1-半导体基础知识

null第一章 常用半导体器件第一章 常用半导体器件第一章 半导体二极管和三极管第一章 半导体二极管和三极管§1.1 半导体基础知识§1.2 半导体二极管§1.3 晶体三极管§1 半导体基础知识§1 半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结的形成及其单向导电性四、PN结的电容效应一、本征半导体一、本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？ 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。null晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。2、本征半导体的结构2、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。null价电子 价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴 温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。null本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。null二 N型半导体和 P 型半导体 掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子 在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。 在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。动画null 掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。掺入三价元素 在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。null 1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。abc 4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流） banull三 PN结的形成 载流子的两种运动——扩散运动和漂移运动 扩散运动：电中性的半导体中，载流子从浓 度高的区域向浓度较低区域的运动。 漂移运动：在电场作用下，载流子有规则的 定向运动。PN结的形成PN结的形成多子的扩散运动少子的漂移运动浓度差P 型半导体N 型半导体 内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。 扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称 PN 结 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。动画形成空间电荷区 PN结的单向导电性 PN结的单向导电性 1. PN 结加正向电压（正向偏置）PN 结变窄 P接正、N接负 IF 内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。 PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。动画2. PN 结加反向电压（反向偏置）2. PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正 2. PN 结加反向电压（反向偏置）2. PN 结加反向电压（反向偏置）PN 结变宽 内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IR P接负、N接正 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。动画 PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。二极管的单向导电性二极管的单向导电性1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。 4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。四、PN 结的电容效应四、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，在扩散路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！问题问题为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？ 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？ §2 半导体二极管§2 半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数五、稳压二极管 一、二极管的组成 一、二极管的组成将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压 二极管发光 二极管一、二极管的组成 一、二极管的组成 (a) 点接触型(b)面接触型 结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。 结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。null图 1 – 12 半导体二极管的结构和符号 二极管的结构示意图 二、二极管的伏安特性及电流方程 二、二极管的伏安特性及电流方程开启电压反向饱和电流击穿电压温度的 电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性2. 伏安特性受温度影响T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑，U(BR) ↓ T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线增大1倍/10℃三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路理想 二极管近似分析中最常用导通时△i与△u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！1. 将伏安特性折线化100V？5V？1V？2. 微变等效电路2. 微变等效电路Q越高，rd越小。 