第四章 常用半导体器件原理优秀课件.ppt

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1、第四章 常用半导体器件原理第1页，本讲稿共73页4.1.1本征半导体纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体。硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子，称为价电子，每个价电子带一个单位的负电荷。因为整个原子呈电中性，而其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子，所以研究中硅和锗原子可以用简化模型代表。2第2页，本讲稿共73页每个原子最外层轨道上的四个价电子为相邻原子核所共有，形成共价键。共价键中的价电子是不能导电的束缚电子。价电子可以获得足够大的能量，挣脱共价键的束缚，游离出去，成为自由电子，并在共价键处留下带有一个单位的正电荷的空穴。这个过程称为本征激发。本征激发产生成对的自由电子和空穴，所以本征半导

2、体中自由电子和空穴的数量相等。3第3页，本讲稿共73页价电子的反向递补运动等价为空穴在半导体中自由移动。因此，在本征激发的作用下，本征半导体中出现了带负电的自由电子和带正电的空穴，二者都可以参与导电，统称为载流子。自由电子和空穴在自由移动过程中相遇时，自由电子填入空穴，释放出能量，从而消失一对载流子，这个过程称为复合，4第4页，本讲稿共73页平衡状态时，载流子的浓度不再变化。分别用ni和pi表示自由电子和空穴的浓度(cm-3)，理论上其中T 为绝对温度(K)；EG0为T=0K时的禁带宽度，硅原子为1.21eV，锗为0.78eV；k=8.6310-5eV/K为玻尔兹曼常数；A0为常数，硅材料为3

3、.871016cm-3K-3/2，锗为1.761016cm-3K-3/2。4.1.2N型半导体和P型半导体本征激发产生的自由电子和空穴的数量相对很少，这说明本征半导体的导电能力很弱。我们可以人工少量掺杂某些元素的原子，从而显著提高半导体的导电能力，这样获得的半导体称为杂质半导体。根据掺杂元素的不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体。5第5页，本讲稿共73页一、N型半导体在本征半导体中掺入五价原子，即构成N型半导体。N型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个自由电子，从而大量增加了自由电子的浓度一一施主电离多数载流子一一自由电子少数载流子一一空穴但半导体仍保持电中性热平衡时，杂质半导体

4、中多子浓度和少子浓度的乘积恒等于本征半导体中载流子浓度ni的平方，所以空穴的浓度pn为因为ni容易受到温度的影响发生显著变化，所以pn也随环境的改变明显变化。自由电子浓度杂质浓度6第6页，本讲稿共73页二、P型半导体在本征半导体中掺入三价原子，即构成P型半导体。P型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个空穴，从而大量增加了空穴的浓度一一受主电离多数载流子一一空穴少数载流子一一自由电子但半导体仍保持电中性而自由电子的浓度np为环境温度也明显影响np的取值。空穴浓度掺杂浓庹7第7页，本讲稿共73页4.1.3漂移电流和扩散电流半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。半导体电流半导体

5、电流漂移电流：在电场的作用下，自由电子会逆着电场方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，这样产生的电流称为漂移电流，该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和电场强度。扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而形成扩散电流，该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。8第8页，本讲稿共73页4.2PN结通过掺杂工艺，把本征半导体的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，则P型半导体和N型半导体的交接面处会形成一个有特殊物理性质的薄层，称为PN结。4.2.1PN结的形成多子扩散空间电荷区，内建电场和内建电位差的产生 少子漂移动态平衡9第9页，本讲稿共7

6、3页空间电荷区又称为耗尽区或势垒区。在掺杂浓度不对称的 PN结中，耗尽区在重掺杂一边延伸较小，而在轻掺杂一边延伸较大。10第10页，本讲稿共73页4.2.2PN结的单向导电特性 一、正向偏置的PN结正向偏置耗尽区变窄扩散运动加强，漂移运动减弱正向电流二、反向偏置的PN结反向偏置耗尽区变宽扩散运动减弱，漂移运动加强反向电流11第11页，本讲稿共73页PN结的单向导电特性：PN结只需要较小的正向电压，就可以使耗尽区变得很薄，从而产生较大的正向电流，而且正向电流随正向电压的微小变化会发生明显改变。而在反偏时，少子只能提供很小的漂移电流，并且基本上不随反向电压而变化。4.2.3PN结的击穿特性当PN结

