常用半导体器件概要介绍

常用半导体器件概要介绍 非纯理论性课程实践性很强,定量计算多以工程的观点来处理电路中的一些问题,抓主要矛盾，忽略次要矛盾，采用工程近似的方法简化实际问题，允许有一定的误差（±10％工程误差）是一门电气类专业基础课，为后续课程打基础。特点：性质： 基本放大电路差分放大电路集成运算放大电路负反馈放大电路功率放大电路器件：放大电路：二极管三极管本课程的主要内容： 本课程的任务1、掌握各种功能电路的组成原理及其性能特点，能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对简单的单元电路进行设计。2、掌握电子技术的基本理论、基本知识、基本技能，为后续课程打好基础。 建立新概念。确立新的分析方法。重点在于课堂听讲。注重实验环节，先理论分析，后实践，然后再对实验的结果进行探讨。认真复习、练习。本课程的学习方法 4集成运算放大电路2基本放大电路1常用半导体器件3多级放大电路5放大电路的频率响应6放大电路中的反馈7信号的运算与处理电路8波形的发生和信号的转换9功率放大电路10直流稳压电源 第一章半导体器件基础1.1半导体基本知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4场效应管1.5单结晶体管和晶闸管 1.1半导体的基本知识在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。硅原子锗原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图(c) 本征半导体的共价键结构束缚电子在绝对温度T=0K时，所有的价电子都紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力接近绝缘体。一.本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。物理结构呈单晶体形态。 这一现象称为本征激发，也称热激发。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。空穴动画演示1 电子空穴对的特点：（1）由本征激发成对产生由复合运动成对消失。（2）数量受温度影响。（3）动态平衡时，浓度一定与本征激发相反的现象——复合常温300K时：电子空穴对的浓度硅：锗：自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对 自由电子：带负电荷-逆电场运动-电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E＋－＋总电流载流子空穴：带正电荷-顺电场运动-空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制：动画演示2 多余电子磷原子硅原子多数载流子——自由电子少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对二.杂质半导体在本征半导体中掺入微量特定元素的半导体称为杂质半导体。1.N型半导体（掺入五价杂质元素，例如磷，砷等） 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对2.P型半导体 杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子少子浓度——本征激发产生，与温度有关多子浓度——掺杂产生，与温度无关 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm332掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm3 内电场E因多子浓度差形成内电场多子的扩散空间电荷区阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层三.PN结及其单向导电性1.PN结的形成 动画演示3少子漂移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，E内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流＝漂移电流总电流＝0势垒UO硅0.5V锗0.1V 2.PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流动画演示4 (2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IRPN在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。动画演示5 PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。 3.PN结的伏安特性曲线及表达式根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图正偏IF（多子扩散）IR（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿 ※PN结的反向击穿分类：电击穿——可逆热击穿——烧坏PN结击穿机理：击穿效果： 根据理论分析：u为PN结两端的电压降i为流过PN结的电流IS为反向饱和电流UT=kT/q称为温度的电压当量其中k为玻耳兹曼常数1.38×10－23q为电子电荷量1.6×10－9T为热力学温度对于室温（相当T=300K）则有UT=26mV。当u>0u>>UT时当u<0|u|>>|UT|时 4.PN结的电容效应当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。(1)势垒电容CB (2)扩散电容CD当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来极间电容（结电容） 1.2半导体二极管二极管=PN结+管壳+引线NP结构：符号：阳极+阴极- 分类：(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。 (3)平面型二极管用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于低频大电流整流电路。 半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。 