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号作用静态电流四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数最大整流电流IF：最大平均值 最大反向工作电压UR：最大瞬时值 反向电流 IR：即IS 最高工作频率fM：因PN结有电容效应二极管电路及其分析方法二极管电路及其分析方法 简单的二极管电路如图所示，由二极管、电阻和电压源组成，其分析方法一般有两种： 图解法、模型法（等效电路法）。1.模型分析法1.模型分析法把二极管导通时正向电压降为零，反向电流也为零的情况称为理想二极管（1）理想二极管null(2) 二极管的大信号模型： 根据二极管伏安特性，可把它分成导通和截止两种状态。大信号模型大信号模型所以二极管导通时，其上的电压和流过它的电流 可表示为：一般硅二极管正向导通压降为0.6V~0.8V 锗二极管正向导通压降为0.1V~0.3V 以0.7或0.2计算将引入10%的误差。但如果V足够大，则VD实际引入的误差并不大。小信号模型小信号模型2.二极管的微变等效电路2.二极管的微变等效电路图示电路可分为A、B两部分。A部分的电压与电流关系：VD=V - IR B部分的电压与电流关系就是二极管的伏安特性。在二极管的伏安特性上画出VD=V - IR ，如图所示：最后得出二极管两端的电压VD和流过二极管的 电流I，如图所示。二极管的微变等效电路二极管的微变等效电路 若在Q点基础上外加微小的变化量，则可以用以Q点为切点的直线来近似微小的变化时的曲线。如图所示 二极管的微变等效电路将二极管等效成一个动态电阻利用二极管的电流方程可以求出null1.静态分析例：求VDD=10V时，二极管的 电流ID、电压VD 值。解：1. 理想模型正向偏置时： 管压降为0，电阻也为0。 反向偏置时： 电流为0，电阻为∞。2. 恒压降模型3. 实际模型当iD≥1mA时， vD=0.7V。3.限幅电路3.限幅电路Vi> VR时，二极管导通，vo=vi。Vi< VR时，二极管截止， vo=VR。例：理想二极管电路中 vi= Vm sinωt V，求输出波形v0解：3.开关电路3.开关电路利用二极管的单向导电性可作为电子开关0V 0V导通 导通导通 截止截止 导通截止 截止0V 5V5V 0V5V 5V0V0V0V5V例：求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。解：null4. 利用单向导电性构成全波整流电路 不管输入信号处于正或负半周，负载上得到的都是正向电压。例： 理想二极管电路中 vi=V m sinωt V，求输出波形v0。例： 理想二极管电路中 vi=V m sinωt V，求输出波形v0。Vi>V1时，D1导通、D2截止，Vo=V1。Vi 3.6V时，二极管导通，vo=3.6V。Vi< 3.6V时，二极管截止， vo=Vi。五 稳压管五 稳压管1. 符号 UZIZIZM UZ IZ2. 伏安特性 稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻 稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。null3. 主要参数(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2) 电压温度系数ｕ 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3) 动态电阻(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。 工程实际使用中，常常忽略动态电阻rZ (4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin 最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZ＜IZmin则不能稳压。null半导体PN结共价键中的电子在光子的轰击下。很容易脱离共价键而成为自由电子。因此可以用PN结构成光敏二极管。光敏二极管的反向电流与光照度成正比。用感光灵敏度来衡量。典型值为：0.1μA/LxUOR+ --10 -8 -6 -4 -2 0Ip/μA-50200Lx400LX光照伏安特性六 其它类型的二极管1、光电二极管null1、材料和结构：发光二极管由砷化镓、磷化镓等半导体材料组成。由于电子空穴的复合产生发光能量。是一种电变成光的能量转换器件。电路中常用做指示或显示及光信息传送。单个发光 二极管七段显示发光二极管2、发光二极管（LED）　§1.3 双极型三极管§1.3 双极型三极管半导体三极管的结构 三极管内部的电流分配与控制 三极管的共射极特性曲线 半导体三极管的参数 温度对对三极管特性及参数的影响 光电三极管1.3.1 半导体三极管的结构1.3.1 半导体三极管的结构 双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。 它有两种类型:NPN型和PNP型。e-b间的PN结称为发射结(Je) c-b间的PN结称为集电结(Jc) 中间部分称为基区，连上电极称为基极， 用B或b表示（Base）； 一侧称为发射区，电极称为发射极， 用E或e表示（Emitter）； 另一侧称为集电区和集电极， 用C或c表示（Collector）。双极型三极管的符号中， 发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。半导体三极管的结构半导体三极管的结构 从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。1.3.2 三极管内部的电流分配与控制1.3.2 三极管内部的电流分配与控制 双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。 若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压，如图所示。 现以 NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系。电流分配电流分配 在发射结正偏，集电结反偏条件下，三极管中载流子的运动：(1)发射区向基区注入电子：在VBB作用下，发射区向基区注入电子形成IEN，基区空穴向发射区扩散形成IEP。 IEN >> IEP方向相同电流分配电流分配(2) 电子在基区复合和扩散 由发射区注入基区的电子继续向集电结扩散，扩散过程中少部分电子与基区空穴复合形成电流IBN。由于基区薄且浓度低，所以IBN较小。(3) 集电结收集电子 由于集电结反偏，所以基区中扩散到集电结边缘的电子在电场作用下漂移过集电结，到达集电区，形成电流ICN。