第八章半导体器件优秀PPT.ppt
第八章半导体器件1第一页，本课件共有64页第一章第一章 半导体器件半导体器件 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 1.2 PN 结及半导体二极管结及半导体二极管 1.3 特殊二极管特殊二极管 1.4 半导体三极管半导体三极管第二页，本课件共有64页1.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属一般，金属一般都是导体。都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮、，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。些硫化物、氧化物等。1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识第三页，本课件共有64页半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不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。例如：同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使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。它的导电能力明显改变。第四页，本课件共有64页1.1.2 本征半导体本征半导体一、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外现代电子学中，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。层电子（价电子）都是四个。第五页，本课件共有64页本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点在硅和锗晶体中，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之间形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：第六页，本课件共有64页硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子第七页，本课件共有64页共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电束缚电子子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子自由电子，因，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体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。的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。排列，形成晶体。+4+4+4+4第八页，本课件共有64页二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时,价电子价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动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（即的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力为），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得在常温下，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，成为足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴第九页，本课件共有64页+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子第十页，本课件共有64页2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由自由电子电子和和空穴空穴。第十一页，本课件共有64页温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导温度越高，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。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：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。自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。第十二页，本课件共有64页1.1.3 杂质半导体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体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。第十三页，本课件共有64页一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或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，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，其中四个与相邻磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，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，称为离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子施主原子。第十四页，本课件共有64页+4+4+5+4多余电子磷原子N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。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。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。第十五页，本课件共有64页二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼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（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，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。第十六页，本课件共有64页三、杂质半导体的示意表示法三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但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由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似。近似认为多子与杂质浓度相等。认为多子与杂质浓度相等。第十七页，本课件共有64页2.1.1 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导型半导体和体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了界面处就形成了PN 结。结。1.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管第十八页，本课件共有64页P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动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。空间电荷区，也称耗尽层。第十九页，本课件共有64页漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E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。第二十页，本课件共有64页+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位VV0第二十一页，本课件共有64页1.1.空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。2.2.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴中的空穴.N区区 中的中的电子（电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散运动扩散运动）。）。3.3.P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少），数），数量有限，因此由它们形成的电流很小。量有限，因此由它们形成的电流很小。注意注意:第二十二页，本课件共有64页2.1.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是：P 区加正、区加正、N 区加负电压。区加负电压。PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是：P区加区加负、负、N 区加正电压。区加正电压。第二十三页，本课件共有64页+RE一、一、PN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。第二十四页，本课件共有64页二、二、PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚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。RE第二十五页，本课件共有64页2.1.3 半导体二极管半导体二极管一、基本结构一、基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型点接触型PN结面接触型面接触型PN二极管的电路符号：二极管的电路符号：第二十六页，本课件共有64页 二、伏安特性二、伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降:硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR第二十七页，本课件共有64页三、主要参数三、主要参数1.最大整流电流最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。向平均电流。2.反向击穿电压反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压压UWRM一般是一般是UBR的一半。的一半。第二十八页，本课件共有64页3.反向电流反向电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。下面介绍两个交流参数。第二十九页，本课件共有64页4.