《電工與電子技術(shù)》課件 項目8 半導體器件

一、本征半導體二、雜質(zhì)半導體8-1半導體的導電特性項目8常用半導體器件半導體—

導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。本征半導體

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

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

2.半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電；

3.本征半導體導電能力弱，并與溫度、光照等外界條件有關(guān)。1、N型半導體在硅或鍺的晶體中摻入五價元素磷。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型半導體的簡化圖示二、雜質(zhì)半導體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型半導體在硅或鍺的晶體中摻入三價元素硼。+4+4+4+4+4+3P型半導體的簡化圖示多數(shù)載流子少數(shù)載流子負離子一、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散擴散運動：漂移運動：由濃度差引起的載流子運動。載流子在電場力作用下引起的運動。一、PN結(jié)的形成內(nèi)電場擴散2、復合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡層)

空間電荷區(qū)特點:無載流子、阻止擴散進行、利于少子的漂移。3、擴散和漂移達到動態(tài)平衡擴散電流等于漂移電流，

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

UR外電場外電場使多子向PN結(jié)移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。I限流電阻擴散運動加強形成正向電流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)電場外電場外電場使少子背離PN結(jié)移動，空間電荷區(qū)變寬。IPN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?，呈小電阻，電流較大;

反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運動加強形成反向電流II

=I少子

0二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦砸?、基本結(jié)構(gòu)、分類二、伏安特性

8-3半導體二極管

三、主要參數(shù)四、應(yīng)用電路舉例五、特殊二級管構(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)分類點接觸型面接觸型一、基本結(jié)構(gòu)、分類符號：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.元件保護二極管D提供自感電動勢的放電回路。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導通D１截止ui<

0.76VD1導通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體硅二極管。符號工作條件：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。使用時要加限流電阻五、特殊二級管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）符號反向電流隨光照強度的增加而上升。光電二極管電路3.發(fā)光二極管（LED）符號工作條件：正向偏置一般工作電流幾十mA，導通電壓(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體器件。部分三極管的外型一、基本結(jié)構(gòu)三層半導體材料構(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：發(fā)射區(qū)：作用：發(fā)射載流子

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

特點：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驗電路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)部載流子的運動規(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)方向擴散形成ICE。IE少數(shù)與空穴復合，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)收集擴散過來的載流子形成集電極電流ICICIC=ICE+ICBO(2)電子到達基區(qū)后(基區(qū)空穴運動因濃度低而忽略)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：兩個結(jié)均正偏特點：臨界飽和時：uCE

=uBE深度飽和時：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：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上升會導致三極管的

值的下降，當

值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為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場效晶體管

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

場效應(yīng)管（FieldEffectTransistor簡稱FET）是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)控制輸出電流的電壓控制型器件。工作時，只有一種載流子參與導電，稱為單極型晶體管。分類：絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管增強型耗盡型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金屬電極源極柵極漏極源極S柵級G漏級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G漏級DB襯底引線(b)PMOS管場效應(yīng)管的圖形符號二、工作原理1.增強型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。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N型導電溝道。圖8-27導電溝道的形成圖8-28E型NMOS管導通狀態(tài)

使MOS管開始形成導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，就會產(chǎn)生漏極電流。

如果柵源電壓變化，會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。

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

結(jié)構(gòu)與N溝道增強型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型導電溝道。

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

當柵源之間負電壓達某一值時，導電溝道消失，漏源之間電流為零，這個電壓稱為耗盡型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.跨導表示柵源電壓對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