7、上的反向电压足够大时，其中的反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结的击穿。雪崩击穿：反偏的PN结中，耗尽区中少子在漂移运动中被电场作功，动能增大。当少子的动能足以使其在与价电子碰撞时发生碰撞电离，把价电子击出共价键，产生一对自由电子和空穴，连锁碰撞使得耗尽区内的载流子数量剧增，引起反向电流急剧增大。雪崩击穿出现在轻掺杂的PN结中。齐纳击穿：在重掺杂的PN结中，耗尽区较窄，所以反向电压在其中产生较强的电场。电场强到能直接将价电子拉出共价键，发生场致激发，产生大量的自由电子和空穴，使得反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。PN结击穿时，只要限制反向电流不要过大，就可以保护PN结不受损坏。PN结击

8、穿12第12页，本讲稿共73页4.2.4PN结的电容特性PN结能够存贮电荷，而且电荷的变化与外加电压的变化有关，这说明PN结具有电容效应。一、势垒电容 CT0为u=0时的CT，与PN结的结构和掺杂浓度等因素有关；UB为内建电位差；n 为变容指数，取值一般在1/36之间。当反向电压u 绝对值增大时，CT将减小。13第13页，本讲稿共73页二、扩散电容 PN结的结电容为势垒电容和扩散电容之和，即Cj=CT+CD。CT和CD都随外加电压的变化而改变，所以都是非线性电容。当PN结正偏时，CD远大于CT，即CjCD；反偏的PN结中，CT远大于CD，则CjCT。14第14页，本讲稿共73页4.3晶体二极管

9、二极管可以分为硅二极管和锗二极管，简称为硅管和锗管。4.3.1二极管的伏安特性一一指数特性IS为反向饱和电流，为反向饱和电流，q 为电子电量为电子电量(1.60 10-19C)；UT=kT/q，称，称为热电压，在室温为热电压，在室温27即即300K时，时，UT=26mV。一、二极管的导通，截止和击穿当uD0且超过特定值UD(on)时，iD变得明显，此时认为二极管导通，UD(on)称为导通电压(死区电压)；uD0.7V时，D处于导通状态，等效成短路，所以输出电压uo=ui-0.7；当ui0时，D1和D2上加的是正向电压，处于导通状态，而D3和D4上加的是反向电压，处于截止状态。输出电压uo的正极

10、与ui的正极通过D1相连，它们的负极通过D2相连，所以uo=ui；当ui0时，二极管D1截止，D2导通，电路等效为图(b)所示的反相比例放大器，uo=-(R2/R1)ui；当ui0时，uo1=-ui，uo=ui；当ui2.7V时，D导通，所以uo=2.7V；当ui2.7V时，D截止，其支路等效为开路，uo=ui。于是可以根据ui的波形得到uo的波形，如图(c)所示，该电路把ui超出2.7V的部分削去后进行输出，是上限幅电路。31第31页，本讲稿共73页例4.3.7二极管限幅电路如图(a)所示，其中二极管D1和D2的导通电压UD(on)=0.3V，交流电阻rD0。输入电压ui的波形在图(b)中给

11、出，作出输出电压uo的波形。32第32页，本讲稿共73页解：D1处于导通与截止之间的临界状态时，其支路两端电压为-E-UD(on)=-2.3V。当ui-2.3V时，D1截止，支路等效为开路，uo=ui。所以D1实现了下限幅；D2处于临界状态时，其支路两端电压为E+UD(on)=2.3V。当ui2.3V时，D2导通，uo=2.3V；当ui2.3V时，D2截止，支路等效为开路，uo=ui。所以D2实现了上限幅。综合uo的波形如图(c)所示，该电路把ui超出2.3V的部分削去后进行输出，完成双向限幅。33第33页，本讲稿共73页限幅电路的基本用途是控制输入电压不超过允许范围，以保护后级电路的安全工作

12、。设二极管的导通电压UD(on)=0.7V，在图中，当-0.7Vui0.7V时，D1导通，D2截止，R1、D1和R2构成回路，对ui分压，集成运放输入端的电压被限制在UD(on)=0.7V；当ui-0.7V时，D1截止，D2导通，R1、D2和R2构成回路，对ui分压，集成运放输入端的电压被限制在-UD(on)=-0.7V。该电路把ui限幅到0.7V到-0.7V之间，保护集成运放。34第34页，本讲稿共73页 图中，当-0.7Vui5.7V时，D1导通，D2截止，A/D的输入电压被限制在5.7V；当ui-0.7V时，D1截止，D2导通，A/D的输入电压被限制在-0.7V。该电路对ui的限幅范围是

