第七章 常用半导体器件课件.ppt

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1、 7.1 半导体基础知识半导体基础知识 7.2 PN结与半导体二极管结与半导体二极管 7.3 半导体三极管半导体三极管 7.4 MOS场效应管场效应管一、本征半导体一、本征半导体 常用的半导体材料是硅（常用的半导体材料是硅（Si）和锗（）和锗（Ge）。这种提纯后无）。这种提纯后无杂质的具有晶体结构的半导体称为杂质的具有晶体结构的半导体称为本征半导体本征半导体。 第一节第一节 半导体基础知识半导体基础知识 图图7-1 本征硅材料半导体的共价健结构本征硅材料半导体的共价健结构相邻原子之相邻原子之间以间以“共价共价键键”的形式的形式结合在一起结合在一起 在获得一定的能量（温度升高或受到光线照射）后，

2、共价在获得一定的能量（温度升高或受到光线照射）后，共价健中的价电子获得一定能量即可挣脱共价健的束缚而成为健中的价电子获得一定能量即可挣脱共价健的束缚而成为自由自由电子电子，同时在共价健中出现了相应的空位置，称为，同时在共价健中出现了相应的空位置，称为“空穴空穴”。自由电子和空穴成对产生，数量相等，这一现象称为自由电子和空穴成对产生，数量相等，这一现象称为热激发。热激发。热激发热激发产生产生自由电子自由电子-空穴对空穴对。 共价键共价键由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子而成为自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生

3、使共价键中留有一个空位置，称为空穴留有一个空位置，称为空穴 在外电场的作用下，自由电子逆电场方向运动形成在外电场的作用下，自由电子逆电场方向运动形成电子电电子电流流。价电子填补空穴的现象会在相邻原子间进行，相当于空穴。价电子填补空穴的现象会在相邻原子间进行，相当于空穴顺电场方向运动形成顺电场方向运动形成空穴电流空穴电流。自由电子和空穴在半导体中称。自由电子和空穴在半导体中称为为载流子载流子，因为它们都具有运载电流的能力。，因为它们都具有运载电流的能力。 当能量减低后，自由电子有可能又返回共价键中填补空穴当能量减低后，自由电子有可能又返回共价键中填补空穴而成为束缚电子，这种现象称为而成为束缚电子

4、，这种现象称为复合复合。在一定的温度下，载流。在一定的温度下，载流子的产生与复合总在进行，并能达到一种动态平衡。子的产生与复合总在进行，并能达到一种动态平衡。两种载流子两种载流子 外加电场时，带负电的自由电外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。目很少，故导电性很差。本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。 温度升高，热运动加剧，载温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度热力学温度0K时不导电

5、。时不导电。 （一）（一） P P型半导体型半导体3硼（硼（B）多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，导电性越强，二、杂质半导体二、杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的有用杂质，半导体的导电能力在本征半导体中掺入微量的有用杂质，半导体的导电能力会得到极大的提高。掺入杂质以后的半导体称为会得到极大的提高。掺入杂质以后的半导体称为杂质半导体杂质半导体。 在本征半导体（在本征半导体（Si或或Ge)中掺入微量的三价杂质中掺入微量的三价杂质元素元素 （二）（二）N N型半导体型半导体5磷（磷（P） 杂质

6、半导体主要靠多数载流杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。导电性可控。多数载流子多数载流子在本征半导体（在本征半导体（Si或或Ge)中中掺入微量五价杂质元素掺入微量五价杂质元素 在本征半导体硅（在本征半导体硅（Si）或锗（）或锗（Ge）中掺）中掺入微量的有用杂质元素入微量的有用杂质元素掺入掺入3价元素硼（价元素硼（B）掺入掺入5价元素磷（价元素磷（P）每掺入一个每掺入一个B原子就形成一个原子就形成一个空穴，热激发还产生一定数目空穴，热激发还产生一定数目的自由电子的自由电子-空穴对空穴对每掺入一

7、个每掺入一个P原子就形成一个原子就形成一个自由电子，热激发还产生一定自由电子，热激发还产生一定数目的自由电子数目的自由电子-空穴对空穴对在这种杂质半导体中，在这种杂质半导体中，空穴是多数载流子，自空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子，由电子是少数载流子，多子由掺杂和热激发共多子由掺杂和热激发共同产生，少子仅由热激同产生，少子仅由热激发产生发产生在这种杂质半导体中，自在这种杂质半导体中，自由电子是多数载流子，空由电子是多数载流子，空穴是少数载流子，多子由穴是少数载流子，多子由掺杂和热激发共同产生，掺杂和热激发共同产生，少子仅由热激发产生少子仅由热激发产生一、一、PN结的形成结的形成 在同一块半

8、导体上采用特殊的掺杂工艺分别形成在同一块半导体上采用特殊的掺杂工艺分别形成P型半导体型半导体和和N型半导体，型半导体，P区和区和N区的交界面处形成的一个特殊结构就是区的交界面处形成的一个特殊结构就是PN结结。 第二节第二节 PN结与半导体二极管结与半导体二极管 P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电空间电荷区荷区内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半

