半导体器件-模拟电子技术..

电气工程学院模拟电子技术第3章半导体器件半导体器件是构成电路的基本元件，构成半导体器件的材料是经过加工的半导体材料，因此半导体材料的性质在很大程度上决定了半导体器件的性能。电气工程学院模拟电子技术1半导体的基础知识2PN结3半导体二极管4特殊二极管—稳压管5半导体三极管6场效应管电气工程学院模拟电子技术1半导体的基础知识自然界中的物体，根据导电能力(电阻率)可分为：导体、绝缘体、半导体。常见的半导体材料为硅（Si）和锗（Ge）。价电子价电子惯性核电气工程学院模拟电子技术1本征半导体共价键：半导体的基础知识对电子束缚较强●●●●电子-空穴＋载流子1、本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少结论：2、半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电3、本征半导体导电能力弱，并与光照和温度有关。电气工程学院模拟电子技术制造半导体器件的材料不是本征半导体，而是人为的掺入杂质的半导体，目的是为了提高半导体的导电能力2杂质半导体1、掺入5价元素（磷）2、掺入3价元素（硼）电气工程学院模拟电子技术（1）掺入5价元素（磷）自由电子电子为多数载流子—多子空穴为少数载流子—少子掺杂磷产生的自由电子数本征激发产生的电子数自由电子数空穴数N型半导体载流子数电子数磷原子：施主原子杂质半导体电气工程学院模拟电子技术N型半导体的简化图示多子少子电气工程学院模拟电子技术（2）掺入3价元素（硼）●掺杂硼产生的空穴数热激发产生的空穴空穴数自由电子空穴为多子电子为少子P型半导体硼原子：受主原子载流子数空穴数电气工程学院模拟电子技术P型半导体的简化图示多子少子电气工程学院模拟电子技术3半导体的导电性●●●空穴●自由电子I=IP+IN本征半导体电流很弱。N型半导体：I≈INP型半导体：I≈IP电气工程学院模拟电子技术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/cm3掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm3以上两个浓度基本上依次相差106/cm34杂质对半导体导电性的影响电气工程学院模拟电子技术N型半导体：电子为多子，空穴为少子载流子数≈自由电子数施主原子提供电子，不能移动，带正电。总结：P型半导体：空穴为多子，电子为少子载流子数≈空穴数受主原子提供空穴，不能移动，带负电。电气工程学院模拟电子技术2PN结1PN结的形成PN电子空穴由于载流子的浓度差引起多子的扩散运动由于复合使交界面形成空间电荷区（耗尽区）空间电荷区内建电场阻碍多子的扩散运动有利于少子的漂移运动电气工程学院模拟电子技术引起载流子定向移动的类型1、扩散电流：载流子的浓度差引起2、漂移电流：由于电场引起的定向移动在PN结中扩散和漂移最后达到动态平衡即扩散电流＝漂移电流，总电流＝0PN结电气工程学院模拟电子技术PN结二、PN结的单向导电性1正向偏置（P区接电源正极，N区接电源负极）内电场外电场外电场的作用使空间电荷区变窄，扩散运动加剧，漂移运动减弱，从而形成正向电流。此时PN结呈现低阻态，PN结处于导通状态，理想模型为闭合开关。电气工程学院模拟电子技术PN结2反向偏置（P区接电源负极，N区接电源正极）内电场外电场外电场的作用使空间电荷区变宽，扩散运动变弱，漂移运动加强，从而形成反向电流，也称为漂移电流。此时PN结呈现高阻态，漂移电流很小，此时PN结处于截止状态，模型相当于开关打开。电气工程学院模拟电子技术结论PN结反向偏置时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，且和温度有关。PN结正向偏置时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。PN结电气工程学院模拟电子技术3PN结的伏安特性理论分析知，PN结所加电压u和电流i的关系为：)1(kTquSeIi为反向饱和电流SIq为电子电量k为玻尔兹曼常数qkTUT常温时mVUT26Ou/VI/mA正向特性反向击穿TUueIiS加正向电压:SIi加反向电压:PN结电气工程学院模拟电子技术4PN结的反向击穿特性反向电压超过某一电压后，PN结流过的反向电流急剧增加，这种现象成为反向击穿。