13、-0.7V到5.7V。35第35页，本讲稿共73页例4.3.8稳压二极管限幅电路如图(a)所示，其中稳压二极管DZ1和DZ2的稳定电压UZ=5V，导通电压UD(on)近似为零。输入电压ui的波形在图(b)中给出，作出输出电压uo的波形。36第36页，本讲稿共73页解：当|ui|1V时，DZ1和DZ2一个导通，另一个击穿，此时反馈电流主要流过稳压二极管支路，uo稳定在5V。由此得到图(c)所示的uo波形。37第37页，本讲稿共73页图示电路为单运放弛张振荡器。其中集成运放用作反相迟滞比较器，输出电源电压UCC或-UEE，R3隔离输出的电源电压与稳压二极管DZ1和DZ2限幅后的电压。仍然认为DZ1

14、和DZ2的稳定电压为UZ，而导通电压UD(on)近似为零。经过限幅，输出电压uo可以是高电压UOH=UZ或低电压UOL=-UZ。38第38页，本讲稿共73页三、电平选择电路 例4.3.9图(a)给出了一个二极管电平选择电路，其中二极管D1和D2为理想二极管，输入信号ui1和ui2的幅度均小于电源电压E，波形如图(b)所示。分析电路的工作原理，并作出输出信号uo的波形。39第39页，本讲稿共73页解解：因因为为ui1和和ui2均均小小于于E，所所以以D1和和D2至至少少有有一一个个处处于于导导通通状状态态。不不妨妨假假设设ui1ui2时时，D2导导通通，D1截截止止，uo=ui2；只只有有当当u

15、i1=ui2时时，D1和和D2才才同同时时导导通通，uo=ui1=ui2。uo的的波波形形如如图图(b)所所示示。该该电电路路完完成成低低电电平平选选择择功功能能，当当高高、低低电电平平分分别别代代表表逻逻辑辑1和和逻逻辑辑0时时，就就实实现现了了逻逻辑辑“与与”运运算。算。40第40页，本讲稿共73页四、峰值检波电路 例4.3.10分析图示峰值检波电路的工作原理。解：电路中集成运放A2起电压跟随器作用。当uiuo时，uo10，二极管D导通，uo1对电容C充电，此时集成运放A1也成为跟随器，uo=uCui，即uo随着ui增大；当uiuo时，uo10，D截止，C不放电，uo=uC保持不变，此时A

16、1是电压比较器。波形如图(b)所示。电路中场效应管V用作复位开关，当复位信号uG到来时直接对C放电，重新进行峰值检波。41第41页，本讲稿共73页4.4双极型晶体管NPN型晶体管PNP型晶体管晶体管的物理结构有如下特点：发射区相对基区重掺杂；基区很薄，只有零点几到数微米；集电结面积大于发射结面积。42第42页，本讲稿共73页一、发射区向基区注入电子一、发射区向基区注入电子电子注入电流电子注入电流IEN，空穴注入电流空穴注入电流IEP二、基区中自由电子边扩散二、基区中自由电子边扩散边复合边复合基区复合电流基区复合电流IBN三、集电区收集自由电子三、集电区收集自由电子收集电流收集电流ICN反向饱和

17、电流反向饱和电流ICBO4.4.1晶体管的工作原理43第43页，本讲稿共73页晶体管三个极电流与内部载流子电流的关系：44第44页，本讲稿共73页共发射极直流电流放大倍数：共基极直流电流放大倍数：换算关系：晶体管的放大能力参数45第45页，本讲稿共73页晶体管的极电流关系描述：描述：46第46页，本讲稿共73页4.4.2晶体管的伏安特性 一、输出特性放大区放大区(发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏)共发射极交流电流放大倍数：共发射极交流电流放大倍数：共基极交流电流放大倍数：共基极交流电流放大倍数：近似关系：近似关系：恒流输出恒流输出和和基调效应基调效应饱和区饱和区(发射结正偏，集电结

18、正偏发射结正偏，集电结正偏)饱和压降饱和压降 uCE(sat)截止区截止区(发射结反偏，集电结反偏发射结反偏，集电结反偏)极电流绝对值很小极电流绝对值很小47第47页，本讲稿共73页二、输入特性当uBE大于导通电压 UBE(on)时，晶体管导通，即处于放大状态或饱和状态。这两种状态下uBE近似等于UBE(on)，所以也可以认为UBE(on)是导通的晶体管输入端固定的管压降；当uBE0，所以集电结反偏，假设成立，UO=UC=4V；当UI=5V时，计算得到UCB=-3.28V0，所以晶体管处于饱和状态，UO=UCE(sat)。51第51页，本讲稿共73页例4.4.2晶体管直流偏置电路如图所示，已知

