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,4,4,=4,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,Shareelectron,+4,+4,+4,+4,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,Intrisicexcitation,+4,+4,+4,+4,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,Impuritysemiconductor,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,Positive,（3）、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,P,N,+,_,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,forwardbias,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。

PN结截止,R,E,Reversebias,PN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，=kT/q，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,A,B,C,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！

barriercapacity,Diffusedcapacity,1.2半导体二极管,阴极引线,阳极引线,semiconductordiode,1.2.1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,u0,0uUon,Uon,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,u0,U（BR）u0,反向电流很小,uU（BR）,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,u/V,i,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,0.5,1.0,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A,（3）温度对二极管伏安特性的影响,u,i,80,20,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U（BR）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。

UR,1.2.4二极管的等效电路,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。

rd=uD/iD,ID,UD,uD,iD,rd与工作状态有关,二极管的微变等效电路,Q2,Q1,1.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1/rd,反向电流为0,U,U,U,rd,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=-6V,B,C,VB=-6V,VC=-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,UAO=0V,假设二极管不导通,VB=-12V,B,C,VC=-15V,D,VD=0V,例3电路如图所示，设ui=6sintV，试绘出输出电压uo的波形，设D为理想二极管。

解：

ui3V,D截止,uo=ui,ui3V,D导通,uo=3V,单向限幅,A,B,假设二极管不导通,VA=3V,VB=ui,例4电路如图所示，设ui=6sintV，试绘出输出电压uo的波形，设D为理想二极管。

解：

ui3V,D1导通、,D2截止,uo=3V,ui-2V,D1截止、,D2导通,uo=-2V,ui3V,-2V,D1截止,D2截止,uo=ui,双向限幅,A,B,C,VA=3V,VB=-2V,VC=ui,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，,VO=0.7,+0,=0.7V,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ui=6sintV，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：

ui3.7V,D截止,uo=ui,ui3.7V,D导通,uo=3.7V,VA=ui,VB=3.7V,例7电路如图所示，设ui=6sintV，试绘出输出电压uo的波形，设D为硅二极管，开启电压Uon=0.5V，电阻rd=200。

解：

ui3.5V,D截止,uo=ui,ui3.5V,D导通,uo=,0.5,+3,ui,-0.5,-3,800,+200,200,=0.2ui+2.8,B,A,VA=ui,VB=3.5V,1.2.5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。

u,i,曲线越陡，电压越稳定。

UZ,1、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,（a）,Voltage-regulationdiode,2、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IZmin,

（2）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rZ,rZ=UZ/IZ,（4）额定功耗PZM,PZM=UZIZmax,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ui=6sintV，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-3V,D导通,uo=-3V,ui-3V,D截止,uo=ui,2V,2Vui,D反向击穿,uo=2V,A,B,VB=ui,VA=-3V,例2稳压管的稳定电UZ=6V,最小稳定电流IZmin=5mA,最大稳定电流IZmax=25mA,负载电阻RL=600。

求限流电阻R的取值范围。

解：

UO=UZ,=6V,IL=,UO,RL,6,600,=0.01A,=10mA,当IDZ=IZmin=5mA时,IR=IDZ+IL,=5+10,=15mA,R=,UI,-UO,IR,10,-6,15,10-3,=227,当IDZ=IZmax=25mA时,IR=,25+10,=35mA,10,-6,35,10-3,=114,R=114227,1.3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,BJT,Crystaltriode,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,P,N,N,发射区,集电区,基区,基极b,发射极e,集电极c,1.3.1晶体管的结构及类型,emitter,base,collector,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：

N,N,P,e,b,c,1.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：

mA,35,37.5,38.3,38.8,39.5,一、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IC,IE=IC+IB,IE=IEN+IEP=ICN+IBN+IEP,IC=ICN+ICBO,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:

iB=0，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uCEuBE,iC不仅与iB有关，而且明显随uCE的增大而增大,uCE=uBE,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ICEO,1.3.4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=iC/iBUCE=const,2.共基极交流电流放大系数=iC/iEUCB=const,3.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PCM,PCM=iCuCE,三、极限参数,2.最大集电极电流ICM,3.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。

PCM=iCuCE,UCEO,UCE/V,ICM,1.3.5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-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。

解：

电流判断法。

电流的正方向和KCL。

IE=IB+IC,A,B,C,IA,IB,IC,C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=-6V,VBVE,有可能,NPN,VE=0,VB0,即VBVE,不可能,PNP,1.4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FET,BJT,（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g,N,N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uDS=0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。

UGS（off）为夹断电压，为负值。

一、结型场效应管工作原理,uGD=UGS（off）？

R,2.uGS为UGS（off）0中一固定值时,uDS对漏极电流iD的影响。

导电沟道由uGS确定，iD=0,（b）uDS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uDS,uGD=uGS-uDS,漏极一边的耗尽层出现夹断区，称uGD=UGS（off）为预夹断,夹断区加长，iD几乎仅决定于uGS，表现出恒流特性,uDS,uGD,iD决定于uGS,3.当uGDUGS（off）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uGDUGS（off）时,uGS对漏极电流iD的控制作用,在uGDuGS（off），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uGDuGS（off）情况下,对应于不同的uGS，d-s间等效成,

（2）当uDS使uGDuGS（off）时，d-s之间预夹断,（3）当uGDuGS（off）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,uGDuGS（off）,uGDuGS（off）,uGSuGS（off）,uGD=uGS（off）,二、结型场效应管的特性曲线,夹断电压,iD几乎仅决定于uGS,uGS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IDSS（uGS=0时的iD）,夹断电压UGS（off）（iD=0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MOSFET,N沟道耗尽型,d（Drain）:

漏极，相当cg（Gate）:

栅极，相当bs（Source）:

源极，相当eB（Substrate）:

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,（a）uGS=0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。

uGS=0，iD=0uGS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0uGSUGS（th）（UGS（th）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。

0uGSUGS（th），ID=0,（c）进一步增加uGS，当uGSUGS（th）:

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uGSUGS（th）且固定为某一值:

uDS=uDGuGS=uGDuGSuGD=uGSuDSuDS为0或较小时，uGD=uGSuDSUGS（th），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。

uDSiD,uDSuGS-UGS（th）,（b）当uDS增加到使uGD=UGS（th）：

uDS=uGS-UGS（th）,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uGDUGS（th）：

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-UGS（th）,uGS为大于UGS（th）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，iD=0；,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IDSS,2.夹断电压UGS（off）,3.开启电压UT或UGS（th）,4.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gm,2.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PDM,2.漏源击穿电压U（BR）DS,4.栅源击穿电压U（BR）GS,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UGSU（BR）GS，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,