《半导体基本器》PPT课件

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1、第二章半导体基本器件 第 二 章 半 导 体 基 本 器 件2.1 半 导 体 二 极 管PN结 的 单 向 导 电 原 理 ， 二 极 管 的 伏 安 特 性2.2 半 导 体 三 极 管 三 极 管 输 出 特 性 中 的 截 止 区 、 放 大 区 和 饱 和区 等 概 念 。 三 极 管 共 发 射 极 电 流 放 大 系 数 的 概 念 三 极 管 开 关 电 路 工 作 状 态 的 分 析 方 法2.3 MOS场 效 应 管 MOS场 效 应 管 的 分 类 及 符 号 增 强 型 NMOS管 的 特 性 曲 线 2.1 半 导 体 二 极 管2.1.1 半 导 体 基 本 知 识

2、1.半 导 体 的 载 流 子 电 子 和 空 穴半 导 体 ： 导 电 性 能 介 于 导 体 和 绝 缘体 之 间 的 物 质 ， 如 硅 (Si),锗 (Ge)。硅 和 锗 的 原 子 结 构 简 化 模 型硅 和 锗 都 是 四 价 元 素 ,原 子 的 最 外层 轨 道 上 有 四 个 价 电 子 。 可 运 动 的 带 电 粒 子 2.1 半 导 体 二 极 管2.1.1 半 导 体 基 本 知 识1.半 导 体 的 载 流 子 电 子 和 空 穴本 征 半 导 体 （ 纯 净 的 半 导 体 晶 体 ）热 激 发 产 生 自 由 电 子 和 空 穴室 温 下 ， 由 于 热 运

3、动 少 数 价 电 子 挣 脱共 价 键 的 束 缚 成 为 自 由 电 子 ， 同 时 在共 价 键 中 留 下 一 个 空 位 这 个 空 位 称 为“ 空 穴 ” 。 失 去 价 电 子 的 原 子 成 为 正离 子 ， 就 好 象 空 穴 带 正 电 荷 一 样 。 2.1 半 导 体 二 极 管2.1.1 半 导 体 基 本 知 识1.半 导 体 的 载 流 子 电 子 和 空 穴空 穴 运 动 （ 与 自 由 电 子 运 动 不 同 ）有 了 空 穴 ， 邻 近 共 价 键 中 的 价 电 子很 容 易 过 来 填 补 这 个 空 穴 ， 这 样 空穴 便 转 移 到 邻 近 共

4、价 键 中 。 新 的 空穴 又 会 被 邻 近 的 价 电 子 填 补 。 带 负电 荷 的 价 电 子 依 次 填 补 空 穴 的 运 动 ，从 效 果 上 看 ， 相 当 于 带 正 电 荷 的 空穴 作 相 反 方 向 的 运 动 。 2.1 半 导 体 二 极 管2.1.1 半 导 体 基 本 知 识1.半 导 体 的 载 流 子 电 子 和 空 穴结 论 ：本 征 半 导 体 中 有 两 种 载 流 子 带 负 电 荷 的 自 由 电 子 带 正 电 荷 的 空 穴 热 激 发 产 生 的 自 由 电 子 和 空 穴 是 成 对 出 现 的 ，电 子 和 空 穴 又 可 能 重 新

5、 结 合 而 成 对 消 失 ， 称 为“ 复 合 ” 。 2.1 半 导 体 二 极 管2.1.1 半 导 体 基 本 知 识2. N型 和 P型 半 导 体(1)N型 半 导 体在 硅 晶 体 中 掺 入 五 价 元 素 磷 , 多 出 的 一个 电 子 不 受 共 价 键 的 束 缚 ,室 温 下 很 容易 成 为 自 由 电 子 。磷 原 子 失 去 一 个 电 子 成 为 正 离 子 （ 在晶 体 中 不 能 移 动 ） 。 每 个 磷 原 子 都 提 供 一 个 自 由 电 子 ， 自由 电 子 数 目 大 大 增 加 ， 远 远 超 过 空 穴数 。 这 种 半 导 体 主 要