发生击穿时的电压称为反向击穿电压。记为UBR反向击穿Ou/VI/mA正向特性反向特性UBR电气工程学院模拟电子技术◆齐纳击穿——高掺杂下，耗尽层的宽度很小，较小的反向电压就可以形成很强的电场，把价电子从共价键中“拉出来”，产生电子、孔穴对，引起电流急剧增加。◆雪崩击穿——反向电压增加时，耗尽层中的电场也加强，使少子在漂移过程中受到更大的加速，可能在与共价键中的价电子相碰撞时把价电子“撞”出共价键，产生电子、孔穴对。新产生的电子、孔穴被电场加速后又可能“撞”出其它的价电子。引起了电流的急剧增加。电气工程学院模拟电子技术对硅材料而言：反向击穿电压在7V以上的为雪崩击穿；4V以下的为齐纳击穿；4V-7V间的击穿包括两种击穿。无论是哪种击穿，只要PN结不因电流过大产生过热而损坏，当反向电压下降到击穿电压以下时，它的性能又可以恢复到击穿前的情况。热击穿是尽量避免的，电击穿可以加以利用。电气工程学院模拟电子技术4PN结的电容特性势垒电容CT外加电压变化反偏时比较明显空间电荷区厚度变化PN结中存储的电量变化电容充放电电气工程学院模拟电子技术扩散电容CD正偏时比较明显积累在P区的电子或N区的空穴随外加电压的变化就构成了PN结的扩散电容CD。电气工程学院模拟电子技术反偏时势垒电容CT起主要作用，此时PN结的总电容C≈CT正偏时扩散电容CD起主要作用，此时PN结的总电容C≈CD电气工程学院模拟电子技术1、N型半导体带负电，P型半导体带正电。这种说法是否正确？2、N型半导体的多子是（），P型半导体的多子是（）。3、PN结中扩散电流的方向是从（）区指向（）区，漂移电流的方向是（）区指向（）区。4、PN结外加正向电压时（）电流大于（）电流，此时耗尽层变（）。5、采取保护措施的条件下（）击穿可以利用，但（）击穿是永久性损坏器件的击穿。思考题电气工程学院模拟电子技术N型半导体：电子为多子，空穴为少子载流子数≈自由电子数施主原子提供电子，不能移动，带正电。复习P型半导体：空穴为多子，电子为少子载流子数≈空穴数受主原子提供空穴，不能移动，带负电。半导体中有两种自由电荷参与导电：电子和空穴。电气工程学院模拟电子技术PN结反向偏置时，呈现高电阻，少子的定向移动形成很小的反向漂移电流，且和温度有关。PN结正向偏置时，呈现低电阻，多子的定向移动形成较大的正向扩散电流，电流方向由P指向N。PN结具有单向导电性。PN结电气工程学院模拟电子技术PN结的伏安特性)1(kTquSeIiqkTUT常温时mVUT26Ou/VI/mA正向特性反向击穿PN结电气工程学院模拟电子技术热击穿是尽量避免的，电击穿可以加以利用。PN结的电容包括势垒电容和扩散电容，当输入信号为交变的高频信号时必须考虑PN结的电容效应。电气工程学院模拟电子技术1半导体二极管的结构构成：PN结+管壳+引线=二极管(Diode)1.3半导体二极管电气工程学院模拟电子技术分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型半导体二极管的类型稳压二极管按用途分整流二极管开关二极管检波二极管电气工程学院模拟电子技术电气工程学院模拟电子技术点接触型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频小电流电路。半导体二极管电气工程学院模拟电子技术面接触型PN结面积大，用于工频大电流整流电路。半导体二极管电气工程学院模拟电子技术平面型二极管往往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。半导体二极管电气工程学院模拟电子技术二极管的符号：阳极阴极半导体二极管电气工程学院模拟电子技术2二极管的伏安特性半导体二极管二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1(TUuSeIi处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。电气工程学院模拟电子技术(1)正向特性硅二极管的死区电压约为：UON=0.5V左右，锗二极管的死区电压约为：UON=0.1V左右。