《電工與電子技術(shù)》課件 項(xiàng)目8 半導(dǎo)體器件

一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體8-1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性項(xiàng)目8常用半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體—

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。本征半導(dǎo)體

—純凈的半導(dǎo)體。如硅、鍺單晶體。載流子—自由運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。共價(jià)鍵—相鄰原子共有價(jià)電子所形成的束縛。一、本征半導(dǎo)體+4+4+4+4硅(鍺)的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)自由電子空穴空穴復(fù)合：自由電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中相遇重新結(jié)合成對(duì)消失的過程。本征激發(fā)：在室溫或光照下價(jià)電子獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，并在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位(空穴)的過程。

結(jié)論:1.本征半導(dǎo)體中電子空穴成對(duì)出現(xiàn),且數(shù)量少；

2.半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；

3.本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度、光照等外界條件有關(guān)。1、N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入五價(jià)元素磷。N型磷原子自由電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù)

電子數(shù)+5+4+4+4+4+4正離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子N型半導(dǎo)體的簡(jiǎn)化圖示二、雜質(zhì)半導(dǎo)體P型硼原子空穴空穴

—

多子電子

—

少子載流子數(shù)

空穴數(shù)2、P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入三價(jià)元素硼。+4+4+4+4+4+3P型半導(dǎo)體的簡(jiǎn)化圖示多數(shù)載流子少數(shù)載流子負(fù)離子一、PN結(jié)的形成二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

8-2PN結(jié)1、載流子的濃度差引起多子的擴(kuò)散擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：漂移運(yùn)動(dòng)：由濃度差引起的載流子運(yùn)動(dòng)。載流子在電場(chǎng)力作用下引起的運(yùn)動(dòng)。一、PN結(jié)的形成內(nèi)電場(chǎng)擴(kuò)散2、復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡層)

空間電荷區(qū)特點(diǎn):無載流子、阻止擴(kuò)散進(jìn)行、利于少子的漂移。3、擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散電流等于漂移電流，

總電流I=0。1、加正向電壓(正向偏置)導(dǎo)通P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場(chǎng)+

UR外電場(chǎng)外電場(chǎng)使多子向PN結(jié)移動(dòng),中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。I限流電阻擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成正向電流I

。I

=I多子

I少子

I多子2、加反向電壓(反向偏置)截止P

區(qū)N

區(qū)

+UR內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)使少子背離PN結(jié)移動(dòng)，空間電荷區(qū)變寬。IPN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大;

反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成反向電流II

=I少子

0二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦砸弧⒒窘Y(jié)構(gòu)、分類二、伏安特性

8-3半導(dǎo)體二極管

三、主要參數(shù)四、應(yīng)用電路舉例五、特殊二級(jí)管構(gòu)成：PN結(jié)+引線+管殼=二極管（Diode）按材料分類硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分類點(diǎn)接觸型面接觸型一、基本結(jié)構(gòu)、分類符號(hào)：按用途分類整流二極管檢波二極管穩(wěn)壓二極管光電二極管開關(guān)二極管等各種二極管的實(shí)物照片二、伏安特性O(shè)uD/ViD/mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)U

UthiD急劇上升0

U

Uth

反向特性U(BR)反向擊穿U（BR)

U

0IRm<0.1

A(硅)

幾十

A

(鍺)U<

U（BR）反向電流急劇增大(反向擊穿)擊穿電壓三、主要參數(shù)1.

IOM—

最大整流電流（最大正向平均電流）3.

IRM—

最大反向電流（二極管加最大反向工作電壓時(shí)的電流，越小單向?qū)щ娦栽胶茫?.

URM—

最高反向工作電壓一般規(guī)定為反向擊穿電壓。四、應(yīng)用電路舉例二極管的用途：整流、檢波、鉗位、限幅、開關(guān)、元件保護(hù)等。1.

