数字电路与逻辑设计第2讲-附.ppt

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1、第二讲 逻辑门电路附,一、半导体的基本知识,1、半导体,导电能力介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，每个原子最外层电子数为 4。,Si,Ge,2、半导体材料的特性,纯净半导体的导电能力很差；温度升高导电能力增强；光照增强导电能力增强；掺入少量杂质导电能力增强。,3、本征半导体,经过高度提纯（99.99999%）的单一晶格结构的硅或锗原子构成的晶体，或者说，完全纯净、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,本征半导体的特点是：原子核最外层的价电子是四个，是四价元素，它们排列成非常整齐的晶格结构。所以半导体又称为晶体。,4、本征半导

2、体的导电性能,4.1 价电子与共价键,在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。每一原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对。这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻的原子结合在一起，构成所谓共价键的结构。,共价键,硅原子,共价键,价电子,价电子受到激发，形成自由电子并留下空穴。,半导体中的自由电子和空穴都能参与导电半导体具有两种载流子。这是与金属导体的一个很大的区别，金属导体只有电子一种载流子。,自由电子和空穴同时产生,空穴,4.2 自由电子与空穴,在价电子成为自由电子的同时，在它原来的位置上就出现一个空位，称为空穴。空穴表示该位置缺少一个电子，丢失电子的原子

3、显正电，称为正离子。自由电子又可以回到空穴的位置上，使离子恢复中性，这个过程叫复合。,硅原子,共价键,价电子,产生与复合,4.3 空穴流与电子流,在外电场的作用下，有空穴的原子可以吸引相邻原子中的价电子，填补这个空穴。同时，在失去了一个价电子的相邻原子的共价键中出现另一个空穴，它也可以由相邻原子中的价电子来递补，而在该原子中又出现一个空穴。如此继续下去，就好像空穴在移动，空穴的运动形成了空穴流，其方向与电流方向相同。打一个通俗的比方，好比大家坐在剧院看节目，若一个座位的人走了，出现一个空位，邻近座位的人去递补这个空位并依次递补下去，看起来就像空位子在运动一样。而原子中自由电子的运动，则好像剧院

4、中没有位置的人到处找位置的运动一样。因此，空穴流和电子流是有所不同的。在金属导体中只有电子这种载流子，而半导体中存在空穴和电子两种载流子，在外界电场的作用下能产生空穴流和电子流，它们的极性相反且运动方向相反，所以，产生的电流方向是一致的，总电流为空穴流和电子流之和。这个是半导体导电的极重要的一种特性。,空穴,价电子,5、杂质半导体,本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数目极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入微量的杂质(某种元素)，这将使掺杂后的半导体(杂质半导体)的导电性能大大增强。N型半导体P型半导体,N型半导体,在硅或锗晶体中掺入磷（或其它五价元素）。每个磷原子有5个价电子故在

5、构成共价键结构时将因增加一个电子而形成一个自由电子，这样，在半导体中就形成了大量自由电子。这种以自由电子导电作为主要导电方式的半导体称为电子型半导体或N型半导体。,=N型,P,多余电子,P,掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目大量增加。自由电子是这种半导体的导电方式，称之为电子型半导体或N型半导体。,特点,在N型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数载流子。,室温情况下，本征硅中当磷掺杂量在106量级时，电子载流子数目将增加几十万倍,P型半导体,在硅或锗晶体中渗入硼(或其它三价元素)。每个硼原子只有三个价电子故在构成共价键结构时将因缺少一个电子而形成一个空穴，这样，在半导体中就形成了大量空

6、穴。这种以空穴导电作为主要导电方式的半导体称为空穴半导体或P型半导体。,=P型,B,B,空穴,掺硼的半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数目。空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体,一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数载流子的1010倍或更多。,二、半导体二极管,PN结是由P型和N型半导体组成的，但它们一旦形成PN结，就会产生P型和N型半导体单独存在所没有的新特性。,概念：扩散和漂移在PN结中，载流子（电子与空穴）有两种运动形式，即扩散和漂移。扩散由于浓度的不同而引起的载流子运动。比如，把蓝墨水（浓度大）滴入一杯清水（浓度小）中，蓝色分子会