当0＜U＜UON时，正向电流为零，UON称为死区电压或开启电压，管子截止。当U＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当U＞UON时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。管子导通。死区电压U/VU半导体二极管电气工程学院模拟电子技术(2)反向特性当U＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：当UBR＜U＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS，IS≈0。管子截止。当U≥UBR时，反向电流急剧增加，管子击穿。UBR称为反向击穿电压。U/VUBR半导体二极管电气工程学院模拟电子技术3二极管的参数1.IF—最大整流电流(二极管长期连续工作时允许通过的最大正向平均电流)2.UBR—管子反向击穿时的电压半导体二极管3.URM—最高反向工作电压，实际上只按照U(BR)的一半来计算电气工程学院模拟电子技术4.IR—反向电流(管子未被击穿前的反向电流，该值越小单向导电性越好)6.fM—最高工作频率(二极管工作的上限频率，超过该频率时，结电容起作用，不能很好的体现单相导电性)。5.UD—导通电压：二极管在正向电压工作时，管两端会产生正向电压降，其压降值越小管越好。硅为0.7V，锗为0.2V。半导体二极管电气工程学院模拟电子技术温度对二极管特性的影响：604020–0.0200.4–25–50iD/mAuD/V20C90C随着温度的升高，正向特性曲线左移，即正向压降减小；反向特性曲线下移，即反向电流增大。一般在室温附近，温度每升高1℃，其正向压降减小2-2.5mV；温度每升高10℃，反向电流大约增大1倍左右。半导体二极管电气工程学院模拟电子技术4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：半导体二极管电气工程学院模拟电子技术一、理想二极管特性曲线uDiD符号及等效模型：S正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0S5二极管电路的分析方法半导体二极管电气工程学院模拟电子技术二极管基本电路如图所示，VDD=10V，应用理想模型求解电路的VD和ID。例1ID=（VDD-VD）／R=（10-0）V／10KΩ=1mAVD=0V解：半导体二极管电气工程学院模拟电子技术二、二极管的恒压降模型uDiDUDuD=UD0.7V(Si)0.2V(Ge)iDuDU(BR)IFURMO半导体二极管电气工程学院模拟电子技术二极管基本电路如图所示，VDD=10V，应用恒压降模型求解电路的VD和ID。例2VD=0.7VID=（VDD-VD）／R=（10-0.7）V／10KΩ=0.93mA解：半导体二极管电气工程学院模拟电子技术三、二极管的折线近似模型uDiDUONUIIUrD斜率1/rDrD1UONiDuDU(BR)IFURMO半导体二极管电气工程学院模拟电子技术三小信号模型如果二极管工作在V-I特性的某一小范围内工作时，则可以把V-I特性看成一条直线，其斜率的倒数就是微变电阻rdDDdiur)1(TDUuSDeIiDTuUSDDDdDTTTIdiiIgeduUUUDDTddImVIUgr261半导体二极管电气工程学院模拟电子技术复习半导体二极管二极管两端电压就是阳极电压减去阴极电压电气工程学院模拟电子技术二极管的模型1理想模型特性曲线uDiDuDiDUD2恒压降模型uD=UD0.7V(Si)0.2V(Ge)南理工紫金学院模拟电子线路二极管的单向导电性应用很广，可用于：限幅、整流、开关、检波、元件保护等。6应用半导体二极管南理工紫金学院模拟电子线路1、限幅电路：它是用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输一部分。例1：一限幅电路如图所示，R=1KΩ，VREF=3V。当Ui=6sinωt(V)时，利用恒压降模型绘出相应的输出电压UO的波形。二极管的恒压降为0.7V。②Ui3.7V时D导通，UO=0.7+3=3.7V①Ui3.7V时D截止，UO=Ui;半导体二极管南理工紫金学院