第一章常用半导体器件

第一章常用半导体器件1.1半导体基础知识1.1.1本征半导体一、半导体1．概念：导电能力介于导体和绝缘体之间。2．本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。二、本征半导体的晶体结构（图1.1.1）1．晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵。2．共价键三、本征半导体中的两种载流子（图1.1.2）1．本征激发：在热激发下产生自由电子和空穴对的现象。2．空穴：讲解其导电方式；3．自由电子4．复合：自由电子与空穴相遇，相互消失。5．载流子：运载电荷的粒子。四、本征半导体中载流子的浓度1．动态平衡：载流子浓度在一定温度下，保持一定。2．载流子浓度公式：)2/(2/31kTEiiGOeTKpn自由电子、空穴浓度（cm－3），T为热力学温度，k为波耳兹曼常数（KeV/1063.85），EGO为热力学零度时破坏共价键所需的能量（eV），又称禁带宽度，K1是与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量。1.1.2杂质半导体一、概念：通过扩散工艺，掺入了少量合适的杂质元素的半导体。二、N型半导体（图1.1.3）1．形成：掺入少量的磷。2．多数载流子：自由电子3．少数载流子：空穴4．施主原子：提供电子的杂质原子。三、P型半导体（图1.1.4）1．形成：掺入少量的硼。2．多数载流子：空穴3．少数载流子：自由电子4．受主原子：杂质原子中的空穴吸收电子。5．浓度：多子浓度近似等于所掺杂原子的浓度，而少子的浓度低，由本征激发形成，对温度敏感，影响半导体的性能。1.1.3PN结一、PN结的形成（图1.1.5）1．扩散运动：多子从浓度高的地方向浓度低的地方运动。2．空间电荷区、耗尽层（忽视其中载流子的存在）3．漂移运动：少子在电场力的作用下的运动。在一定条件下，其与扩散运动动态平衡。4．对称结、不对称结：外部特性相同。二、PN结的单向导电性1．PN结外加正向电压：导通状态（图1.1.6）正向接法、正向偏置，电阻R的作用。（解释为什么Uho与PN结导通时所表现的外部电压相反：PN结的外部电压为U即平时的0.7V，而内电场的电压并不对PN结的外部电压产生影响。）2．PN结外加反向电压：截止状态（图1.1.7）反向电压、反向偏置、反向接法。形成漂移电流。三、PN结的电流方程1．方程（表明PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系）：)1(TUuSeIiqkTUTq为电子的电量。2．平衡状态下载流子浓度与内电场场强的关系：3．PN结电流方程分析中的条件：4．外加电压时PN结电流与电压的关系：四、PN结的伏安特性（图1.1.10）1．正向特性、反向特性2．反向击穿：齐纳击穿（高掺杂、耗尽层薄、形成很强电场、直接破坏共价键）、雪崩击穿（低掺杂、耗尽层较宽、少子加速漂移、碰撞）。五、PN结的电容效应1．势垒电容：（图1.1.11）耗尽层宽窄变化所等效的电容，Cb（电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充放电过程相同）。与结面积、耗尽层宽度、半导体介电常数及外加电压有关。2．扩散电容：（图1.1.12）（1）平衡少子：PN结处于平衡状态时的少子。（2）非平衡少子：PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子。（3）浓度梯度形成扩散电流，外加正向电压增大，浓度梯度增大，正向电流增大。（4）扩散电容：扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容器充放电过程相同。i越大、τ越大、UT越小，Cd就越大。（5）结电容dbjCCCpF级，对于低频忽略不计。1.2半导体二极管（几种外形）（图1.2.1）1.2.1半导体二极管的几种常见结构（图1.2.2）一、点接触型：电流小、结电容小、工作频率高。二、面接触型：合金工艺，结电容大、电流大、工作频率低，整流管。三、平面型：扩散工艺，结面积可大可小。四、符号1.2.2二极管的伏安特性一、二极管的伏安特性1．