第二章半导体器件补充部分课件.ppt
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- 第二 半导体器件 补充 部分 课件
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1、第二章第二章-半导体器件半导体器件(补充部补充部分分).半导体的特性半导体的特性半导体:半导体:导电性能介于导体和半导体之间的物质。大导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗和锗(Ge)。图图 1.1.1硅原子结构硅原子结构(a)硅的原子结构图硅的原子结构图 价电子价电子+4(b)简化模型简化模型本征半导体本征半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。体称为本征半导体。将硅或锗材将硅或锗材料提纯便形成单料提纯便形成
2、单晶体,它的原子晶体,它的原子结构为共价键结结构为共价键结构。构。价价电电子子共共价价键键图图 1.1.2单晶体中的共价键结构单晶体中的共价键结构当温度当温度 T=0 K 时,半时,半导体不导电,如同绝缘体。导体不导电,如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 1.1.3本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 若若 T ,将有少数价,将有少数价电子克服共价键的束缚成电子克服共价键的束缚成为为自由电子自由电子,在原来的共,在原来的共价键中留下一个空位价键中留下一个空位空穴。空穴。T 自由电子自由电子和和空穴空穴使使本本征半导体具有导电能力,
3、征半导体具有导电能力,但很微弱。但很微弱。空穴可看成带正电的空穴可看成带正电的载流子。载流子。1.半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2.本征半导体中,自由电子和空穴总是成对出现,本征半导体中,自由电子和空穴总是成对出现,称为称为 电子电子-空穴对。空穴对。3.本征半导体中本征半导体中自由电子自由电子和和空穴空穴的浓度的浓度用用 ni 和和 pi 表示,显然表示,显然 ni=pi。4.由于物质的运动,自由电子和空穴不断的产生又由于物质的运动,自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。不断的复合。在一定的温度下,产生与复合运动会达到在一定的温
4、度下,产生与复合运动会达到平衡,载流子的浓度就一定了。平衡,载流子的浓度就一定了。5.载流子的浓度与温度密切相关,它随着温度的升载流子的浓度与温度密切相关,它随着温度的升高,基本按指数规律增加。高,基本按指数规律增加。杂质半导体杂质半导体N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体一、一、N 型半导体型半导体掺入少量的掺入少量的 5 价价杂质元素,如磷、锑、砷等杂质元素,如磷、锑、砷等电子浓度多于空穴浓度,即电子浓度多于空穴浓度,即 n p。电子为多数载流子电子为多数载流子,空穴为少数载流子。空穴为少数载流子。多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5+4+4+4
5、+4+4+4+4+4+4二、二、P 型半导体型半导体掺入少量的掺入少量的 3 价价杂质元素,如硼、镓、铟等杂质元素,如硼、镓、铟等+3空穴浓度多于电子空穴浓度多于电子浓度,即浓度,即 p n。空穴空穴为多数载流子为多数载流子,电子为,电子为少数载流子。少数载流子。受主受主原子原子空穴空穴图图 1.1.5P 型半导体的晶体结构型半导体的晶体结构半导体二极管半导体二极管PN 结及其单向导电性结及其单向导电性 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体,另型半导体,另一侧掺杂成为一侧掺杂成为 N 型半导体,两个区域的交界处就形成了型半导体,两个区域的交界处就形成了一个
6、特殊的薄层,一个特殊的薄层,称为称为 PN 结结。PNPN结结图图 1.2.1PN 结的形成结的形成一、一、PN 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1.扩散运动扩散运动2.扩散运动扩散运动形成空间电荷区形成空间电荷区电 子 和 空 穴电 子 和 空 穴浓度差形成浓度差形成多数多数载流子的扩散运载流子的扩散运动。动。PN 结,耗结,耗尽层。尽层。图图 1.2.1PN3.空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒电位壁垒;内电场内电场;内电场阻止多子的扩散
7、;内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4.漂移运动漂移运动内电场有利内电场有利于少子运动于少子运动漂漂移。移。少子的运动少子的运动与多子运动方向与多子运动方向相反相反 阻挡层阻挡层图图 1.2.1(b)5.扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐渐减小;扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐渐减小;随着内电场的增强,漂移运动逐渐增加;随着内电场的增强,漂移运动逐渐增加;当扩散电流与漂移电流相等时,当扩散电流与漂移电流相等时,PN 结总的电流结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米;几十微米;等于零,空间电荷区的宽度达到稳定。即等
8、于零,空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与扩散运动与漂移运动达到动态平衡。漂移运动达到动态平衡。电压壁垒电压壁垒 UD,硅材料约为,硅材料约为(0.6 0.8)V,锗材料约为锗材料约为(0.2 0.3)V。1.外加正向电压外加正向电压又称正向偏置,简称正偏。又称正向偏置,简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区VRI空间电荷区变窄,有利空间电荷区变窄,有利于扩散运动,电路中有于扩散运动,电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。图图 1.2.2PN2.外加反向电压外加反向电压(反偏反偏)不利于扩散运动,有利于漂移运动,漂移电流大于扩不利于扩散运动,有利于漂移运动,