整流2.鉗位若二極管D正向?qū)?，二極管正向壓降很小被鉗制在0V左右。3.元件保護(hù)二極管D提供自感電動(dòng)勢(shì)的放電回路。例

ui=2sin

t(V),分析二極管的限幅作用。（二極管正向工作電壓0.7V）D1D2uiuOR

0.7V<

ui<0.7VD1、D2均截止uO=uiuO=0.7Vui

0.7VD2導(dǎo)通D１截止ui<

0.76VD1導(dǎo)通D2截止uO=

0.7VOtuO/V0.7Otui

/V2

0.7解：4.限幅

穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。符號(hào)工作條件：反向擊穿

穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。使用時(shí)要加限流電阻五、特殊二級(jí)管I/mAUZ/VOUZIZIZM+

正向

+反向

UZ

IZ伏安特性1.穩(wěn)壓二極管2.光電二極管（光敏二極管）符號(hào)反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。光電二極管電路3.發(fā)光二極管（LED）符號(hào)工作條件：正向偏置一般工作電流幾十mA，導(dǎo)通電壓(1

2)V發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠不可見光：紅外光一、基本結(jié)構(gòu)二、電流放大原理

8-4晶體管

三、特性曲線四、主要參數(shù)晶體管（三極管）是最重要的一種半導(dǎo)體器件。部分三極管的外型一、基本結(jié)構(gòu)三層半導(dǎo)體材料構(gòu)成NPN型、PNP型NNP發(fā)射極E基極B集電極C發(fā)射結(jié)集電結(jié)—基區(qū)—發(fā)射區(qū)—集電區(qū)NPN型ECBPPNEBCECBPNP型按材料分：硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分：

NPN、PNP各區(qū)主要作用及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：發(fā)射區(qū)：作用：發(fā)射載流子

特點(diǎn)：摻雜濃度高基區(qū)：作用：傳輸載流子特點(diǎn)：薄、摻雜濃度低集電區(qū)：作用：接收載流子

特點(diǎn)：面積大(一)、晶體管放大的條件1.內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結(jié)面積大2.外部條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏(二)、晶體管的電流分配和放大作用實(shí)驗(yàn)電路mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6

A電路條件:

EC>EB

發(fā)射結(jié)正偏

集電結(jié)反偏二、電流放大原理mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6

A1.測(cè)量結(jié)果IB/mA00.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.501.001.602.202.90IE/mA0.0010.511.021.632.242.95IC/IB5050535558

IC/

IB50606070(1)符合KCL定律(2)

IC和IE比IB大得多(3)

IB

很小的變化可以引起

IC很大的變化。

即：微小的基極電流可以控制較大的集電極電流，這就是晶體管的放大作用。故晶體管是電流控制元件。2.晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(1)發(fā)射區(qū)向基發(fā)射電子，形成發(fā)射極電流

IE。ICE多數(shù)向BC結(jié)方向擴(kuò)散形成ICE。IE少數(shù)與空穴復(fù)合，形成IBE。IBE基區(qū)空穴來源基極電源提供(IB)集電區(qū)少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBE

IB+ICBO即：IB=IBE

–

ICBO(3)集電區(qū)收集擴(kuò)散過來的載流子形成集電極電流ICICIC=ICE+ICBO(2)電子到達(dá)基區(qū)后(基區(qū)空穴運(yùn)動(dòng)因濃度低而忽略)1.輸入特性輸入回路輸出回路與二極管特性相似RCECiBIERB+uBE

+uCE

EBCEBiC+

+

+

iBRB+uBE

EB+

O特性基本重合(電流分配關(guān)系確定)特性右移(因集電結(jié)開始吸引電子)導(dǎo)通電壓UBESi管:(0.6

0.7)VGe管:(0.2

0.3)V取0.7V取0.2VEB+

RB三、特性曲線2.輸出特性1.調(diào)整RB使基極電流為某一數(shù)值。

2.基極電流不變，調(diào)整EC測(cè)量集電極電流和uCE

電壓。輸出特性曲線50μA40μA30μA10μAIB=020μAuCE

/VO2468

4321iC

/mAmAICECIBRBEBCEB3DG6

ARCV+uCE

iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321（1）截止區(qū)：

IB=0

IC=ICEO

0條件：兩個(gè)結(jié)均反偏（2）放大區(qū)：（3）飽和區(qū)：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0條件：兩個(gè)結(jié)均正偏特點(diǎn)：臨界飽和時(shí)：uCE

=uBE深度飽和時(shí)：0.3V(硅管)UCES為：0.1V(鍺管)放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏特點(diǎn)：近似水平、等間隔。ICEO輸出特性曲線1、共發(fā)射極電流放大系數(shù)iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0024684321Q（1）直流電流放大系數(shù)（2）交流電流放大系數(shù)