7、自动地四周扩散开来，值到整杯水的颜色均匀为止。漂移在电场作用下引起的载流子运动,PN 结的形成,1、PN 结的形成,多数载流子的扩散运动,形成 PN 结,空间电荷区的一个重要特征是：在此区间中，电子和空穴相互复合，束缚于共价键内，造成主要载流子不足，因此，空间电荷区也称为耗尽区（耗损层）。由于主要载流子的不足，耗损层的电阻率非常高，比P区和N区的电阻率高得多。在耗尽层内N型侧带正电，P型侧带负电，因此内部产生一个静电场，耗尽层的两端存在电位差。,扩散运动与漂移运动,扩散和漂移的动态平衡形成了PN结,扩散和漂移是互相联系，又是互相矛盾的。在开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占优势。但在扩

8、散运动进行过程中，空间电荷区逐渐加宽，内电场逐步加强。于是在一定条件下(例如温度一定)，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数裁流子的漂移运动则逐渐增强。最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡。达到平衡后空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。（内电场的计算公式看备注）,结加正向电压,PN,（导通）,2、PN 结的单向导电性,如果在PN结上加正向电压，即外电源的正端接P区，负端接N区。可见外电场与内电场的方向相反，因此扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷。于是，整个空间电荷区变窄，

9、电内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流(正向电流)。,在一定范围内，外电场愈强，正向电流(由P区流向N区的电流)愈大，这时PN结呈现的电阻很低。正向电流包括空穴电流和电子电流两部分。空穴和电子虽然带有不同极性的电荷，但由于它们的运动方向相反，所以电流方向一致。外电源不断地向半导体提供电荷，使电流得以维持。,结加反向电压,PN,（截止）,若给PN结加反向电压，即外电源的正端接N区，负端接P区，则外电场与内电场方向一致，也破坏了扩散与漂移运动的平衡。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，使得空间电荷增加，空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动难以进行。但另

10、一方面，内电场的增强也加强了少数裁流于的漂移运动，在外电场的作用下，N区中的空穴越过PN结进入P区，P区中的自由电子越过PN结进入N区，在电路中形成了反向电流(由N区访向P区的电流)。,由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即PN结呈现的反向电阻很高。（换句话说，在P型半导体中基本上没有可以自由运动的电子，而在N型半导体中基本上没有可供电子复合的空穴，因此，产生的反向电流就非常小。）值得注意的是：因为少数载流子是由于价电子获得热能(热激发)挣脱共价键的束缚而产生的，环境温度愈高，少数载流子的数目愈多。所以温度对反向电流的影响很大。,由以上分析可见：PN结具有单向导电性。即在PN结上加正向电

11、压时，PN结电阻很低正向电流较大(PN结处于导通状态)，加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小(PN结处于截止状态)。,PN结的反向击穿（具体请看备注）：齐纳击穿 雪崩击穿,三、双极型晶体管,双极型晶体管的几种常见外形（a）小功率管（b）小功率管（c）中功率管（d）大功率管,双极型晶体管又称三极管。电路表示符号：BJT（Bipolar Junction Transistor）。由于有两种极性的载流子（即多数载流子和反极性的少数载流子）参与导电，因此称为双极型晶体管。根据功率的不同具有不同的外形结构。,基本结构,由两个掺杂浓度不同且背靠背排列的PN结组成，根据排列方式的不同可分为NPN型和P

12、NP型两种，每个PN结所对应区域分别称为发射区、基区和集电区。,制成晶体管的材料可以为硅或锗,基区：很薄，面积小，掺杂浓度低,集电区：面积大，掺杂浓度中,发射区：掺杂浓度高,VBE,RB,VCE,IE,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，形成电流ICE。,RC,IBE,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。,ICE,ICBO：发射极开路时集电结反向饱和电流,晶体管中的载流子运动和电流分配,JFET Joint Field Effect Transistor中文名称：结型场效应管,MOSFET Metal Oxide Semiconduct

13、or Field Effect Transistor中文名称：绝缘栅型场效应管，或称金属氧化物半导体场效应管,场效应管有两种:,四、场效应管（Field Effect Transistor）,1、结型场效应管（JFET）,具体分为：N沟道结型场效应管 P沟道结型场效应管,N沟道结型场效应管,基底:N型半导体,两边是P区,导电沟道,P沟道结型场效应管,工作原理（以P沟道为例）,设UDS=0V,PN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。,当UGS比较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。,栅源电压UGS对导电沟道的影响,P,G,S,D,UDS,UGS,UGS达到一定值时