9、漂移电流大于扩散电流,电路中产生非常小的反向电流散电流,电路中产生非常小的反向电流 IS;空间电荷区空间电荷区反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感,随随着温度升高,着温度升高,IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS综上所述:综上所述:当当 PN 结正向偏置时,回路中将产生一个较大的结正向偏置时,回路中将产生一个较大的正向电流,正向电流,PN 结处于结处于 导通状态导通状态;当;当 PN 结反向偏置结反向偏置时,回路中反向电流非常小,几乎等于零,时,回路中反向电流非常小,几乎等于零,PN 结处结处于于截止状态截止
10、状态。可见,可见,PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。二极管的伏安特性二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压,测量流过管子的电流,在二极管的两端加上电压,测量流过管子的电流,I=f(U)之间的关系曲线之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550I/mAU/V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反向特性反向特性 50I/mAU/V0.20.4 25510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0图图 1.2.4二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.正向特性正向特性当正向电压比较小时,正向电流很小,几乎为零
11、。当正向电压比较小时,正向电流很小,几乎为零。相应的电压叫相应的电压叫死区电压死区电压。范。范围称围称死区。死区电压死区。死区电压与材料和温与材料和温度有关,硅管约度有关,硅管约 0.5 V 左右,锗左右,锗管约管约 0.1 V 左右。左右。正向特性正向特性死区死区电压电压60402000.4 0.8I/mAU/V当正向电压超过死区电压后,当正向电压超过死区电压后,随着电压的升高,正向电流迅速随着电压的升高,正向电流迅速增大。增大。2.反向特性反向特性 0.02 0.0402550I/mAU/V反向特性反向特性当电压超过零点几伏后,当电压超过零点几伏后,反向电流不随电压增加而增反向电流不随电压
12、增加而增大,即饱和;大,即饱和;二极管加反向电压,反二极管加反向电压,反向电流很小;向电流很小;如果反向电压继续升高,大到一定数值时,反向电如果反向电压继续升高,大到一定数值时,反向电流会突然增大;流会突然增大;反向饱反向饱和电流和电流 这种现象称这种现象称击穿击穿,对应电压叫,对应电压叫反向击穿电压反向击穿电压。击穿并不意味管子损坏,若控制击穿电流,电压降击穿并不意味管子损坏,若控制击穿电流,电压降低后,还可恢复正常。低后,还可恢复正常。击穿击穿电压电压U(BR)结论:结论:二极管具有单向导电性。加正向电压时导通,呈现二极管具有单向导电性。加正向电压时导通,呈现很小的正向电阻,如同开关闭合;
13、加反向电压时截止,很小的正向电阻,如同开关闭合;加反向电压时截止,呈现很大的反向电阻,如同开关断开。呈现很大的反向电阻,如同开关断开。从二极管伏安特性曲线可以看出,二极管的电压与从二极管伏安特性曲线可以看出,二极管的电压与电流变化不呈线性关系,其内阻不是常数,所以二极管电流变化不呈线性关系,其内阻不是常数,所以二极管属于非线性器件。属于非线性器件。双极型三极管双极型三极管(BJT)又称半导体三极管、晶体管,或简称为三极管。又称半导体三极管、晶体管,或简称为三极管。(Bipolar Junction Transistor)三极管的外形如下图所示。三极管的外形如下图所示。三极管有两种类型:三极管有
14、两种类型:NPN 和和 PNP 型。型。主要以主要以 NPN 型为例进行讨论。型为例进行讨论。图图 1.3.1三极管的外形三极管的外形三极管的结构三极管的结构常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。型。图图1.3.2三极管的结构三极管的结构(a)平面型平面型(NPN)NecNPb二氧化硅二氧化硅e 发射极,发射极,b 基 极,基 极,c 集电极。集电极。图图 1.3.3三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号(a)NPN 型型ecb符号符号集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c基极基极 b发射极发射极 e
15、NNP集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c发射极发射极 e基极基极 bcbe符号符号NNPPN图图 1.3.3三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号(b)PNP 型型三极管的放大作用三极管的放大作用和载流子的运动和载流子的运动以以 NPN 型三极管为例讨论型三极管为例讨论图图1.3.4三极管中的两个三极管中的两个 PN 结结cNNPebbec表面看表面看三极管若实三极管若实现放大,必须从现放大,必须从三极管内部结构三极管内部结构和和外部所加电源外部所加电源的极性的极性来保证。来保证。不具备不具备放大作用放大作用三极管内部结构要求:三极管内部结构要求:N