二极管和PN结伏安特性的区别：存在体电阻及引线电阻，相同端电压下，电流小；存在表面漏电流，反向电流大。2．伏安特性：开启电压（使二极管开始导通的临界电压）（图1.2.3）二、温度对二极管方案特性的影响1．温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。2．室温时，每升高1度，正向压降减小2～2.5mV；每升高10度，反向电流增大一倍。1.2.3二极管的主要参数一、最大整流电流IF：长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。二、最高反向工作电压UR：工作时，所允许外加的最大反向电压，通常为击穿电压的一半。三、反向电流IR：未击穿时的反向电流。越小，单向导电性越好；此值对温度敏感。四、最高工作频率fM：上限频率，超过此值，结电容不能忽略。1.2.4二极管的等效电路一、二极管的等效电路：在一定条件下，能够模拟二极管特性的由线性元件所构成的电路。一种建立在器件物理原理的基础上（复杂、适用范围宽），另一种根据器件外特性而构造（简单、用于近似分析）。二、由伏安特性折线化得到的等效电路：（图1.2.4）1．理想二极管：注意符号2．正向导通时端电压为常量3．正向导通时端电压与电流成线性关系4．例1（图1.2.5）三种不同等效分析：（1）V远远大于UD，（2）UD变化范围很小，(3)接近实际情况。5．例2（图1.2.6）三、二极管的微变等效电路（图1.2.7）（图1.2.8）（图1.2.9）动态电阻的公式推倒：1.2.5稳压二极管一、概念：一种由硅材料制成的面接触型晶体二极管，其可以工作在反向击穿状态，在一定电流范围内，端电压几乎不变。二、稳压管的伏安特性：（图1.2.10）三、稳压管的主要参数1．稳定电压UZ：反向击穿电压，具有分散性。2．稳定电流IZ：稳压工作的最小电流。3．额定功耗PZM：稳定电压与最大稳定电流的乘积。4．动态电阻rZ：稳压区的动态等效电阻。5．温度系数α：温度每变化1度，稳压值的变化量。小于4V为齐纳击穿，负温度系数；大于7V为雪崩击穿，正温度系数。四、例（图1.2.11）1.2.6其他类型二极管一、发光二极管（图1.2.12）可见光、不可见光、激光；红、绿、黄、橙等；开启电压大。二、光电二极管（图1.2.13）远红外接受管，伏安特性（图1.2.14）光电流（光电二极管在反压下，受到光照而产生的电流）与光照度成线性关系。三、例（图1.2.15）1.3双极型晶体管双极型晶体管（BJT:BipolarJunctionTransistor）几种晶体管的常见外形（图1.3.1）1.3.1晶体管的结构及类型（图1.3.2）一、构成方式：同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结。二、结构：1．三个区域：基区（薄且掺杂浓度很低）、发射区（掺杂浓度很高）、集电区（结面积大）；2．三个电极：基极、发射极、集电极；3．两个PN结：集电结、发射结。三、分类及符号：PNP、NPN1.3.2晶体管的电流放大作用一、放大：把微弱信号进行能量的放大，晶体管是放大电路的核心元件，控制能量的转换，将输入的微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。二、基本共射放大电路（图1.3.3）1．输入回路：输入信号所接入的基极－发射极回路；2．输出回路：放大后的输出信号所在的集电极－发射极回路；3．共射放大电路：发射极是两个回路的公共端；4．放大条件：发射结正偏且集电结反偏；5．放大作用：小的基极电流控制大的集电极电流。三、晶体管内部载流子的运动（图1.3.4）分析条件0Iu1．发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流IE，空穴电流IEP由于基区掺杂浓度很低，可以忽略不计；EPENEIII2．扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成电流IBN；3．集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流IC，其中非平衡少子的漂移形成ICN，平衡少子形成ICBO。