课件-第6章 半导体器件

1第6章半导体器件基础6.1半导体基本知识6.1.1本征半导体图6-1硅和锗简化原子结构模型，它们都是四价元素，最外层轨道上都有四个阶电子。图6-2本征半导体晶体结构示意图6-3本征半导体中的自由电子和空穴2原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。在外电场的作用下,使空穴产生定向移动，形成空穴电流。半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴本征半导体自由电子数量很少，电阻率很大，因此导电能力差，不能作半导体器件使用。6.1.2杂质半导体N（Negative）型半导体:在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N（Negative）型半导体，也称电子型半导体。在N型半导体中自由电子（结合后多一个电子）是多数载流子。它主要由杂质原子提供；另外，硅晶体由于热激发会产生少量的电子空穴对，所以空穴是少数载流子。五价杂质原子因失去一个电子而带单位正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子又称为施主杂质。P（Positive）型半导体：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等则形成了P（Positive）型半导体，也称为空穴型半导体（三电子与半导体结合留下一个空穴）。3空穴是其主要载流子，而电子是少数载流子。由于3价杂质原子可接受自由电子形成空穴，故称为受主杂质。6.1.3PN结及其特性在两种半导体（P-N）的结合面上会形成一个P-N薄层，称为PN结由于交界面两侧浓度相差使电子由N区向P区扩散；空穴由P区向N区扩散。在P区和N区的交界处形成了方向由N区指向P区的内电场，在此电场的作用下，载流子将作漂移运动，方向正好与扩散运动方向相反，阻止扩散运动。当达到平衡时，扩散运动作用与漂移运动作用相等，通过界面的载流子数为0，即PN结的电流为0。此时在PN区交界处形成一个缺少载流子的高阻区，称为耗尽层。PN结具有下列特性：（1）单向导电性将电源正极接P区，负极接N区，称正向接法或正向偏置。与自建场方向相反，削弱了内电场，使耗尽层变窄，这样扩散作用就会大于漂移作用。形成正向电流，其方向是由电源的正极通过P区、N区到电源负极。此时PN结处于导通状态。4反向电流很小，PN结处于截止状态，反向电阻值很大。PN结外加正偏电压时，形成较大的正向电流，PN结呈现较小的正向电阻；外加反偏电压时，反向电流很小，PN结呈现很大的反向电阻，这就是PN结的单向导电特性。（a）外加正向电压（b）外加反向电压（2）反向击穿性（3）电容性将电源正极接N区，负极接P区，称反向接法或反向偏置。与自建场方向相同，增强了内电场，使耗尽层变宽，漂移作用就会大于扩散作用，称为反向电流。56.2半导体二极管6.2.1二极管的结构二极管（PN结）一般分为点接触型、面接触型和平面型三类6.2.2二极管的特性二极管的伏安特性可用特性曲线表示，也可用方程表示。对不同频率的信号，PN呈现的阻抗特性也不同。当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容充放电过程，呈现电容效应。阳极为P区，阴极为N区。6（a）硅二极管的伏安特性曲线（b）锗二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1TUUS(eII式中IS为反向饱和电流，U为二极管两端的电压降，UT=kT/q称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度。室温（相当T=300K），则有UT=26mV。导通电压，或称门限电压、死区电压，硅管的Uon约为0.6~0.8伏，锗管的Uon约为0.1~0.3伏。二极管加反向电压时，反向电流数值很小。反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。反向电压足够高时，耗尽层内电场很强，雪崩击穿。图6-6二极管的伏安特性曲线7电流过大时，PN结耗散功率超过允许值，导致PN结过热而烧坏。6.2.3二极管的主要参数（1）最大整流电流IDM（2）最大反向工作电压URM（3）最大反向电流IRM（4）最高工作频率fM【例6.1】【例6.2】6.2.4二极管的应用1.二极管的整流【例6.3】2.限幅电路【例6.4】3.开关电路【例6.5】4.低电压稳压电路发生击穿并不意味着PN结被损坏。稳压二极管就是利用PN结的击穿特性。当PN结两边掺入高浓度的杂质，其耗尽层宽度很小，齐纳击穿8【例6.6】（1）稳压二极管6.2.5特殊二极管（a）伏安特性（b）符号图6-13稳压管的应用图6-12稳压管的伏安特性和符号9砷化镓中加一些磷可发出红色光，而磷化镓可以发出绿色光。它的开启电压比普通二极管的大，红色的在1.6V~1.8V之间，绿色的约为2V。发光二极管的发光颜色决定于所用材料，通常用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物，如砷化镓、磷化镓等所制成的。（2）发光二极管图6-15发光二极管的外形和符号（a）外形（b）符号（3）光电二极管图6-16光电二极管符号光电二极管是用光敏感的半导体材料制成，它的反向电流随光照度的增加而上升。广泛用于遥控、报警及光电传感器之中。10图6.18常见的三极管外形将两个PN结背靠背的连接起来可构成三极管，又称为晶体管或称双极型晶体管（也称BJT），三极管可分为PNP和NPN两种类型。6.3半导体三极管（a）NPN型硅管的结构（b）NPN型管的（c）NPN和PNP结构示意图型管符号图6-17三极管的结构示意图和符号116.3.2三极管工作原理1.