PN结

1第二章半导体基本器件22.1半导体二极管2.1.1半导体基本知识一、什么是半导体？导体(金属原子的外层电子受原子核的束缚力很小，自由电子成为导电的“载流子”)绝缘体可运动的带电粒子p393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)。硅和锗的原子结构模型(a)硅原子(b)锗原子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。41.本征半导体（纯净的半导体晶体）硅和锗的晶体结构（ａ）点阵结构（ｂ）共价键结构点阵结构：每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。原子最外层的价电子不仅围绕…两个相邻原子共用一对电子5热激发产生自由电子和空穴室温下，由于热运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。在电子技术中,将空穴看成带正电荷的载流子。6空穴运动有了空穴，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。（与自由电子的运动不同）7结论：本征半导体中有两种载流子：①带负电荷的自由电子②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结合而成对消失，称为“复合”。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。82.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,磷原子的五个价电子有四个…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。这种半导体主要依靠电子导电，称为电子型或N型半导体。9N型半导体的特点：自由电子空穴多数载流子（简称多子）少数载流子（简称少子）只要掺入极少量的杂质元素（1／106），多子的浓度将比本征半导体载流子浓度增加近106倍。掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。10(2)P型半导体在硅晶体中掺入三价元素硼,硼原子与相邻的四个硅原子…由于缺少一个价电子而产生一个空位，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11P型半导体的特点：空穴自由电子多数载流子（简称多子）少数载流子（简称少子）掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。123.PN结的形成预备知识: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.在半导体中，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Ｐ4013①多子扩散运动形成空间电荷区由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向…扩散的结果，交界面P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子，这样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，并产生由N区指向P区的内电场EIN。PN结14②内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移多子扩散空间电荷区加宽内电场EIN增强少子漂移促使阻止EINEIN空间电荷区变窄内电场EIN削弱扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结15小结：PN结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移运动，达到动态平衡时，扩散运动产生的扩散电流和漂移运动产生的漂移互相抵消，PN结中总的电流为零。Ｐ41164.PN结的单向导电性①外加正向电压（也叫正向偏置）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PN结处于“导通”状态。174.PN结的单向导电性②外加反向电压（也叫反向偏置）外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，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。18③PN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“开启电压UON”后，i随着u增大迅速上升。Uon≈0.5V(硅)Uon≈0.1V(锗)P4219P42c.外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向电流IR很小。d.反向电压大于“击穿电压U（BR）”时，反向电流IR急剧增加。202.1.2二极管符号及主要参数A阳极K阴极二极管主要参数：1.最大正向电流IF2.反向击穿电压U（BR）3.反向电流IR4.最高工作频率212.1.3二极管应用举例二极管的伏安特性是一个非线性的曲线，在实际分析电路中，导通时管压降视为一个固定值：UD≈0.7V（硅）UD≈0.3V（锗）p42或视为一个理想开关，即导通时视为“短路”，截止时视为“开路”。这就是电子线路中经常采用的近似估算法。p4422Ui周期性矩形脉冲232.1.3稳压管及其应用稳压管正常工作时处于反向击穿状态。为了避免稳压管因过流而损坏，必须加限流电阻。242.2半导体三极管三极管的结构及工作原理(a)管芯结构图(b)结构示意图(c)电路符号三极管内部结构的特点：基区很薄，掺杂浓度最低.