北邮模电第一讲半导体器件基础课件.ppt

电子电路基础,第一讲半导体器件基础,参考书目,模拟电子技术基础，董诗白等，,高等教育出版社，面向21世纪课程教材,电子技术基础,康华光,高教出版社,电子线路基础,高文焕,高教出版社,主要内容,1.1 半导体及其特性,1.2 PN结及其特性,1.3 半导体二极管,1.4 半导体三极管及其工作原理,1.5 三极管的共射特性曲线及主要参数,本征半导体及其特性,导 体 (Conductor),电导率 105,铝、金、钨、铜等金属，镍铬等合金。,半导体 (Semiconductor),电导率 10-9 102,硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化镓、重掺杂多晶硅,绝缘体 (Insulator),电导率10-22 10-14,二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等,2、半导体性能,半导体三大特性,搀杂特性,热敏特性,光敏特性,本征半导体,晶格完整（金刚石结构）,纯净（无杂质）的半导体,1、硅、锗原子的简化模型,半导体元素：均为四价元素,半导体结构的描述,两种理论体系共价键 结构能级能带 结构,共价键结构（平面图）,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体,半导体中的载流子,载流子(Carrier) 指半导体结构中获得运动能量的带电粒子。有温度环境就有载流子。绝对零度（-2730C）时晶体中无自由电子。,热激发（本征激发）,本征激发 和温度有关会成对产生电子空穴对- 自由电子(Free Electron)- 空 穴(Hole)两种载流子（带电粒子）是半导体的重要概念。,本征激发与复合,合二为一,一分为二,本征激发,复 合,杂质半导体,(Impurity Semiconductor )杂质半导体：在纯净半导体中掺入杂质 所形成。杂质半导体分两大类：N型 (N type)半导体P型 (P type)半导体,1、N型半导体,施主杂质(Donor impurities) ：掺入五价元素，如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)。正离子状态：失去多余电子后束缚在晶格内不能移动。,图示： N型半导体结构示意图,1、 N型半导体,自由电子数= 空 穴 数 + 施主杂质数,少子(Minority)：空 穴(Hole),多子(Majority)：自由电子(Free Electron),N型半导体：电子型半导体,2、 P型半导体,受主杂质(Acceptor impurities) ：,掺入三价元素，如硼(B)、铝(Al)、铟(In)。,负离子状态：,易接受其它自由电子,图示： P型半导体结构示意图,空穴,空位,P型半导体,空 穴 数 = 自由电子数 + 受主杂质数,少子(Minority ：自由电子(Free Electron),多子(Majority) ：空 穴(Hole),P型半导体：空穴型半导体,杂质半导体的载流子浓度,杂质半导体少子浓度,主要由本征激发决定的,杂质半导体多子浓度,由搀杂浓度决定（是固定的）,几乎与温度无关,对温度变化敏感,杂质半导体就整体来说还是呈电中性的,半导体中的电流,是由电场力引起的载流子定向运动,漂移电流(Drift Current),扩散电流(Diffusion Current),由载流子浓度、迁移速度、外加电场强度等决定,是由载流子浓度不均匀（浓度梯度）造成的,扩散电流与浓度本身无关,1.2 PN结及其特性,PN结是构成半导体器件的 核心结构。,PN结是指使用半导体工艺使N型和P型半导体,结合处所形成的 特殊结构。,PN结是半导体器件的 心脏。,P型半导体,N型半导体,扩散运动,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。,PN结的形成,说明：,（1）空间电荷区（耗尽层、势垒区、高阻区）内,几乎没有载流子，其厚度约为0.5,（2）内电场的大小,硅半导体：,锗半导体：,（3）当两边的掺杂浓度相等时，PN结是对称的,当两边的掺杂浓度不等时，PN结不对称,（4）从宏观上看，自由状态下，PN结中无电流,1、PN 结正向偏置P 区加正、N 区加负电压,内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。,正向导通,2、PN 结反向偏置P 区加负、N 区加正电压,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子的漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,反向截止,三、半导体二极管,伏安曲线,两种击穿：,（1）齐纳击穿,（场致激发）,（2）雪崩击穿,（碰撞激发）,死区电压 硅管0.4V锗管0.1V,反向击穿电压UBR,导通电压:硅管0.7V锗管0.3V,开启电压:硅管0.6V锗管0.2V,二极管特性的解析式,伏安表达式：,常温下,则,当 时， ，反向电流基本不变,二极管的等效电阻,直流等效电阻也称静态电阻：,交流等效电阻：,常温下,二极管的主要参数,最大整流电流IM：IM是二极管长期运行时,允许通过的最大正向平均电流,反向击穿电压UBR：UBR是二极管反向电流,明显增大，超过某个规定值时的反向电压,反向电流IS：IS是二极管未击穿时的反向,饱和电流。 