6、依 靠 电 子 导 电 ，称 为 电 子 型 或 N型 半 导 体 。 2.1 半 导 体 二 极 管2.1.1 半 导 体 基 本 知 识2. N型 和 P型 半 导 体(1)N型 半 导 体自 由 电 子 ： 多 数 载 流 子 （ 简 称 多 子 ）空 穴 ： 少 数 载 流 子 （ 简 称 少 子 ） 2.1 半 导 体 二 极 管2.1.1 半 导 体 基 本 知 识2. N型 和 P型 半 导 体(2)P型 半 导 体在 硅 晶 体 中 掺 入 三 价 元 素 硼 ,硼 原 子 与相 邻 硅 原 子 组 成 共 价 键 时 由 于 缺 少 一 个价 电 子 而 产 生 一 个 空

7、位 ， 这 个 空 位 很 容易 被 邻 近 共 价 键 中 的 价 电 子 填 补 。硼 原 子 得 到 一 个 电 子 成 为 负 离 子 （ 在 晶体 中 不 能 移 动 ） ， 失 去 价 电 子 的 共 价 键中 出 现 一 个 空 穴 ， 每 个 硼 原 子 都 产 生 一个 空 穴 ， 空 穴 数 目 大 大 增 加 ， 远 远 超 过自 由 电 子 数 。 这 种 半 导 体 主 要 依 靠 空 穴导 电 ， 称 为 空 穴 型 或 P型 半 导 体 。 2.1 半 导 体 二 极 管2.1.1 半 导 体 基 本 知 识2. N型 和 P型 半 导 体(2)P型 半 导 体

8、的 特 点空 穴 ： 多 数 载 流 子 （ 简 称 多 子 ）自 由 电 子 ： 少 数 载 流 子 （ 简 称 少 子 ） 2.1 半 导 体 二 极 管 2.1.1 半 导 体 基 本 知 识 3. PN结 的 形 成 半 导 体 中 载 流 子 有 扩 散 运 动 和 漂 移 运 动 两 种 运 动 方 式 。载 流 子 在 电 场 作 用 下 的 定 向 运 动 称 为 漂 移 运 动 。 半 导体 中 ， 如 果 载 流 子 浓 度 分 布 不 均 匀 ， 因 为 浓 度 差 ， 载流 子 将 会 从 浓 度 高 的 区 域 向 浓 度 低 的 区 域 运 动 ， 这 种运 动 称

9、 为 扩 散 运 动 。 将 一 块 半 导 体 的 一 侧 掺 杂 成 P型 半 导 体 ， 另 一 侧 掺 杂成 N型 半 导 体 ， 在 两 种 半 导 体 的 交 界 面 处 将 形 成 一 个特 殊 的 薄 层 ： PN结 2.1 半 导 体 二 极 管2.1.1 半 导 体 基 本 知 识3. PN结 的 形 成 多 子 扩 散 运 动 形 成 空 间 电 荷 区由 于 浓 度 差 ， 电 子 和 空 穴 扩 散 的 结 果 ， 在 交 界 面 处 出 现由 数 量 相 等 的 正 负 离 子 组 成 的 空 间 电 荷 区 （ PN结 ） ，并 产 生 由 N区 指 向 P区 的

10、 内 电 场 EIN。 内 电 场 EIN阻 止 多 子 扩 散 ， 促 使 少 子 漂 移 。 扩 散 与 漂 移 达 到 动 态 平 衡 形 成 一 定 宽 度 的 PN结 。 2.1 半 导 体 二 极 管2.1.1 半 导 体 基 本 知 识4. PN结 的 单 向 导 电 性 外 加 正 向 电 压 （ 正 向 偏 置 ） 外 加 电 场 与 内 电 场 方 向 相 反 ， 内 电 场 削 弱 ， 扩 散 运 动大 大 超 过 漂 移 运 动 ， N区 电 子 不 断 扩 散 到 P区 ， P区 空穴 不 断 扩 散 到 N区 ， 形 成 较 大 的 正 向 电 流 ， 这 时 称

11、PN结 处 于 “ 导 通 ” 状 态 。 2.1 半 导 体 二 极 管2.1.1 半 导 体 基 本 知 识4. PN结 的 单 向 导 电 性 外 加 反 向 电 压 （ 反 向 偏 置 ） 外 加 电 场 与 内 电 场 方 向 相 同 ， 内 电 场 增 强 ， 多 子 扩 散难 以 进 行 ， 少 子 在 电 场 作 用 下 形 成 反 向 电 流 IR， 因 为是 少 子 漂 移 运 动 产 生 的 ， IR很 小 ， 这 时 称 PN结 处 于“ 截 止 ” 状 态 。 2.1 半 导 体 二 极 管2.1.1 半 导 体 基 本 知 识4. PN结 的 单 向 导 电 性 P