发射区掺杂浓度很高，远大于基区和集电区的掺杂浓度.发射区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结NPN型三极管b基极e发射极c集电极25PNP型三极管26三极管电流的形成及分配1.电流的形成①发射区向基区发射电子，形成发射极电流IE发射结正向偏置。②电子在基区复合形成基极电流IB由于基区很薄且空穴浓度很低，发射区电子进入基区后少数电子和基区空穴复合，绝大多数电子继续扩散到集电结附近。③集电结反向偏置，基区中扩散到集电结附近的电子，在电场作用下漂移到集电区，形成集电极电流IC。27三极管电流的形成及分配1.电流的分配关系发射区电子在基区每复合一个，就要向集电区供给β个电子，这是三极管内固定不变的电流分配原则。BCIIβ称为电流放大系数，β值通常在20～200之间282.2.1三极管的特性曲线输入特性曲线输出特性曲线BEBuiCECuiP47倒3行P48倒13行29uBEUon(0.5V)IB=0IC≈0截止区截止条件：uBEUon(0.5V)特点：IB=0，IC≈0c~e之间相当于断开的开关。30uBE＞Uon放大区uCE＞uBE++放大条件：uBE＞UonuCE＞uBE特点：IC=IB，c~e之间相当于受控电流源。BCIIP48电流放大倍数BCII31uBE＞Uon饱和区uCE＜uBE+饱和条件：uBE＞UonuCE＜uBE特点：IC＜βIB，uCE＝UCES≤0.3V，c~e之间相当于闭合的开关。32饱和条件：uBE＞UonuCE＜uBE特点：IC＜βIB，uCE＝UCES≤0.3V，c~e之间相当于闭合的开关。截止条件：uBEUon(0.5V)特点：IB=0，IC≈0c~e之间相当于断开的开关。截止和饱和两个状态通称为开关状态。332.2.2三极管的主要参数及应用IbIc1共发射极电流放大系数=20-200BCIIBCII34三极管的主要参数2击穿电压Ucbo,Uceo,Uebo例如：Uebo=6VUebo35三极管的主要参数IbIc3最大电流ICM,最大功率PCMIcm=600mA;PcM=625mW设工作电流Ic=200mAUce625/200=3V36例：P51uI周期性矩形脉冲(1)uI=0时,三极管截止，iB=0,iC=0uO=UC－iCRC=UC=12V(2)uI=5V时，ARuuRUibBEIbRbB20210)7.05()(37例：P51uI周期性矩形脉冲mARUURUICCESCCRCC2.110)25.012()(条件成立VUuCESO25.0BCII假设三极管处于饱和状态mAAIB5.220125VUUCESCE25.038例：P5139PN结正向导通时，P区扩散到N区的空穴，边扩散，边复合逐渐减少，在N区内产生一定数量的空穴积累，形成梯度分布；同理，N区的电子扩散到P区后，也将在P区内产生一定数量的电子积累。这些扩散到对方区域并积累的电子及空穴称为存储电荷。PN结正向导通时，PN结两侧出现的电子空穴积累的现象叫做电荷存储效应。预备知识:402.2.3三极管的开关时间和极间电容由于三极管内部电荷建立和消失均需一定的时间，截止和饱和两种状态的转换不可能瞬间完成。延迟时间td上升时间tr开启时间ton（几十到几百纳秒）存储时间ts下降时间tf关闭时间toff（几十到几百纳秒）41为TTL电路准备输入电阻很大，而输出电阻很小uO≈uI特点：2.2.4共集电极电路P54-Ｐ55422.3MOS场效应管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)，衬底也引出一个电极B。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金属-氧化物-半导体场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor)43uGS=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uGS增大到一定值UT时，电子在衬底表面形成一个N型层即N型导电沟道。44IG=0ΔID=gm×ΔUGS小结：MOS管是一个受栅源电压uGS控制的器件①uGS＜UT时，D-S间无导电沟道，MOS管截止②uGS＞UT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。45npp注意PMOS管S＋D－电流从S流入，D流出例：P61参见表：P5646UGS(th)N:开启电压转移特性输出特性uGS＜UGS(th)N，管子处于截止状态,D、S之间相当于断开的开关uGS＞UGS(th)N，uDS较小。iD与uDS之间近似为线性关系，D、S之间相当于一个由uGS控制的可变电阻，uGS越大，曲线越陡，D、S之间的导通电阻越小。uGS＞UGS(th)N，uDS较大，iD取决于uGS，D、S之间相当于一个受控电流源。47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482.3.3MOS场效应管的主要参数开启电压UGS(th)N或UGS(th)P输入电阻rGS跨导gm导通电阻rDS也不是一个恒定值在恒流区，rDS很大，在可变电阻区，导通电阻rDS很小，约为几百欧姆，用rDS(ON)表示。极间电容CGSCGDCDS影响MOS管开关速度的主要因素。DSGSDmUUIg常数49已知UGS(th)N=2.0Vgm=1.3mA／VrDS(ON)=875Ω(1)uI=0，管子截止，iD=0，uO=uDS=UC－iDR1=UC=12V(2)uI=5V，管子工作在可变电阻区或恒流区假设…uO=uDS=UC－iDR1＜0可判断管子工作在可变电阻区uO=uDS=UC×rDS(ON)／(rDS(ON)+R1)=0.9Vp6050已知UGS(th)P=－2.0Vgm=0.5mA／V(1)uI=0，uGS=uI－UC=－5V，管子导通，处于可变电