电流放大原理的实验常用的半导体材料为硅和锗，因此共有3A（锗PNP）、3B（锗NPN）、3C（硅PNP）、3D（硅NPN）四种三极管系列。无特殊说明时，本书均以广泛应用的硅NPN三极管为例。无论是NPN型还是PNP型的三极管，均包含三个区，分别称为发射区、基区和集电区；由三个区引出的三个电极分别称为发射极（e）、基极（b）和集电极（c）；在三个区的两两交界处形成的两个PN结分别称为发射结和集电结。图（c）符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流向。由实验及测量结果可以看出:122.三极管实现电流分配的原理图6-20三极管外电源连接及电流分配（1）外电源连接方法三极管外电源要求发射结正向偏置，集电结反向偏置连接。（2）载流子传输过程a.发射区向基区发射自由电子。b.基区中电子的扩散和复合c.集电区收集电子。13（3）电流分配关系IE=IC+IBBCBCEOCIIIIIbcBCiiIIECIIecECiiII直流、交流两种放大系数很接近，故可混用。三极管的电流分配关系可近似表示为：BEBCBCEIIIIIII)1(146.3.3三极管的特性曲线三极管外部的极间电压与电流的相互关系称为三极管的特性曲线，反映了各极电流与电压之间的关系。1.输入特性当电压UCE不变时，输入回路的IB与电压UBE之间的关系曲线称为输入特性CEUBEBUfI)(输入特性与二极管伏安特性曲线相似（a）共发射极电路（b）三极管的输入特性2.输出特性15输出特性是指IB一定时，输出回路中集电极电流IC与集射极电压UCE之间的关系BICECUfI)(图6-22共发射极的输出特性曲线将输出特性曲线分为三个工作区：截止区、放大区、饱和区。（1）截止区：发射结反偏，集电结反偏。即IB≤0的部分。IB=0为临界截止，此时IC≈ICEO≈0，（2）放大区：发射结正偏，集电结反偏。此时IC=βIB，IC的大小只受IB的控制，三极管处于放大状态。（3）饱和区：发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。IC≠βIB，三极管无放大作用。当三极管处于深度饱和时，UCE值很小（UCE≤1V）此时的UCE称为饱和压降，用UCE（sat）来表示，三极管的C，E两极之间接近短路。16特性曲线随温度而变化：温度升高时，输入特性曲线向左平移；输出特性曲线平行上移。6.3.4三极管的微变等效电路如果输入信号很小，可以把三极管看成是一个线性元件，即微变等效电路状态。（1）三极管的输入回路bbeBBEbeiuiur)(26)1(300EbeImVr（2）三极管的输出回路（a）三极管（b）三极管的微变等效电路图6-23三极管的交流输入电阻rbe176.3.5三极管的主要参数（1）电流放大系数β（2）极间反向电流（3）特征频率实际使用时，要保证工作频率比特征频率低得多三极管才能正常放大。（6）集电极最大允许功率PCM三极管的安全工作区【例6.7】6.3.6复合管181.复合管的结构四种常见的复合管结构2.复合管的特点（1）复合管的类型与组成复合管的第一只三极管的类型相同。（2）复合管的电流放大系数近似为组成该复合管的各三极管电流放大系数的乘积。...3216.4场效应管(场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件;而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电,被称之为双极型器件。)场效应管则是一种电压控制器件，它是利用电场效应来控制其电流的大小，从而实现放大。场效应管工作时，内部参与导电的只有多子一种载流子，因此又称为单极性器件。场效应管分为两大类，结型场效应管和绝缘栅场效应管。196.4.1绝缘栅场效应管由金属（Metal）、氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）材料构成的，因此又叫MOS管。绝缘栅场效应管分为增强型和耗尽型两种，每一种又包括N沟道和P沟道两种类型。1.N沟道增强型场效应管（1）结构与符号N沟道增强型MOS管的结构与符号符号中的箭头表示从P区（衬底）指向N区（N沟道），虚线表示增强型。（2）工作原理如图6-29所示，形成导电沟道所需要的最小栅源电压UGS，称为开启电压UT。（a）UGS=0（b）UGS0图6-29N沟道增强型MOS管加栅源电压UGS（3）特性曲线2)1(TGSDODUUIITGSUU20图6-30N沟道增强型MOS管的转移特性曲线图6-31N沟道增强型MOS管的输出特性曲线2.N沟道耗尽型绝缘栅场效应管（1）结构和符号图6-32N沟道耗尽型MOS管的结构与符号（2）工作原理二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子，因而在两个N区之间感应出较多的电子，形成原始的导电沟道。21（3）特性曲线2)1(PGSDSSDUUII6.4.2场效应管的微变等效电路gsmdugi0GSPUU图6-33N沟道耗尽型MOS管的转移特性曲线和输出特性曲线图6-34场效应管的微变等效电路226.4.3场效应管主要参数（1）开启电压UT或夹断电压UP开启电压UT是增强型MOS管一个重要参数，UT一般为正值。夹断电压UP是耗尽型MOS管一个重要参数，UP一般为负值。（2）跨导mg常数DSuGSDmuig|mg的单位是西门子。对于增强型场效应管DDOTTGSTDOGSDmiIUUuUIdudig2)1(2对于耗尽型场效应管)1(2PGSPDSSGSDmUUUIdudig（3）最大耗散功率DMPDMDSDDPuiP（4）漏源击穿电压DSBRU)(GSBRDSUu)(要求要求