微变电阻微变电阻 rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二极管特性曲线上工作是二极管特性曲线上工作点点Q 附近电压的变化与电附近电压的变化与电流的变化之比：流的变化之比：显然，显然，rD是对是对Q附近的微小变附近的微小变化区域内的电阻。化区域内的电阻。第三十页，本课件共有64页5.二极管的极间电容二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容势垒电容CB和和扩散电容扩散电容CD。势垒电容：势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，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的电容是势垒电容势垒电容。扩散电容：扩散电容：为了形成正向电流（扩散为了形成正向电流（扩散电流），注入电流），注入P 区的少子（电子）在区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近区有浓度差，越靠近PN结浓度结浓度越大，即在越大，即在P 区有电子的积累。同区有电子的积累。同理，在理，在N区有空穴的积累。正向电流区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。大，积累的电荷多。这样所产生的这样所产生的电容就是扩散电容电容就是扩散电容CD。P+-N第三十一页，本课件共有64页CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：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rd第三十二页，本课件共有64页二极管：二极管：死区电压死区电压=0.5V，正向压降，正向压降 0.7V(硅二极管硅二极管)理想理想二极管：二极管：死区电压死区电压=0，正向压降，正向压降=0 RLuiuouiuott二极管的应用举例二极管的应用举例1：二极管半波整流二极管半波整流第三十三页，本课件共有64页二极管的应用举例二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo第三十四页，本课件共有64页1.3.1 稳压二极管稳压二极管UIIZIZmax UZ IZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：动态电阻：rz越小，稳越小，稳压性能越好。压性能越好。1.3 特殊二极管特殊二极管第三十五页，本课件共有64页（4）稳定电流稳定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗）最大允许功耗稳压二极管的参数稳压二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压 UZ（2）电压温度系数电压温度系数 U（%/）稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻）动态电阻第三十六页，本课件共有64页负载电阻负载电阻 。要求要求当输入电压由正常值发生当输入电压由正常值发生 20%波动时，负载电压基本不变。波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。求：求：电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值。的正常值。方程方程1第三十七页，本课件共有64页令输入电压降到下限时，令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为流过稳压管的电流为Izmin。方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2，可解得：，可解得：第三十八页，本课件共有64页1.3.2 光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加照度增加第三十九页，本课件共有64页1.3.3 发光二极管发光二极管有正向电流流过时，有正向电流流过时，发出一定波长范围的发出一定波长范围的光，目前的发光管可光，目前的发光管可以发出从红外到可见以发出从红外到可见波段的光，它的电特波段的光，它的电特性与一般二极管类似。性与一般二极管类似。第四十页，本课件共有64页1.4.1 基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型1.4 半导体三极管半导体三极管第四十一页，本课件共有64页BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高第四十二页，本课件共有64页BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极发射结集电结第四十三页，本课件共有64页1.4.2 电流放大原理电流放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE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。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。第四十四页，本课件共有64页BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBO ICEIBEICE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。第四十五页，本课件共有64页IB=IBE-ICBO IBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE第四十六页，本课件共有64页ICE与与IBE之比称为电流放大倍数之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。电结反偏。第四十七页，本课件共有64页BECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管第四十八页，本课件共有64页1.4.3 特性曲线特性曲线ICmA AVVUCEUBERBIBECEB 实验线路实验线路第四十九页，本课件共有64页一、一、输入特性输入特性UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。UCE=0VUCE=0.5V 死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。第五十页，本课件共有64页二、二、输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。第五十一页，本课件共有64页IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。第五十二页，本课件共有64页IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE 0.3V(3)截止区：截止区：UBE 死区电压，死区电压，IB=0，IC=ICEO 0 第五十四页，本课件共有64页例：例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当当USB=-2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？当当USB=-2V时：时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大饱和电流：最大饱和电流：Q位于截止区位于截止区 第五十五页，本课件共有64页例：例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当当USB=-2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？IC ICmax(=2mA)，Q位于放大区位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB=2V时：时：第五十六页，本课件共有64页USB=5V时时:例：例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当当USB=-2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ 位于饱和区，此时位于饱和区，此时IC 和和IB 已不是已不是 倍的关系。倍的关系。第五十七页，本课件共有64页三、主要参数三、主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为直流上的交流信号。基极电流的变化量为 IB，相应的集电极电流变化为相应的集电极电流变化为 IC，则则交流电流放大交流电流放大倍数倍数为：为：1.电流放大倍数电流放大倍数和和 第五十八页，本课件共有64页例：例：UCE=6V时时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA。在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理：=第五十九页，本课件共有64页2.集集-基极反向截止电流基极反向截止电流ICBO AICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。第六十页，本课件共有64页BECNNPICBOICEO=IBE+ICBO IBE IBEICBO进入N区，形成IBE。根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。集电结反偏有ICBO3.集集-射极反向截止电流射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响受温度影响很大，当温度上很大，当温度上升时，升时，ICEO增加增加很快，所以很快，所以IC也也相应增加。相应增加。三极三极管的温度特性较管的温度特性较差差。第六十一页，本课件共有64页4.集电极最大电流集电极最大电流ICM集电极电流集电极电流IC上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的下降，值的下降，当当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为即为ICM。5.集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压当集当集-射极之间的电压射极之间的电压UCE超过一定的数值时，超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25 C、基极开路时的击穿电压基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。第六十二页，本课件共有64页6.集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM 集电极电流集电极电流IC 流过三极管，流过三极管，所发出的焦耳所发出的焦耳 热为：热为：PC=ICUCE 必定导致结温必定导致结温 上升，所以上升，所以PC 有限制。有限制。PC PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区第六十三页，本课件共有64页电子技术电子技术第一章 结束模拟电路部分模拟电路部分第六十四页，本课件共有64页