IS愈小，二极管的单向导电性,最高工作频率fM：fM是二极管工作的上限频率,愈好，IS对温度非常敏感,例1: 二极管电路分析,理想二极管的特性,（1）反向击穿电压远大于外加信号电压,（2）反向电流为零,（3）导通压降为零,例2: 二极管“与”门 (UD=0.3V),U,-IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,UZ,五、稳压二极管,（3）最大稳定电流IZM,（5）最大允许功耗,2、稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 UZ,（2）稳定电流 IZ,（4）动态电阻,1、特点：反向击穿区非常陡峭。正常工作时处于反向击穿,稳压二极管,状态，工作点设在陡峭曲线的中间部分。,# 不加R可以吗？,稳压二极管应用,当 不变时：,当 不变时：,一、基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,1.4 半导体三极管,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,一、基本结构,发射结,集电结,工作条件：发射结加正向电压 集电结加反向电压,二、电流放大原理,EB,RB,EC,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,1、晶体管内部载流子的运动（以NPN型管为例）,EB,RB,EC,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,1、晶体管内部载流子的运动（以NPN型管为例）,二、电流放大原理,二、电流放大原理,+iB,+iC,+iE,直流放大倍数,交流放大倍数,二、电流放大原理,共基直流电流放大倍数,以发射极直流电流IE作为输入电流，以集电极,直流电流IC作为输出电流,共基交流电流放大倍数,三极管的工作状态,放大状态 ：发射结正偏，集电结反偏。,VBB 大于发射结开启电压,饱和状态：两个PN结均正偏。集电极电压降低，,漂移作用减弱，失去放大能力,截止状态：VBB 小于发射结开启电压，发射结反,偏或零偏；集电结反偏。IB、IC和IE 都非常小,倒置状态：相当于集、发对调使用,不能正常工作,五、特性曲线,1、实验线路,输入特性曲线IB=f(UBE)|UCE=常数,输出特性曲线IC=f(UCE)|IB=常数,工作压降：硅管UBE0.60.7V锗管UBE0.20.3V,死区电压硅管0.5V锗管0.2V,2、输入特性,输入特性曲线的特点,（1）UCE=0，相当于两个二极管,并联运用。,（2）UCE0时，整个曲线往右移,当UCE0.5V后，曲线几乎重合,（3）有一门限电压晶体管开始导通时的基极电压,（硅管0.5V，锗管0.1V）,（4）晶体管正常工作时，发射结的压降变化不大,（硅管0.7V，锗管0.3V）,（5）输入特性是非线性的,2、输出特性,放大区：发射结正偏，集电结反偏。曲线平行等距，曲线的疏密反映了,截止区：发射结反偏，集电结反偏。ICIB，IC=ICEO，此时VBE0.5v,（4）整个曲线可分为三个区,饱和区：发射结正偏，集电结正偏。ICIB,， UCE0.3V,输出特性曲线的特点,（1）当IB=0时，IC0。这时的IC就是ICEO。,（2）UCE=0时，IC=0。发射区注入到基区的,电子不能被集电区所收集。当UCE1V，,UCEIC。,（3）UCE1V以后，随着UCE的增加，IC几乎,不变。曲线几乎平行等距。并且IB越大，,曲线越往上移。,的大小。=IC/IB，IC受IB控制。,例：UCE=6V时：IB = 40 A, IC =1.7 mA； IB = 60 A, IC =2.5 mA。,频率参数 f截止频率 fT特征频率,1,max,fT,f,70.7%max,集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,集-射极反向击穿电压,当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,ICUCE=PCM,安全工作区,集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC 流过三极管， 所发出的焦耳热为：,PC =ICUCE,必定导致结温 上升，所以PC 有限制。,PCPCM,1、必须使晶体管工作在安全区。2、若工作频率高，必须选用高频管。3、若要求导通电压低时选用锗管， 若要求导通电压高时选用硅管。4、ICBO、ICEO越小越好。5、NPN管和PNP管对电源的极性要求不一样。,七、晶体管的选择和使用注意事项,小结,各种新名词及特性参数的定义,本征半导体与杂质半导体（N型与P型）,PN结及其单向导电性,二极管伏安特性曲线,二极管及稳压二极管的应用,三极管电流放大原理,三极管输入特性曲线与输出特性曲线,作业,1.11，1.13 ，1.14 ，1.16 ，1.18,