12、N结 伏 安 特 性a. 外 加 正 向 电 压 较 小 时 ， 外 电 场 不 足 以 克 服 内 电 场对 多 子 扩 散 的 阻 力 ， PN结 仍 处 于 截 止 状 态 b. 正 向 电 压 大 于 “ 导 通 电 压 UON”后 ， i 随 着 u 增 大 迅速 上 升 。 Uon 0.5V(硅 ) Uon 0.1V(锗 ) 2.1 半 导 体 二 极 管2.1.1 半 导 体 基 本 知 识4. PN结 的 单 向 导 电 性 PN结 伏 安 特 性c. 外 加 反 向 电 压 时 ， PN结 处 于 截 止 状 态 ， 反 向 电 流 IR 很 小 。 d. 反 向 电 压 大

13、 于 “ 击 穿 电 压 U（ BR） ” 时 ， 反 向 电 流 IR 急 剧 增 加 。 2.1 半 导 体 二 极 管2.1.2 二 极 管 符 号 及 主 要 参 数二 极 管 主 要 参 数 ： 1.最 大 正 向 电 流 IF 2.反 向 击 穿 电 压 U（ BR） A阳 极 K阴 极 IN4148 IN4007 2.1 半 导 体 二 极 管2.1.3 二 极 管 应 用 举 例二 极 管 的 伏 安 特 性 是 一 个 非 线 性 的 曲 线 ， 在 电 路 计算 中 ， 导 通 时 管 压 降 近 似 估 算 为 ： UD0.7V（ 硅 ） UD0.3V（ 锗 ） p42或

14、 视 为 一 个 理 想 开 关 ， 即 导 通 时 视 为 “ 短 路 ” ， 截止 时 视 为 “ 开 路 ” 。 p44 2.2 半 导 体 三 极 管NPN型 和 PNP型 三 极 管 的 结 构 示 意 图 及 电 路 符 号 2.2 半 导 体 三 极 管NPN型 和 PNP型 三 极 管 的 结 构 示 意 图 及 电 路 符 号C 集 电 极B E 发 射 极 P 集 电 结发 射 结 N N C 集 电 极B E 发 射 极基 极 N 集 电 结发 射 结 P P CEB CEB TO-220晶 体 管 TO-92晶 体 管 TO-126晶 体 管 教 材 100 113页

15、TTL Transister Transister Logic 2.2 半 导 体 三 极 管2.2.1 三 极 管 的 符 号 及 其 特 性 曲 线1.三 极 管 的 放 大 原 理条 件 ： 发 射 结 正 向 偏 置 ， 集 电 结 反 向 偏 置电 流 的 分 配 关 系 BC II 称 为 电 流 放 大 系 数 值 通 常 在 20 200之 间 2.2 半 导 体 三 极 管2.2.1 三 极 管 的 符 号 及 其 特 性 曲 线1.三 极 管 的 放 大 原 理条 件 ： 发 射 结 正 向 偏 置 ， 集 电 结 反 向 偏 置电 流 的 分 配 关 系 BC II 称

16、为 电 流 放 大 系 数 值 通 常 在 20 200之 间 2.2 半 导 体 三 极 管2.2.1 三 极 管 的 符 号 及 其 特 性 曲 线2. 三 极 管 的 特 性 曲 线 及 三 个 工 作 区 2.2 半 导 体 三 极 管 2.2.1 三 极 管 的 符 号 及 其 特 性 曲 线2. 三 极 管 的 特 性 曲 线 及 三 个 工 作 区截 止 条 件 ：特 点 ：c e 之 间 相 当 于 断 开 的 开 关 )5.0( VUu ONBE 00 CB II 2.2 半 导 体 三 极 管2.2.1 三 极 管 的 符 号 及 其 特 性 曲 线2. 三 极 管 的 特