9、导体型半导体+内电场E扩散运动漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动，没有电荷运动，空间电荷区的空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性 （一）（一）PNPN结正向偏置结正向偏置+内电场减弱，使扩散加强，内电场减弱，使扩散加强，扩散扩散 飘移，正向电流大飘移，正向电流大空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+_正向电流正向电流（二）（二）PNPN结反向偏置结反向偏置+空间电荷区变厚空间电荷区变厚NP

10、+_+内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流反向饱和电流很小，很小， A级级三、半导体二极管的结构与伏安特性三、半导体二极管的结构与伏安特性 （一）半导体二极管的结构（一）半导体二极管的结构 P PN NP PN N阳极阳极阴极阴极 半导体二极管是由一个半导体二极管是由一个PN结加上相应的引出线，外面用管结加上相应的引出线，外面用管壳封装而成的。壳封装而成的。P区引出线称为阳极，区引出线称为阳极，N区引出线称为阴极。区引出线称为阴极。 将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率

11、小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管点接触型：结面积小，点接触型：结面积小，结电容小，故结允许结电容小，故结允许的电流小，最高工作的电流小，最高工作频率高。频率高。面接触型：结面积大，面接触型：结面积大，结电容大，故结允许结电容大，故结允许的电流大，最高工作的电流大，最高工作频率低。频率低。平面型：结面积可小、平面型：结面积可小、可大，小的工作频率可大，小的工作频率高，大的结允许的电高，大的结允许的电流大。流大。（二）二极管的伏安特性（二）二极管的伏安特性 UI反向击穿电反向击穿电压压U(BR)死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.2V。

12、反向漏电流反向漏电流（很小，（很小， A级）级）四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数 （1）最大整流电流）最大整流电流IoM这是二极管长时间使用时所允许通过的最大正向平均电流。当电流超过该值使用时，有可能造成PN结过热而使管子损坏。（2）最高反向工作电压）最高反向工作电压URM这是二极管长期工作时允许加在两端的最大反向电压。为保证管子的安全工作，最高反向工作电压URM通常取其反向击穿电压的一半或三分之一。（3）反向电流）反向电流IR指二极管反向工作而未被击穿时流过二极管的电流值。反向电流越大，表明二极管的单向导电性越差。反向电流受温度影响较大。五、稳压二极管五、稳压二极管 IZmax稳压二

13、极管符号稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲线稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作在反当稳压二极管工作在反向击穿状态下向击穿状态下,当工作电当工作电流流IZ在在Izmax和和 Izmin之间时之间时,其两端电压近似为常数其两端电压近似为常数正向同正向同二极管二极管稳定稳定电流电流稳定稳定电压电压第三节第三节 半导体三极管半导体三极管 一、三极管的结构一、三极管的结构 B BE EC CN NN NP P基极基极发射极发射极集电极集电极NPNNPN型型PNPPNP型型P PN NP P集电极集电极基极基极发射极发射极C CE EB B极电区极电区基基 区区发射区发射区多子浓度高多子

14、浓度高多子浓度很多子浓度很低，且很薄低，且很薄面积大面积大晶体管有三个极、三个区、两个晶体管有三个极、三个区、两个PN结。结。小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管B BE EC CNPNNPN型三极管型三极管B BE EC CPNPPNP型三极管型三极管图图7-8 三极管的内部结构和图形符号三极管的内部结构和图形符号 B BE EC CN NN NP P基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，掺基区：较薄，掺杂浓度低杂浓度低集电区：面集电区：面积较大积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高二、三极管的电流放大作用二、三极管的电流放大作用 图图79 三极管的电流放大作用实验

15、电路三极管的电流放大作用实验电路 三极管工作在放大状态的必要条件：加在集电结上的电压三极管工作在放大状态的必要条件：加在集电结上的电压是反向电压（是反向电压（反向偏置反向偏置），而加在发射结上的电压是正向电压），而加在发射结上的电压是正向电压（正向偏置正向偏置）。）。 扩散运动形成发射极电流扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电，复合运动形成基极电流流IB，漂移运动形成集电极电流，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流少数载流子的运动子的运动因发射区多子浓度高使大量因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少因基区薄且多子浓度低，使极少

16、数扩散到基区的电子与空穴复合数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴基区空穴的扩散的扩散三极管放大时内部载流子运动情况三极管放大时内部载流子运动情况电流分配：电流分配：I IE EI IB BI IC C I IE E扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流 I IB B复合运动形成的电流复合运动形成的电流 I IC C漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流CBOCEOBCBC)(1 IIiiII穿透电流穿透电流集电结反向电流集电结反向电流共射直流电共射直流电流放大系数流放大系

