西工大电工电子第4章半导体器件

第4章半导体器件4.1半导体基础知识4.4绝缘栅场效应管4.3晶体管4.2半导体二极管1.了解半导体二极管、稳压二极管的工作原理和主要参数2.了解双极型晶体管、MOS场效应管的工作原理和主要参数本章要求导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等4.1半导体基础知识半导体的特点:当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变1.掺杂性2.热敏性和光敏性4.1.1本征半导体和掺杂半导体一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺，可以将半导体制成晶体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗本征半导体：完全纯净的、具有晶体结构的半导体晶体硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子二、本征半导体的导电机理1.载流子、自由电子和空穴可以运动的带电粒子（即载流子）2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴动画温度越高，载流子的浓度越高本征半导体中电流组成：（1）自由电子移动产生的电流（2）空穴移动产生的电流三、掺杂半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化P型半导体N型半导体+4+4+5+4多余电子磷离子自由电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子1、N型半导体(电子半导体)2、P型半导体(空穴半导体)+4+4+3+4空穴硼离子P型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子3、掺杂半导体的符号－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体PN结的形成：在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结4.1.2PN结P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄空间电荷区，也称耗尽层漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E扩散和漂移运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变－－－－++++RE一、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流二、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流RE正偏时，PN结电阻很小，正向电流大，PN结导通。反偏时，PN结电阻很大，正向电流很小，PN结截止。PN结具有单向导电性。动画4.2半导体二极管4.2.1基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：D二极管示例4.2.2伏安特性UI导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR反向漏电流死区电压硅管0.5V,锗管0.2V。4.2.3主要参数1.最大整流电流IOM2.反向工作峰值电压URWM3.反向峰值电流IRM4.最高工作频率fM二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0，反向电阻无穷大RLuiuouiuott二极管的应用举例：二极管半波整流动画2动画11.稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定+-UZDZ工作在反向击穿区4.2.4特殊二极管（1）稳定电压UZ（2）动态电阻rZrZ=UZ/IZ（3）最大耗散功率PZM=UZIZM（4）最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin主要参数：2.光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升IU照度增加3.发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似4.3.1基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP型4.3晶体管PNP集电极基极发射极BCE三极管示例BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高BECNNP基极发射极集电极集电结发射结BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管实验电路ICmAAVVUCEUBERBIBECEB4.3.2放大作用结论：1.IE=IB＋ICBCII2.3.要使三极管能放大电流，必须满足内部条件：发射区多数载流子的浓度远大于基区多数载流子的浓度，基区要很薄；必须满足外部条件：发射结加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压（反向偏置）一、输入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE-0.2~-0.3VUCE=0.5V死区电压，硅管0.6V，锗管0.2V4.3.3特性曲线二、输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AIC=IB称为线性区（放大区）当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB线性放大区IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AUCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区饱和区IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AIB=0,IC=ICEO,UBE死区电压，称为截止区。截止区输出特性三个区域的特点:（1）放大区：发射结正偏，集电结反偏即：IC=IB,且IC=IB（2）饱和区：发射结正偏，集电结正偏即：UCEUBE，IBIC，UCE0.3V（3）截止区：发射结反偏即：UBE死区电压，IB=0，IC=ICEO04.3.4主要参数静态电流放大系数：___CBII基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则动态电流放大系数为：BCII1.电流放大系数和___计算中，一般作近似处理：=，常用值为50～2002.集-基极反向饱和电流ICBO发射极开路时，集电结在反向偏置电压作用下，集-基极间的反向漏电流ICBO越小，晶体管工作稳定性越好3.集-基极反向截止电流ICEO基极开路时，集电结处于反向偏置和发射结处于正向偏置时，集-射极间的穿透电流ICEO越小，晶体管越好，受温度影响大，晶体管温度特性差4.集电极最大电流ICM5.集-射极反向击穿电压U（BR）CEO6.集电极最大允许耗散功耗PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区动画：晶体管特性实验电路4.4绝缘栅场效应管场效应管与晶体管不同，它是电压控制元件，输出电流取决于输入电压；输入阻抗高，温度稳定性好结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管IGFET场效应管有两种:N沟道P沟道耗尽型增强型耗尽型增强型MOS绝缘栅场效应管（N沟道）4.4.1基本结构PNNGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层金属铝N导电沟道未预留N沟道增强型预留N沟道耗尽型PNNGSDN沟道增强型（2）符号N沟道耗尽型GSD栅极漏极源极GSD4.4.2工作原理1）uGS对导电沟道的影响（uDS=0）a.当UGS=0，DS间为两个背对背的PN结b.当0UGSUGS(th)（开启电压）时，GB间的垂直电场吸引P区中电子形成离子区（耗尽层）c.当uGSUGS(th)时，衬底中电子被吸引到表面，形成导电沟道。uGS越大沟道越厚反型层(沟道)2）uDS对iD的影响（uGSUGS(th)）DS间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄预夹断（UGD=UGS(th)）：漏极附近反型层消失预夹断发生之前：uDSiD预夹断发生之后：uDSiD不变1.转移特性曲线DSDGS()Uifu2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)当uGSUGS(th)时：2GS(th)GSDOD)1(UuIiuGS=2UGS(th)时的iD值2.漏极特性曲线GSDDS()Uifu可变电阻区uDSuGSUGS(th)uDSiD，直到预夹断饱和（放大区）uDS，iD不变uDS加在耗尽层上，沟道电阻不变截止区uGSUGS(th)全夹断iD=0开启电压iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止区饱和区可变电阻区放大区恒流区OO4.4.3特性曲线4.4.4主要参数1.输入电阻RGS指漏源间短路时，栅、源间加反向电压呈现的直流电阻JFET：RGS107MOSFET：RGS=10910152.开启电压UGS(th)(增强型)夹断电压UGS(off)(耗尽型)指uDS=某值，使漏极电流iD为某一小电流时的uGS值3.跨导gmDGSDSmddiugu常数反映了uGS对iD的控制能力单位S（西门子）常用毫西（mS）晶体三极管场效应管控制方式电流控制电压控制类型NPN型和PNP型N型沟道和P型沟道放大参数β＝20～100gm=1～5mA/V输入电阻102~104Ω107～1014Ω输出电阻rce很高rds很高制造工艺较复杂简单，成本低对应极基极－栅极，发射极－源极，集电极－漏极晶体管和场效应管的比较