19、晶体管的UBE(on)=-0.7V，=50。判断晶体管的工作状态，并计算IB、IC和UCE。解：图中晶体管是PNP型，UBE(on)=UB-UE=(UCC-IBRB)-IERE=UCC-IBRB-(1+)IBRE=-0.7V，得到IB=-37.4A0，所以晶体管处于放大或饱和状态。IC=IB=-1.87mA，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-(UCC-IBRB)=-3.74V|UGS(off)|)uGS和iD为平方率关系。预夹断导致uDS对iD的控制能力很弱。可变电阻区(|uGS|UGS(off)|且|uDG|UGS(off)|)uDS的变化明显改变iD的大小。截止区(|uGS|UGS

20、(off)|)iD=059第59页，本讲稿共73页三、转移特性预夹断60第60页，本讲稿共73页4.5.2绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管记为MOSFET，根据结构上是否存在原始导电沟道，MOSFET又分为增强型MOSFET和耗尽型MOSFET。61第61页，本讲稿共73页一、工作原理UGS=0ID0UGSUGS(th)电场反型层导电沟道ID0UGS控制ID的大小N沟道增强型MOSFET62第62页，本讲稿共73页N沟道耗尽型MOSFET在UGS=0时就存在ID=ID0。UGS的增大将增大ID。当UGS 0时，且|UGS|足够大时，导电沟道消失，ID=0，此时的UGS为夹断电压UGS(off)。N

21、沟道耗尽型MOSFET二、特性曲线预夹断N沟道增强型MOSFET63第63页，本讲稿共73页n为导电沟道中自由电子运动的迁移率；Cox为单位面积的栅极电容；W 和L分别为导电沟道的宽度和长度，W/L为宽长比。64第64页，本讲稿共73页N沟道耗尽型MOSFET65第65页，本讲稿共73页4.5.3各种场效应管的比较以及场效应管与晶体管的对比电路符号特性曲线66第66页，本讲稿共73页例4.5.1判断图中场效应管的工作状态。=IDSS，UDG=UDS-UGS=UDS=UDD-IDRD=6(V)-UGS(off)，所以该场效应管工作在恒流区。图(b)中是P沟道增强型MOSFET，UGS=-5(V)

22、-UGS(th)，所以该场效应管工作在可变电阻区。解：图(a)中是N沟道JFET，UGS=0UGS(off)，所以该场效应管工作在恒流区或可变电 阻 区，且ID67第67页，本讲稿共73页一、方波，锯齿波发生器4.5.5场效应管应用电路举例集成运放A1构成弛张振荡器，A2构成反相积分器。振荡器输出的方波uo1经过二极管D和电阻R5限幅后，得到uo2，控制JFET开关V的状态。当uo1为低电平时，V打开，电源电压E通过R6对电容C2充电，输出电压uo随时间线性上升；当uo1为高电平时，V闭合，C2通过V放电，uo瞬间减小到零。68第68页，本讲稿共73页二、取样保持电路A1和A2都构成跟随器，起

23、传递电压，隔离电流的作用。取样脉冲uS控制JFET开关V的状态。当取样脉冲到来时，V闭合。此时，如果uo1 uC则电容C被充电，uC很快上升；如果uo1 uC则C放电，uC迅速下降，这使得uC=uo1，而uo1=ui，uo=uC，所以uo=ui。当取样脉冲过去时，V打开，uC不变，则uo保持取样脉冲最后瞬间的ui值。69第69页，本讲稿共73页三、相敏检波电路因此前级放大器称为符号电路。场效管截止场效管导通70第70页，本讲稿共73页集成运放A2构成低通滤波器，取出uo1的直流分量，即时间平均值uo。uG和ui同频时，uo取决于uG和ui的相位差，所以该电路称为相敏检波电路。71第71页，本讲

24、稿共73页NPN晶体管结型场效应管JEFT增强型NMOSEFT指数关系平方律关系72第72页，本讲稿共73页场效应管和晶体管的主要区别包括：晶体管处于放大状态或饱和状态时，存在一定的基极电流，输入电阻较小。场效应管中，JFET的输入端PN结反偏，MOSFET则用SiO2绝缘体隔离了栅极和导电沟道，所以场效应管的栅极电流很小，输入电阻极大。晶体管中自由电子和空穴同时参与导电，主要导电依靠基区中非平衡少子的扩散运动，所以导电能力容易受外界因素如温度的影响。场效应管只依靠自由电子和空穴之一在导电沟道中作漂移运动实现导电，导电能力不易受环境的干扰。场效应管的源极和漏极结构对称，可以互换使用。晶体管虽然发射区和集电区是同型的杂质半导体，但由于制作工艺不同，二者不能互换使用。73第73页，本讲稿共73页