO减少。二、温度对输入特性的影响温度升高时正向特性左移,反之右移三、温度对输出特性的影响温度升高将导致IC增大温度对输出特性的影响例1现已测得某电路中几只NPN型晶体管三个极的直流电位如表所示,各晶体管b-e间开启电压Uon均为0.5V。试说明每个管子的工作状态。例2某放大电路中的三极管如图。已知IA-2mAIB-0.04mAIC2.04mA试判断管脚、管型。解电流判断法。电流的正方向和KCL。IEIBICABCIAIBICC为发射极B为基极A为集电极。管型为NPN管。例3判断图所示电路中的晶体管是否有可能工作在放大状态。VE-6VVBVE有可能NPNVE0VB0即VBVE不可能PNP1.4场效应管利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流FieldEffectTransistor简称FETBJT(三极管)电流控制元件iBiC工作时,多数载流子和少数载流子都参与运行,所以被称为双极型器件。工作时,只有一种载流子(多子)参与导电,因此它是单极型器件。特点输入电阻极高,噪声低,热稳定性好,抗辐射能力强,耗电省,集成工艺简单。应用大规模、超大规模集成电路。N沟道N沟道耗尽型N沟道增强型P沟道分类绝缘栅型场效应管结型场效应管P沟道P沟道栅极gNN型半导体为基底高掺杂的P型半导体导电沟道耗尽层1.4.1结型场效应管JunctionFieldEffectTransistor结构符号1.4.1结型场效应管JunctionFieldEffectTransistor结构在漏极和源极之间加上一个正向电压,N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的,称N沟道结型场效应管。P沟道场效应管P沟道结型场效应管结构图在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区N,导电沟道为P型,多数载流子为空穴。一、结型场效应管工作原理N沟道结型场效应管用改变uGS大小来控制漏极电流iD的。VCCS在栅极和源极之间加反向电压,耗尽层会变宽,导电沟道宽度减小,使沟道本身的电阻值增大,漏极电流iD减小。1.当uDS0时,uGS对导电沟道的控制作用耗尽层很窄,导电沟道很宽耗尽层逐渐加宽,导电沟道相应变窄。耗尽层闭合,导电沟道被夹断。UGSoff为夹断电压,为负值。一、结型场效应管工作原理uGDUGSoffR2.uGS为UGSoff0中一固定值时uDS对漏极电流iD的影响。导电沟道由uGS确定,iD0buDS由零逐渐增加iD随uDS的增大而线性增大,d-s呈现电阻特性;导电沟道从s极到d极逐渐变宽iD决定于uDSuGDuGS-uDS漏极一边的耗尽层出现夹断区,称uGDUGSoff为预夹断夹断区加长,iD几乎仅决定于uGS,表现出恒流特性uDSuGDiD决定于uGS3.当uGDUGSoff时uGS对漏极电流iD的控制作用场效应管为电压控制元件VCCS。3.当uGDUGSoff时uGS对漏极电流iD的控制作用在uGDuGSoff,且为一常量时,对应于确定的uGS,就有确定的iD。uDS的增大,几乎全部用来克服沟道的电阻,iD几乎不变,进入恒流区,iD几乎仅仅决定于uGS。1在uGDuGSoff情况下对应于不同的uGS,d-s间等效成2当uDS使uGDuGSoff时,d-s之间预夹断3当uGDuGSoff时,iD几乎仅仅决定于uGS,而与uDS无关。此时可把iD近似看成uGS控制的电流源。小结不同阻值的电阻。1.输出特性曲线恒流区可变电阻区场效应管三个工作区可变电阻区、恒流区和夹断区。夹断区击穿区uGDuGSoffuGDuGSoffuGSuGSoffuGDuGSoff二、结型场效应管的特性曲线夹断电压iD几乎仅决定于uGSuGS控制d-s的等效电阻2.转移特性恒流区两个重要参数饱和漏极电流IDSSuGS0时的iD夹断电压UGSoffiD0时的UGS代替恒流区的所有曲线结型P沟道的特性曲线转移特性曲线输出特性曲线由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管,或简称MOS场效应管。特点输入电阻可达1010有资料介绍可达1014)以上。