14、（夹断电压VP），耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS 0V，漏极电流ID=0A。,ID,夹断电压Pinch off voltage,可见，UGS控制着漏源之间的导电沟道。当UGS增加到某一数值VP时，两边耗尽层合拢，整个沟道被耗尽层完全夹断。（VP称为夹断电压）。此时，漏源之间的电阻趋于无穷大，管子处于截止状态。,设UDS=0V,漏源电压UDS对漏极电流ID的影响,设UGS Vp且UGS不变,越靠近漏端，PN结反偏越大。沟道中仍是电阻特性，但呈现为非线性电阻。,当UDS较小，UGDVP时,设UGS Vp且UGS不变,漏端的沟道被夹断，称为预夹断。,当UDS继续增加，UGDVP时,若

15、UDS继续增大，则UGDVP，被夹断区向下延伸。,此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。,可见，若UGSVP且不变：当UDS0且尚小时，PN结因加反向电压，使耗尽层具有一定宽度，但宽度上下不均匀，这是由于漏源之间的导电沟道具有一定电阻，因而漏源电压UDS沿沟道递升，造成漏端电位低于源端电位，使近漏端PN结上的反向偏压大于近源端，因而近漏端耗尽层宽度大于近源端。显然，在UDS较小时，沟道呈现一定电阻，ID随UDS而接近线性规律变化。由于沟道电阻的增大，ID增长变慢了。当UDS增大而使得UGD等于VP时，沟道在近漏端首先发生耗尽层相碰的现象。这种状态称

16、为预夹断。这时管子并不截止，因为预夹断层很薄且漏源两极间的场强足够大，完全可以把向漏极漂移的载流子吸引过去形成漏极饱和电流IDSS。当UGDVP时，耗尽层从近漏端开始沿沟道加长它的接触部分，形成夹断区。,在发生预夹断后，由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多，UDS继续增加的那部分电压基本上落在夹断区上，使夹断区形成很强的电场，它完全可以把沟道中向漏极漂移的载流子拉向漏极，形成漏极电流。因为未被夹断的沟道上的电压基本保持不变，于是向漏极方向漂移的载流子也基本保持不变，管子呈恒流特性。但是，如果再增加UDS达到BUDS时（BUDS称为击穿电压），进入夹断区的电子将被强电场加速而获得很大的动能，这些电子

17、和夹断区内的原子碰撞发生链锁反应，产生大量的新生载流予，使ID急剧增加而出现击穿现象。由此可见，结型场效应管的漏极电流ID受UGS和UDS的双重控制。,2、绝缘栅型场效应管（MOSFET）,具体分为：N沟道增强型 N沟道耗尽型 P沟道增强型 P沟道耗尽型,N沟道增强型,P型基底,两个N区,SiO2绝缘层,金属铝,衬底引线,一般情况下，源极（S）和衬底引线（B)是连接在一起的（大部分都是在出厂时已经连好）。若VGS0（即VGB0），则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。这个电场能排斥空穴而吸引电子，使栅极附近的P型衬底中的空穴（多子）被

18、排斥，而P型衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面，形成耗尽层。,当VGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏（D）源（S）极之间仍无导电沟道出现，VGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当VGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N区相连通，在漏源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层。VGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。,开始形成沟道时的栅源极电压称为开启电压，用VT表示。,N 沟道耗尽型,预埋导电沟道,P 沟道增强型,P 沟道耗尽型,场效应管与双极型晶体管的主要区别：,就导电机理而言，场效应管是一种载流子参加导电；而双极型晶体管是两种载流子参加导电。场效应管属于压控器件，其G、S间的阻抗要比双极型晶体管b、e极间的阻抗大得多；双极型晶体管属于流控器件。场效应管的漏极D与源极S可以互换使用；而双极型晶体管的集电极C与发射极E则不能互换使用。场效应管受温度的影响小于双极型晶体管。,五、单结晶体管和可控硅,单结晶体管：由一个PN结构成的负阻器件。电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。可控硅：又称晶闸管，由三个PN结构成的大功率可控整流器件。,