一、半导体二极管的V—A特性曲线硅：0.5V锗：0.1V(1)正向特性导通压降反向饱和电流(2)反向特性死区电压击穿电压UBR实验曲线：uEiVmAuEiVuA锗硅：0.7V锗：0.3V 二、二极管的模型及近似分析计算例：IR10VE1kΩD—非线性器件iuRLC—线性器件 二极管的模型DU串联电压源模型UD二极管的导通压降。硅管0.7V；锗管0.3V。理想二极管模型正偏反偏导通压降二极管的V—A特性 二极管的近似分析计算：IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串联电压源模型测量值9.32mA相对误差理想二极管模型RI10VE1kΩ相对误差0.7V 例：二极管构成的限幅电路如图所示，R＝1kΩ，UREF=2V，输入信号为ui。(1)若ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo解：（1）采用理想模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。 （2）如果ui为幅度±4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。解：①采用理想二极管模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot 02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V②采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。 三、二极管的主要参数(1)最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压UBR———二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。(3)反向电流IR——在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。 当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数稳定电压四、稳压二极管稳压管是工作在反向击穿区的特殊二极管（面结型、硅、高掺杂）正向同二极管反偏电压≥UZ反向击穿＋UZ－限流电阻 稳压二极管的主要参数(1)稳定电压UZ——(2)动态电阻rZ——在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=U/IrZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。(3)最小稳定工作电流IZmin——保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。(4)最大稳定工作电流IZmax——超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。 特殊二极管：1、变容二极管：利用其结电容效应，其电容量与本身结构、工艺、外加反向电压有关，随外加反向电压增大而减少。C：5－300pF，Cmax：Cmin=5：1高频技术（调谐、调制等）应用较多2、光电二极管：需光照、反偏压、其反向电流与光照度成正比。用于光测量，将光信号－－电信号，光电传感器、遥控、报警电路中。3、发光二极管：正偏压（1－2.5V），发光颜色与所用材料有关。常作为显示器件、电光转换器件与光电二极管合用于光电传输系统。4、激光二极管：产生相干的单色光信号（红外线），利于光缆有效传输。用于小功率的光电设备，如光驱、激光打印头。 1.3双极型三极管半导体双极型三极管，俗称晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，被称为双极型晶体管（BipolarJunctionTransistor,简称BJT）。BJT是由两个PN结组成的。 一.BJT的结构NPN型PNP型符号:三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度＞＞集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。--NNP发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极--PPN发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极---ecb---ecb 二．BJT的内部工作原理（NPN管）若在放大工作态：发射结正偏：+UCE－＋UBE－＋UCB－集电结反偏：由VBB保证由VCC、VBB保证UCB=UCE-UBE>0共发射极接法c区b区e区三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。 1．BJT内部的载流子传输过程（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子，形成了扩散电流IEN。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。所以发射极电流IE≈IEN。（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流IB≈IBN。大部分到达了集电区的边缘。 另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN。 2．电流分配关系IE=IC+IB定义：(1)IC与IE之间的关系:所以:其值的大小约为0.9～0.99。三个电极上的电流关系: (2)IC与IB之间的关系：联立以下两式：得：所以：得：令： （1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。三.BJT的特性曲线（共发射极接法）(1)输入特性曲线iB=f(uBE)uCE=const（3）uCE≥1V再增加时，曲线右移很不明显。（2）当uCE=1V时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一uBE电压下，iB减小。特性曲线将向右稍微移动一些。死区电压硅0.5V锗0.1V导通压降硅0.7V锗0.2V (2)输出特性曲线iC=f(uCE)iB=const（1）当uCE=0V时，因集电极无收集作用，iC=0。（2）uCE↑→Ic↑。（3）当uCE＞1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。