N沟道增强型1.4.2绝缘栅型场效应管MOSFETN沟道耗尽型dDrain漏极,相当cgGate栅极,相当bsSource源极,相当eBSubstrate衬底一、N沟道增强型MOS管N沟道增强型MOS管拓扑结构左右对称,是在一块浓度较低的P型硅上生成一层SiO2薄膜绝缘层,然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区,从N型区引出电极作为d和s,在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为g。1.结构2.工作原理auGS0时,漏源之间相当两个背靠背的二极管,在d、s之间加上电压,不管uDS极性如何,其中总有一个PN结反向,所以不存在导电沟道。uGS0,iD0uGS必须大于0管子才能工作。(1)栅源电压uGS的控制作用(b)当栅极加有电压时,若0uGSUGSth(UGSth称为开启电压时在Sio2介质中产生一个垂直于半导体表面的电场,排斥P区多子空穴而吸引少子电子。但由于电场强度有限,吸引到绝缘层的少子电子数量有限,不足以形成沟道,将漏极和源极沟通,所以不可能以形成漏极电流ID。0uGSUGSth,ID0c进一步增加uGS,当uGSUGSth由于此时的栅极电压已经比较强,栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子,将漏极和源极沟通,形成沟道。如果此时uDS0,就可以形成漏极电流iD。在栅极下方导电沟道中的电子,因与P型区的载流子空穴极性相反,故称为反型层。随着uGS的继续增加,反型层变厚,iD增加。uGS0g吸引电子反型层导电沟道uGS反型层变厚uDSiD(2)漏源电压uDS对漏极电流iD的控制作用(a)若uGSUGSth且固定为某一值uDSuDGuGSuGDuGSuGDuGSuDSuDS为0或较小时,uGDuGSuDSUGSth,此时uDS基本均匀降落在沟道中,沟道呈斜线分布。这时iD随uDS增大。uDSiDuDSuGS-UGSth(b)当uDS增加到使uGDUGSthuDSuGS-UGSth靠近漏极的沟道被夹断,这相当于uDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况,称为预夹断。uDSiD不变(c)当uDS增加到uGDUGSth预夹断区域加长,向s极延伸。uDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上,iD基本趋于不变uDSuGS-UGSthuGS为大于UGSth的某一值时uDS对iD的影响可变电阻区预夹断恒流区a转移特性曲线UGSUT,iD0;UGSUT,形成导电沟道,随着UGS的增加,iD逐渐增大。三个区可变电阻区、恒流区、夹断区。b输出特性3.特性曲线(N沟道增强型MOS管)工作条件UDS0;UGS正、负、零均可N沟道耗尽型MOS场效应管三个区可变电阻区、恒流区、夹断区。各类场效应管的符号和特性曲线1.4.3场效应管的主要参数一、直流参数饱和漏极电流IDSS2.夹断电压UGSoff3.开启电压UT或UGSth4.直流输入电阻RGS结型场效应管一般在107以上,绝缘栅场效应管一般大于109。二、交流参数1.低频跨导gm2.极间电容用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用单位iD毫安mA;uGS伏V;gm毫西门子mS极间电容愈小,则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。三、极限参数3.漏极最大允许耗散功率PDM2.漏源击穿电压UBRDS4.栅源击穿电压UBRGS由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。正常工作时,栅源间PN结处于反偏状态,若UGSUBRGS,PN将被击穿1.最大漏极电流IDM第一章半导体器件晶体管场效应管结构NPN型、PNP型结型耗尽型N沟道P沟道绝缘栅增强型N沟道P沟道绝缘栅耗尽型N沟道P沟道c与e一般不可倒置使用d与s有的型号可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子运动输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源CCCS电压控制电流源VCCSgm1.4.4场效应管与晶体管的比较
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