17、 性 曲 线 及 三 个 工 作 区放 大 条 件 ：特 点 ：c e 之 间 相 当 于 受 控 电 流 源 )5.0( VUu ONBE BC II BECE Uu 2.2 半 导 体 三 极 管2.2.1 三 极 管 的 符 号 及 其 特 性 曲 线2. 三 极 管 的 特 性 曲 线 及 三 个 工 作 区饱 和 条 件 ：特 点 ：c e 之 间 相 当 于 闭 合 的 开 关ONBE Uu BC II BECE Uu VUu CESCE 3.0 2.2 半 导 体 三 极 管截 止 和 饱 和 两 个 状 态 通 称 为 开 关 状 态 。截 止 条 件 ： 特 点 ：c e 之

18、 间 相 当 于 断 开 的 开 关 。饱 和 条 件 ： 特 点 ： c e 之 间 相 当 于 闭 合 的 开 关 。 ONBE Uu BECE Uu BC II VUu CESCE 3.0 )5.0( VUu ONBE 00 CB II Ib Ic 最 大 电 流 ICM, 最 大 功 率 PCMIcm=600mA; PcM=625mW设 工 作 电 流 Ic = 200mA Uce 625/200 = 3V 共 发 射 极 电 流 放 大 系 数 BCII 2.2.2 三 极 管 的 主 要 参 数 及 应 用 电 路 如 图 所 示 ， 已 知 50， UCES = 0.3 V ，

19、uBE = 0.7 V， 试 计 算 uI 分 别 为 1V， 1V， 3V时 三 极 管 的 工 作 状 态 。 3 K R cR b10 K 2.3 MOS场 效 应 管MOS场 效 应 管 是 利 用 半 导 体 表 面 的 电 场 效 应 来 控 制 输出 电 流 的 ， 输 入 端 不 需 要 供 给 电 流 。P型 硅 片 作 衬 底 ， 表 面 制 作 两 个 N型 区 ， 引 出 源 极 (s)和 漏 极 (d)， 覆 盖 一 层 SiO2， 在 漏 源 之 间 绝 缘 层 上 再制 作 一 层 金 属 铝 ， 引 出 栅 极 (g) 。 金 属 -氧 化 物 -半 导 体 场

20、 效 应 管 （ Metal-Oxide-semiconductor)电 路 符 号g ds 2.3 MOS场 效 应 管uGS= 0 时 ， 漏 源 之 间 相 当于 两 个 背 靠 背 的 PN结 ， 无论 漏 源 之 间 加 何 种 极 性 的 电压 ， 都 不 能 导 电 。uGS 为 正 时 ， 产 生 一 个 电 场 ，把 P型 衬 底 少 子 电 子 吸 引 到衬 底 表 面 ， 当 u GS增 大 到 一定 值 时 ， 电 子 在 衬 底 表 面 形成 一 个 N型 层 即 N型 导 电 沟道 。 2.3 MOS场 效 应 管小 结 ： MOS管 是 一 个 受 栅 源 电 压

21、 uGS控 制 的 器 件 uGS UGS(th)时 ， D-S间 无 导 电 沟 道 ， MOS管 截 止 。 u GS UGS(th)时 ， D-S间 才 会 形 成 导 电 沟 道 ， 故 称 为N沟 道 增 强 型 MOS管 。 uGS增 大 ， 导 电 沟 道 变 宽 。 即 改变 uGS可 以 控 制 iD的 大 小 。 ID=gm UGS IG=0 UG S(th):开 启 电 压转 移 特 性 输 出 特 性 uGS UGS(th)， 管 子 处 于 截 止 状态 ,D、 S之 间 相 当 于 断 开 的 开 关uGS UGS(th) ， uDS较 小 。 iD与 uDS之 间

22、 近 似 为 线 性 关 系 ， D、 S之 间 相 当 于 一 个 由 uGS控 制 的 可 变 电 阻 。 uGS UGS(th) ， uDS较 大 ， iD取决 于 uGS。 ID=gm UGS 转 移 特 性 输 出 特 性在 夹 断 区 ， 管 子 处 于 截 止 状 态,D、 S之 间 相 当 于 断 开 的 开 关 。在 可 变 电 阻 区 ， D、 S之 间 导 通 电 阻 rDS(ON)很 小 ， 约 为 几百 欧 姆 。 只 要 RD远 大 于 这 个 导 通 电 阻 ， 漏 源 之 间 可 以看 作 闭 合 的 开 关 。 MOS管 的 开 关 特 性 n ppP沟 道 增 强 型 MOS管 S D 电 流 从 S流 入 ， D流 出P沟 道 增 强 型 MOS管