四、主要參數(shù)2、極間反向電流（1）集電極-基極間反向飽和電流ICBO小功率的硅管一般在0.1μA以下；鍺管在幾μA至十幾μA。（2）集電極-發(fā)射極間反向電流（穿透電流）ICEO測(cè)量ICBO電路ICEO=(1+β)ICBO該參數(shù)值越小越好。3、極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM

集電極電流IC上升會(huì)導(dǎo)致三極管的

值的下降，當(dāng)

值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為ICM。（2）集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓U(BR)CEO基極開路時(shí)C、E間允許加的最高反向電壓。（3）集電極最大允許耗散功耗PCMPCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會(huì)燒壞三極管。

PC

PCM=ICUCEiCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作區(qū)

由ICM,U(BR)CEO,PCM

三者共同確定晶體管的安全工作區(qū)。一、基本結(jié)構(gòu)二、工作原理*8-5場(chǎng)效晶體管

三、主要參數(shù)特點(diǎn)：場(chǎng)效應(yīng)管具有高輸入阻抗、低噪聲、良好的熱穩(wěn)定性、較強(qiáng)的抗輻射能力、耗電少等優(yōu)點(diǎn)。

場(chǎng)效應(yīng)管（FieldEffectTransistor簡(jiǎn)稱FET）是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)控制輸出電流的電壓控制型器件。工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，稱為單極型晶體管。分類：絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型耗盡型P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管性能更優(yōu)越，應(yīng)用廣泛。一、基本結(jié)構(gòu)P型硅襯底N+N+SiO2絕緣區(qū)以較低雜質(zhì)濃度P型薄硅片為襯底在相距較近處擴(kuò)散兩各高摻雜濃度的N+區(qū)在其表面生成極薄的SiO2絕緣層在N+上方SiO2絕緣層處開窗口沉淀金屬電極在SiO2絕緣層表面沉淀金屬電極引出三個(gè)金屬電極源極柵極漏極源極S柵級(jí)G漏級(jí)DB襯底引線(a)NMOS管N型硅襯底P+P+SiO2絕緣區(qū)源極S柵級(jí)G漏級(jí)DB襯底引線(b)PMOS管場(chǎng)效應(yīng)管的圖形符號(hào)二、工作原理1.增強(qiáng)型MOS管

在柵-源之間加上正向直流電壓UGS>0，柵極經(jīng)絕緣層至襯底之間形成電場(chǎng)。吸引襯底、源極、漏極中的大量電子到二氧化硅絕緣層下面，形成一個(gè)N型導(dǎo)電溝道。圖8-27導(dǎo)電溝道的形成圖8-28E型NMOS管導(dǎo)通狀態(tài)

使MOS管開始形成導(dǎo)電溝道的電壓稱為開啟電壓UGS(th)。在漏-源之間加正向直流電壓UDS，就會(huì)產(chǎn)生漏極電流。

如果柵源電壓變化，會(huì)使漏源之間的電流變化。由于SiO2絕緣層極薄，所以在柵極和襯底之間只要加很小的電壓就會(huì)使溝道有很大的變化。也就是能使漏源之間的電流有很大的變化。

所以就實(shí)現(xiàn)了用小的柵源電壓，控制大的漏源電流的目的。也就實(shí)現(xiàn)了放大作用。2.耗盡型MOS管

結(jié)構(gòu)與N溝道增強(qiáng)型MOS管基本相同，只是在二氧化硅絕緣薄層中滲入大量帶正電荷的雜質(zhì)。即使UGS=0，也能形成自建的N型導(dǎo)電溝道。

加入正向UGS導(dǎo)電溝道變厚；加入反向UGS導(dǎo)電溝道變薄。在相同的UDS作用下，漏極電流也隨之改變。

當(dāng)柵源之間負(fù)電壓達(dá)某一值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，漏源之間電流為零，這個(gè)電壓稱為耗盡型MOS管的夾斷電壓。三、主要參數(shù)1.開啟電壓UGS(th)與夾斷電壓UGS(off)

一般N溝道MOS管的UGS(th)值為3~6V，性能較好的2~3V。2.跨導(dǎo)表示柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力。gm的單位是西（S）3.漏源擊穿電壓UDS(BR)指漏源間的反向擊穿電壓。4.最大允許漏極電流IDM,指在給定散熱條件下，最大允許電