电流分配电流分配(4) 集电极的反向电流 集电结收集到的电子包括两部分： 发射区扩散到基区的电子——ICN 基区的少数载流子——ICBO电流分配电流分配 IE= IEN+ IEP 且有IEN>>IEP IEN=ICN+ IBN 且有IEN>> IBN ，ICN>>IBN IC=ICN+ ICBO IB=IEP+ IBN－ICBOIE =IC+IB三极管各电极的电流关系三极管各电极的电流关系 (1)三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见下图 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；三极管的电流放大系数三极管的电流放大系数(1.3.9)三极管的电流放大系数通常用共基极直流电流放大系数衡量上述关系, 用α来表示, 其定义为 三极管的电流放大系数通常 IC >> ICBO三极管的电流放大系数三极管的三个极的电流满足节点电流定律, 即三极管的电流放大系数经过整理后得 1.3.3 三极管的共射极特性曲线1.3.3 三极管的共射极特性曲线 输入特性曲线—— iB=f(vBE) vCE=const 输出特性曲线—— iC=f(vCE) iB=const共发射极接法三极管的特性曲线：这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。 iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E两电极取出。 1.输入特性曲线 1.输入特性曲线VCE一定时，iB与vBE之间的变化关系： 由于受集电结电压的影响， 输入特性与一个单独的PN结 的伏安特性曲线有所不同。 在讨论输入特性曲线时，设 vCE=const(常数)。(1)VCE=0时：b、e间加正向 电压， JC和JE都正偏， JC没有吸引电子的能力。 所以其特性相当于两个二 极管并联PN结的特性。 VCE=0V： 两个PN结并联输入特性曲线输入特性曲线(2) VCE>1V时，b、e间加正向电压，这时JE正偏， JC反偏。发射区注入到基区的载流子绝大部分被JC收集，只有小部分与基区多子形成电流IB。所以在相同的VBE下，IB要比VCE=0V时小。 VCE>1V： iB比VCE=0V时小(3) VCE介于0~1V之间时， JC反偏不够，吸引电子的能力不够强。随着VCE的增加，吸引电子的能力逐渐增强，iB逐渐减小，曲线向右移动。 0 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 对半导体三极管的命名如下: 3 D G 110 B 第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管附： 三极管应用附： 三极管应用Vi=5V时，IB=(5-0.7)/10K=0.43mA ICS=10V/5K=2mA< IB=22mA 三极管饱和，VO=0V; Vi=0V时，三极管截止, VO=10V。例如：三极管用作可控开关 (=50)null 测量三极管三个电极对地电位，试判断三极管的工作状态。放大Vc>Vb>Ve放大Vc 0，在栅源间加负电源 VGG，观察 UDS 变化时耗尽层和漏极 ID 。UGS = 0，UGD >UP ，ID 较大。 UGS < 0，UGD >UP ，ID 更小。　　注意：当 UDS > 0 时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)设：UGD = UGS -UDS nullUGS < 0,UGD = UP, 预夹断UGS <0 ,UGD UT)　　导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID 。b. UDS= UGS – UT， UGD = UT　　靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。c. UDS > UGS – UT， UGD < UT　　由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，ID 因而基本不变。a. UDS < UGS – UT ，即 UGD = UGS – UDS > UTnull图 1.4.11　UDS 对导电沟道的影响(a) UGD > UT(b) UGD = UT(c) UGD < UT在UDS > UGS – UT时，对应于不同的uGS就有一个确定的iD 。 此时， 可以把iD近似看成是uGS控制的电流源(VCCS)。null3. 特性曲线(a)转移特性(b)漏极特性UGS < UT ，ID = 0；　　UGS ≥ UT，形成导电沟道，随着 UGS 的增加，ID 逐渐增大。(当 UGS > UT 时)　　三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。图 1.4.12 (a)图 1.4.12 (b)null二、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管　　制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使 UGS = 0 也会形成 N 型导电沟道。++++++++++++　　UGS = 0，UDS > 0，产生较大的漏极电流；　　UGS < 0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，ID 减小；　　UGS = - UP , 感应电荷被“耗尽”，ID  0。UP 称为夹断电压图 1.4.13nullN 沟道耗尽型 MOS 管特性工作条件： UDS > 0； UGS 正、负、零均可。图 1.4.15　N沟道耗尽型MOS 管的符号图 1.4.14　特性曲线null表 1-2　各类场效应管的符号和特性曲线nullnull1.4.3　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 UP3. 开启电压 UT4. 直流输入电阻 RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。　　输入电阻很高。结型场效应管一般在 107  以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 109 。null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) 这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 CGS、CGD、CDS。 极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。null三、极限参数1. 漏极最大允许耗散功率 PDM2. 漏源击穿电压 U(BR)DS3. 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 。 场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若UGS > U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。