17、数交流电流放大系数交流电流放大系数类似：共基电流放大系数类似：共基电流放大系数等等 三极管能够进行电流放大，其内因是它的特殊结构，其外三极管能够进行电流放大，其内因是它的特殊结构，其外因是给三极管的发射结加了正向偏置电压，集电结加了反向偏因是给三极管的发射结加了正向偏置电压，集电结加了反向偏置电压。三极管内部载流子的运动在这样的外部条件下就能完置电压。三极管内部载流子的运动在这样的外部条件下就能完成成IB对对IC的控制作用的控制作用。 由实验数据可得出以下结论：由实验数据可得出以下结论： IE=IB+IC IC和和IE比比IB大得多大得多 当当IB=0（基极开路）时，（基极开路）时，ICIE0

18、，但不完全为，但不完全为0，此时的，此时的ICIEICEO ，称为三极管的穿透电流。，称为三极管的穿透电流。 三、三极管的特性曲线三、三极管的特性曲线 （一）输入特性曲线（一）输入特性曲线 输入特性是指当集电极与发射极之间的电压输入特性是指当集电极与发射极之间的电压UCE为常数时，为常数时，由基极和发射极构成的输入回路中，基极电流由基极和发射极构成的输入回路中，基极电流IB与基极、发射与基极、发射极之间的电压极之间的电压UBE之间的关系曲线，它反映了三极管输入回路之间的关系曲线，它反映了三极管输入回路的伏安特性。的伏安特性。 图图7-11 三极管的输入特性曲线三极管的输入特性曲线 （一）输出特

19、性曲线（一）输出特性曲线 三极管的输出特性曲线是指基极电流三极管的输出特性曲线是指基极电流IB为常数时，集电极为常数时，集电极电流电流IC与集电极、发射极之间的电压与集电极、发射极之间的电压UCE的关系曲线，它反映的关系曲线，它反映了三极管输出回路的伏安特性。了三极管输出回路的伏安特性。 图图7-12 三极管的输出特性曲线三极管的输出特性曲线 晶体管的三个工作区域 晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入几乎仅仅决定于输入回路的电流回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源控制的电流源iC

20、 。状态状态uBEiCuCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE饱和饱和 UoniB uBE四、三极管的主要参数四、三极管的主要参数 （一）电流放大系数（一）电流放大系数（二）集电极反向饱和电流（二）集电极反向饱和电流ICBO（三）穿透电流（三）穿透电流ICEO（四）极限参数（四）极限参数1、集电极最大允许电流、集电极最大允许电流ICM2、集、集-射极击穿电压射极击穿电压BUCEO3、集电极最大允许耗散功率、集电极最大允许耗散功率PCM 第四节第四节 MOS场效应管场效应管 一、基本结构和电压控制电流作用一、基本结构和电压控制电流作用 三极管（三极管（双极型器件双极型器件）

21、是一种电流控制器件，而场效应管）是一种电流控制器件，而场效应管（单极型器件单极型器件）则是一种电压控制器件。）则是一种电压控制器件。 结型场效应管结型场效应管JFETJFET绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSMOS场效应管按结构不同可分为两大类：场效应管按结构不同可分为两大类：N N沟道沟道P P沟道沟道耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型（一）（一）N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构沟道增强型绝缘栅场效应管的结构 图图7-13 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管（a）结构示意图）结构示意图 (b) 图形符号图形符号（二）（二）N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管的工作

22、原理场效应管的工作原理 仅在漏极仅在漏极D和源极和源极S之间加电压是不会导通的。如果将之间加电压是不会导通的。如果将D、S短接，并且在栅极短接，并且在栅极G和源极和源极S之间加正向电压之间加正向电压UGS。如果在漏。如果在漏极极D和源极和源极S之间一定的漏源电压，使得之间一定的漏源电压，使得MOS场效应管开始导场效应管开始导通的栅源电压称为开启电压通的栅源电压称为开启电压UT，栅源电压，栅源电压UGS超过超过UT后，漏后，漏源之间导通，形成漏极电流源之间导通，形成漏极电流ID。图图714 N沟道增强型绝缘栅场效应管的工作原理沟道增强型绝缘栅场效应管的工作原理 二、特性曲线及主要参数二、特性曲线

23、及主要参数 图图7-15 N沟道增强型绝缘栅场效应管的特性曲线沟道增强型绝缘栅场效应管的特性曲线a）转移特性）转移特性 b）输出特性）输出特性 转移特性转移特性表示的是漏极电流与栅源电压之间的关系：当表示的是漏极电流与栅源电压之间的关系：当UGSUT时，时，ID=0；当；当UGS=UT时；管子开始导通；当时；管子开始导通；当UGSUT时，时，ID随随UGS的增大而增大。的增大而增大。 输出特性输出特性表示的是当表示的是当UGS为大于开启电压为大于开启电压UT的某一数值时，的某一数值时，漏极电流与漏源电压之间的关系。输出特性分为三个区域：可漏极电流与漏源电压之间的关系。输出特性分为三个区域：可变电阻区、饱和区和击穿区。变电阻区、饱和区和击穿区。 场效应管的主要参数场效应管的主要参数：（1）开启电压）开启电压UT （2）击穿电压）击穿电压U（BR）DS （3）直流输入电阻）直流输入电阻RGS （4）跨导）跨导gm