4．晶体管的电流分配关系：CBOCNCIII，CBOBCBOEPBNBIIIIII，CBEIII四、晶体管的共射电流放大系数1．共射直流电流放大系数：CBOBCBOCBCNIIIIII2．穿透电流ICEO：CEOBCBOBCIIIII)1(基极开路时，集电极与发射极之间的电流；3．集电结反向饱和电流ICBO：发射极开路时的IB电流；4．近似公式：BCII，BEII)1(5．共射交流电流放大系数：当有输入动态信号时，Bcii6．交直流放大系数之间的近似：若在动态信号作用时，交流放大系数基本不变，则有CEOBBBCEOBCCCIiIiIIiIi)(因为直流放大系数在线性区几乎不变，可以把动态部分看成是直流大小的变化，忽略穿透电流，有：，放大系数一般取几十至一百多倍的管子，太小放大能力不强，太大性能不稳定；7．共基直流电流放大系数：ECNII，1，18．共基交流电流放大系数：ECii，1.3.3晶体管的共射特性曲线一、输入特性曲线（图1.3.5）常数CEuBEBufi)(，解释曲线右移原因，与集电区收集电子的能力有关。二、输出特性曲线（图1.3.6）常数BICECufi)(（解释放大区曲线几乎平行于横轴的原因）1．截止区：发射结电压小于开启电压，集电结反偏，穿透电流硅1uA，锗几十uA；2．放大区：发射结正偏，集电结反偏，iB和iC成比例；3．饱和区：双结正偏，iB和iC不成比例，临界饱和或临界放大状态（0CBu）。1.3.4晶体管的主要参数一、直流参数1．共射直流电流系数2．共基直流电流放大系数3．极间反向电流CBOI二、交流参数1．共射交流电流放大系数2．共基交流电流放大系数3．特征频率Tf：使下降到1的信号频率。三、极限参数（图1.3.7）1．最大集电极耗散功率CMP；2．最大集电极电流CMI：使明显减小的集电极电流值；3．极间反向击穿电压：晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压，UCBO几十伏到上千伏、UCEO、UEBO几伏以下。CEOCERCESCEXCBOUUUUU1.3.5温度对晶体管特性及参数的影响一、温度对CBOI影响：每升高10度，电流增加一倍，硅管的CBOI要小一些。二、温度对输入特性的影响：（图1.3.8）与二极管伏安特性相似。温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移，室温时，每升高1度，发射结正向压降减小2～2.5mV。三、温度对输出特性的影响：（图1.3.9）温度升高变大。四、两个例题1.3.6光电三极管一、构造：（图1.3.10）二、光电三极管的输出特性曲线与普通三极管类似（图1.3.11）三、暗电流：ICEO无光照时的集电极电流，比光电二极管的大，且每上升25度，电流上升10倍；四、光电流：有光照时的集电极电流。1.4场效应管1.4.1结型场效应管1.4.2绝缘栅型场效应管一、N沟道增强型MOS管（图1.4.7）1．结构：衬底低掺杂P，扩散高掺杂N区，金属铝作为栅极；2．工作原理：(1)栅源不加电压，不会有电流；(2)（图1.4.8）0DSu且0GSu时，栅极电流为零，形成耗尽层；加大电压，形成反型层（导电沟道）；开启电压)(thGSU；(3)（图1.4.9）GSu)(thGSU为一定值时，加大DSu，Di线性增大；但DSu的压降均匀地降落在沟道上，使得沟道沿源－漏方向逐渐变窄；当GDu＝)(thGSU时，为预夹断；之后，DSu增大的部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，Di出现恒流。此时，对应不同的GSu就有不同的Di，从而可以将Di看为电压GSu控制的电流源。3．特性曲线与电流方程：(1)特性曲线：（图1.4.10）转移特性、输出特性；(2)电流方程：2)(1thGSGSDODUuIi二、N沟道耗尽型MOS管（图1.4.10）1．结构：绝缘层加入大量的正离子，直接形成反型层；2．符号三、P沟道MOS管：漏源之间加负压四、VMOS管1.4.3场效应管的主要参数一、直流参数1．开启电压UGS(th)：是UDS一定时，使iD大于零所需的最小GSU值；2．夹断电压UGS(off)：是UDS一定时