16、NPebcN N NP P P1.发射区高掺杂。发射区高掺杂。2.基区做得很薄基区做得很薄。通常只有。通常只有几微米到几十微米,而且几微米到几十微米,而且掺杂较掺杂较少少。三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件:外加电源的极性应使:外加电源的极性应使发射发射结处于正向偏置结处于正向偏置状态,而状态,而集电结处于反向偏置集电结处于反向偏置状态。状态。3.集电结面积大。集电结面积大。三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程 发射区向基区注入电发射区向基区注入电子,形成电子电流子,形成电子电流IEn,同时基区向发射区注入同时基区向发射区注入空穴,形成空穴电流空穴,形成空穴电流IEp,因为因为I
17、EnIEp,所以发射,所以发射极电流极电流IEIEn。注入电子在基区注入电子在基区边扩散边复合,形成边扩散边复合,形成复合电流复合电流IBn。集电区收集扩散来的电子,集电区收集扩散来的电子,形成集电极电流形成集电极电流IC。集电结两边少子的漂移,形成集电结漂移电流,集电结两边少子的漂移,形成集电结漂移电流,通常称为反向饱和电流通常称为反向饱和电流ICBO。电子注入电子注入复复合合少子漂移少子漂移一、输入特性一、输入特性常常数数 CE)(BEBUUfI (1)UCE=0 时的输入特时的输入特性曲线性曲线RbVBBcebIB+UBE_VBBIB+UBE_bceV/BEUO0CE UIB/A 当当
18、UCE=0 时,基极和发时,基极和发射极之间相当于两个射极之间相当于两个 PN 结结并联。所以,当并联。所以,当 b、e 之间加之间加正向电压时,应为两个二极正向电压时,应为两个二极管并联后的正向伏安特性。管并联后的正向伏安特性。1.3.3三极管的特性曲线三极管的特性曲线(2)UCE 0 时的输入特性曲线时的输入特性曲线当当 UCE 0 时,这个电压有利于将发射区扩散到基区的时,这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。电子收集到集电极。UCE UBE,三极管处于放大状态。,三极管处于放大状态。*特性右移特性右移(因集电因集电结开始吸引电子结开始吸引电子)VCE1UV/BEUO0CE
19、 UIB/AUCE 1 时的输入特性具有实用意义。时的输入特性具有实用意义。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV+V+A+mAUBE*UCE 1 V,特,特性曲线重合。性曲线重合。图图 1.3.6三极管共射特性曲线测试电路三极管共射特性曲线测试电路图图 1.3.8三极管的输入特性三极管的输入特性二、输出特性二、输出特性图图 1.3.9NPN 三极管的输出特性曲线三极管的输出特性曲线划分三个区:截止区、划分三个区:截止区、放大区和饱和区。放大区和饱和区。截止区截止区放放大大区区饱饱和和区区放放大大区区1.截止区截止区IB 0 的的区域。区域。两个结都处于反向偏两个结都处于反向偏置。置。IB
20、=0 时,时,IC=ICEO。硅管约等于硅管约等于 1 A,锗管,锗管约为几十约为几十 几百微安。几百微安。常数常数 B)(CECIUfI截止区截止区截止区截止区IC/mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB=0O 5 10 1543212.放大区:放大区:条件:条件:发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏特点特点:各条输出特性曲各条输出特性曲线比较平坦,近似为水平线,线比较平坦,近似为水平线,且等间隔。且等间隔。二、输出特性二、输出特性放放大大区区集电极电流和基极电流集电极电流和基极电流体现放大作用,即体现放大作用,即BC II 放放大大区区放放大大区区对对 NPN 管
21、管 UBE 0,UBC 0 UBC 0。特点特点:IC 基本上不随基本上不随 IB 而变化,在饱和区三极管失而变化,在饱和区三极管失去放大作用。去放大作用。I C IB。当当 UCE=UBE,即,即 UCB=0 时,称时,称临界饱和临界饱和,UCE UBE时称为时称为过饱和过饱和。饱和管压降饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管硅管),UCES 0.2 V(锗管锗管)饱饱和和区区饱饱和和区区饱饱和和区区判断判断BJTBJT工作状态的关键知识工作状态的关键知识Je零偏或反偏,零偏或反偏,Jc也反偏也反偏BJT截止截止Je正偏正偏放大还是饱和?放大还是饱和?)(锗管约硅管Vu3.07.0V BE先
22、假设饱和求先假设饱和求IBSIBS=ICS/再求再求IB比较比较IB与与IBSIB IBS饱和管压降饱和管压降BJT饱和饱和0.1V)锗管约硅管(V 0.3uCES进而确定进而确定I C 和和UCE VCCVBBRbRc10V2V2K20K+UBE+UCEIBIC题题114(a):已知三极管:已知三极管=50,UBE 0.7V。试估算电路。试估算电路中的中的IC、UCE,判断工作状态。,判断工作状态。解解:(1)Je正偏,假设正偏,假设BJT饱和导通饱和导通.饱和导饱和导通条件:通条件:BSBII cCESCCCSBSRUVIImA 1.0mA25010 cCCRVbBEBBBRUVImA 0
23、65.0mA207.02(2)求求IB(3)IB IBS放大放大(4)求求IC和和UCEI C IB3.25mAVIRVU5.325.3210CcCCCE1.3.4三极管的主要参数三极管的主要参数一、电流放大系数一、电流放大系数是表征管子放大作用的参数。有以下几个:是表征管子放大作用的参数。有以下几个:1.共射电流放大系数共射电流放大系数 BCII 2.共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数 BCII 3.共基电流放大系数共基电流放大系数 ECII 4.共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数 ECII +1 1或或二、反向饱和电流二、反向饱和电流1.集电极和基极之间的反向饱和电流集电极和基
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