同理，可作出iB=其他值的曲线。现以iB=60uA一条加以说明。 饱和区——iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE＜0.7V。此时发射结正偏，集电结也正偏。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区——曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。该区中有：饱和区放大区截止区输出特性曲线可以分为三个区域: 四.BJT的主要参数（2）共基极电流放大系数：iCE△=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAI△BBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20~200之间2.31.5（1）共发射极电流放大系数：1.电流放大系数 （2）集电极发射极间的穿透电流ICEO基极开路时，集电极到发射极间的电流——穿透电流。其大小与温度有关。（1）集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。锗管：ICBO为微安数量级，硅管：ICBO为纳安数量级。++ICBOecbICEO2.极间反向电流 3.极限参数（1）集电极最大允许电流ICM（2）集电极最大允许功率损耗PCM集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PC=ICUCEPCM<PCMIc增加时，要下降。当值下降到线性放大区值的70％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。 （3）反向击穿电压:①U（BR）EBO——集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏～十几伏。②U（BR）CBO——发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏～几百伏。③U（BR）CEO——基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。在实际使用时，还有U（BR）CER、U（BR）CES等击穿电压。--(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOUBJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种： ※半导体三极管的型号第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B 五、三极管的模型及分析方法iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uAUD=0.7VUCES=0.3ViB≈0iC≈0（一）BJT的模型++++i-uBE+-uBCE+Cibeec 截止状态ecb放大状态UDβIBICIBecb发射结导通压降UD:硅管0.7V锗管0.2V饱和状态ecbUDUCES饱和压降UCES:硅管0.3V锗管0.1V直流模型 二.BJT电路的分析方法（直流）1.模型分析法（近似估算法、公式法）VCCVBBRbRc12V6V4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC例：共射电路如图，已知三极管为硅管，β=40，试求电路中的直流量IB、IC、UBE、UCE。 +VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC0.7VβIBecbIC+UBE—IB+VBBRb(+6V)150KΩ+UCE—解：设三极管工作在放大状态，用放大模型代替三极管。UBE=0.7V 2.图解法VCCVBBRbRc12V6V4KΩ150KΩ+uCE—IB=40μAiC非线性部分线性部分iC=f(uCE)iB=40μAM(VCC,0)(12,0)(0,3)iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB直流负载线斜率：UCEQ6VICQ1.5mAIB=40μAIC=1.5mAUCEQ=6V直流工作点Q 1.4场效应三极管BJT是一种电流控制电流的元件(iB~iC)，俗称流控元件.工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。FET分类：绝缘栅型场效应管结型场效应管N沟道P沟道场效应管（FieldEffectTransistor简称FET）是一种电压控制电流的器件(uGS~iD)，俗称压控元件.工作时，只有一种载流子参与导电，因此称为单极型器件。FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高，易集成等优点，得到了广泛应用。增强型耗尽型P沟道N沟道P沟道N沟道 一、结型场效应管两个PN结夹着一个N型沟道（P区高掺杂）。三个电极：G：栅极D：漏极S：源极符号：N沟道P沟道1.结型场效应管的结构（以N沟为例）： 2.结型场效应管的工作原理（1）栅源电压对沟道的控制作用②当│uGS│↑时，PN结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。③当│uGS│↑到一定值时，沟道会完全合拢。定义：夹断电压UP——使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压uGS。在栅源间加负电压uGS，令uDS=0①当uGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。 （2）漏源电压对沟道的控制作用在漏源间加电压uDS，令uGS=0由于uGS=0，所以导电沟道最宽。①当uDS=0时，iD=0。②uDS↑→iD↑→靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。③当uDS↑，使uGD=uGS-uDS=UP时，在靠漏极处夹断——预夹断。预夹断前，uDS↑→iD↑。预夹断后，uDS↑→iD几乎不变。④uDS再↑，预夹断点下移。（3）栅源电压uGS和漏源电压uDS共同作用iD=f（uGS、uDS）,可用输两组特性曲线来描绘。 （1）输出特性曲线：iD=f（uDS）│uGS=常数3、结型场效应三极管的特性曲线uGS=0VuGS=-1V设：UP=-3V 四个区：恒流区的特点：△iD/△uGS=gm≈常数即：△iD=gm△uGS（放大原理）（a）可变电阻区（预夹断前）。（b）恒流区也称饱和区（预夹断后）。（c）夹断区（截止区）。（d）击穿区。恒流区截止区击穿区IDSS是饱和漏极电流 一个重要参数——跨导gm：gm=iD/uGSuDS=const(单位mS)gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。 （2）转移特性曲线：iD=f（uGS）│uDS=常数可根据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线： 二、绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(MetalOxideSemiconductorFET)，简称MOSFET。分为：增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道1.N沟道增强型MOS管（高掺杂N区）（1）结构4个电极：漏极D,源极S栅极G,衬底B符号：----gsdb （2）工作原理再增加uGS→纵向电场↑→将P区少子电子聚集到P区表面→形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。①栅源电压uGS的控制作用当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。当uGS＞0V时→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→耗尽层。 定义：开启电压（UT）——刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。N沟道增强型MOS管的基本特性：uGS＜UT，管子截止，uGS＞UT，管子导通。uGS越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。 （3）特性曲线：输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=const可变电阻区IDO是UGS=2UT时的漏极电流在饱和区：(设：UT=3V)恒流区截止区u=3VDSGSuGS=5VuuuGS(mA)=4VDiGS=6V 可根据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：UT转移特性曲线：iD=f(uGS)uDS=const 2、N沟道耗尽型MOSFET在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。定义：夹断电压（UP）——沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。特点：当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。当uGS＞0时，沟道增宽，iD进一步增加。当uGS＜0时，沟道变窄，iD减小。符号： 3、P沟道耗尽型MOSFETP沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。----gsdb符号： 三.场效应管的主要参数:（2）夹断电压UPUP是MOS耗尽型和结型FET的参数，当uGS=UP时,漏极电流为零。（3）饱和漏极电流IDSSMOS耗尽型和结型FET的重要参数,当uGS=0时所对应的漏极电流。（4）输入电阻RGS结型场效应管，RGS大于107Ω，MOS场效应管,RGS可达109～1015Ω。(1)开启电压UTUT是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。（一）直流参数： （二）交流参数：1、低频跨导gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子)(0.1---20之间。)2、极间电容三个电极间的等效电容，CGS、CGD、CDS(一般几个PF,电容小，管子高频性能好。)（三）极限参数：1、最大漏极功耗PDMPDM=UDSID，与双极型三极管的PCM相当，决定管子的温升。 2、漏源击穿电压U(BR)DSID剧增产生的击穿电压，外工作电压应小于此值。3、栅源击穿电压U(BR)GSJFET:PN结反偏，击穿电压。MOSFET:二氧化硅绝缘层击穿，管子损坏。 双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管单极型场效应管载流子多子扩散少子漂移多子漂移输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源电压控制电流源输入电阻几十到几千欧几兆欧以上噪声较大较小静电影响不受静电影响易受静电影响制造工艺使用受限，不宜大规模集成使用灵活，适宜大规模和超大规模集成 本章小结1．半导体材料中有两种载流子：电子和空穴。电子带负电，空穴带正电。在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到N型半导体和P型半导体。2．采用一定的工艺措施，使P型和N型半导体结合在一起，就形成了PN结。PN结的基本特点是单向导电性。3．二极管是由一个PN结构成的。其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述。在研究二极管电路时，可根据不同情况，使用不同的二极管模型。4．BJT是由两个PN结构成的。工作时，有两种载流子参与导电，称为双极型晶体管。BJT是一种电流控制电流型的器件，改变基极电流就可以控制集电极电流。BJT的特性可用输入特性曲线和输出特性曲线来描述。其性能可以用一系列参数来表征。BJT有三个工作区：饱和区、放大器和截止区。 1.5单结晶体管和晶闸管根据PN结外加电压时的工作特点,还可以由PN结构成其它类型的三端器件。本节将介绍利用一个PN结构成的具有负阻特性的器件——单结晶体管以及利用三个PN结构成的大功率可控整流器件——晶闸管。 1.5.1单结晶体管一.单结晶体管的结构示意图和等效电路 二.工作原理和特性曲线图1.5.2单结晶体管特性曲线的测试 三.应用举例图1.5.3单结晶体管组成的振荡电路 1.5.2晶闸管图1.5.4晶闸管的外形 图1.5.5晶闸管的结构、等效电路和符号 二.工作原理图1.5.6晶闸管的工作原理 三.晶闸管的伏安特性图1.5.7晶闸管的伏安特性曲线 例1.5.1图1.5.8例1.5.2电路及波形图