數(shù)字電路與邏輯設計 第2講附

1、一、半導體的基本知識,1、半導體,導電能力介于導體和絕緣體之間的材料稱為半導體。最常用的半導體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價元素，每個原子最外層電子數(shù)為 4。,Si,Ge,2、半導體材料的特性,純凈半導體的導電能力很差；溫度升高——導電能力增強；光照增強——導電能力增強；摻入少量雜質——導電能力增強。,3、本征半導體,經過高度提純（99.99999%）的單一晶格結構的硅或鍺原子構成的晶體，或者說，完全純凈、具有晶體

2、結構的半導體稱為本征半導體。,本征半導體的特點是：原子核最外層的價電子是四個，是四價元素，它們排列成非常整齊的晶格結構。所以半導體又稱為晶體。,4、本征半導體的導電性能,4.1 價電子與共價鍵,在本征半導體的晶體結構中，每一個原子與相鄰的四個原子結合。每一原子的一個價電子與另一原子的一個價電子組成一個電子對。這對價電子是每兩個相鄰原子共有的，它們把相鄰的原子結合在一起，構成所謂共價鍵的結構。,共價鍵,硅原子,,共價鍵,價電子,價電子受到

3、激發(fā)，形成自由電子并留下空穴。,半導體中的自由電子和空穴都能參與導電——半導體具有兩種載流子。這是與金屬導體的一個很大的區(qū)別，金屬導體只有電子一種載流子。,自由電子和空穴同時產生,空穴,4.2 自由電子與空穴,在價電子成為自由電子的同時，在它原來的位置上就出現(xiàn)一個空位，稱為空穴?？昭ū硎驹撐恢萌鄙僖粋€電子，丟失電子的原子顯正電，稱為正離子。自由電子又可以回到空穴的位置上，使離子恢復中性，這個過程叫復合。,硅原子,,共價鍵,價電子,產

4、生與復合,4.3 空穴流與電子流,在外電場的作用下，有空穴的原子可以吸引相鄰原子中的價電子，填補這個空穴。同時，在失去了一個價電子的相鄰原子的共價鍵中出現(xiàn)另一個空穴，它也可以由相鄰原子中的價電子來遞補，而在該原子中又出現(xiàn)一個空穴。如此繼續(xù)下去，就好像空穴在移動，空穴的運動形成了空穴流，其方向與電流方向相同。打一個通俗的比方，好比大家坐在劇院看節(jié)目，若一個座位的人走了，出現(xiàn)一個空位，鄰近座位的人去遞補這個空位并依次遞補下去，看起來就像空位

5、子在運動一樣。而原子中自由電子的運動，則好像劇院中沒有位置的人到處找位置的運動一樣。因此，空穴流和電子流是有所不同的。在金屬導體中只有電子這種載流子，而半導體中存在空穴和電子兩種載流子，在外界電場的作用下能產生空穴流和電子流，它們的極性相反且運動方向相反，所以，產生的電流方向是一致的，總電流為空穴流和電子流之和。這個是半導體導電的極重要的一種特性。,空穴,價電子,,,,,,,5、雜質半導體,本征半導體雖然有自由電子和空穴兩種載流子

6、，但由于數(shù)目極少導電能力仍然很低。如果在其中摻入微量的雜質(某種元素)，這將使摻雜后的半導體(雜質半導體)的導電性能大大增強。N型半導體P型半導體,N型半導體,在硅或鍺晶體中摻入磷（或其它五價元素）。每個磷原子有5個價電子故在構成共價鍵結構時將因增加一個電子而形成一個自由電子，這樣，在半導體中就形成了大量自由電子。這種以自由電子導電作為主要導電方式的半導體稱為電子型半導體或N型半導體。,=N型,P,,多余電子,P,摻入磷雜質的硅半

7、導體晶體中，自由電子的數(shù)目大量增加。自由電子是這種半導體的導電方式，稱之為電子型半導體或N型半導體。,特點,在N型半導體中電子是多數(shù)載流子、空穴是少數(shù)載流子。,室溫情況下，本征硅中當磷摻雜量在10–6量級時，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍,P型半導體,在硅或鍺晶體中滲入硼(或其它三價元素)。每個硼原子只有三個價電子故在構成共價鍵結構時將因缺少一個電子而形成一個空穴，這樣，在半導體中就形成了大量空穴。這種以空穴導電作為主要導電方式的半導體稱

8、為空穴半導體或P型半導體。,=P型,B,B,空穴,,摻硼的半導體中，空穴的數(shù)目遠大于自由電子的數(shù)目?？昭槎鄶?shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子，這種半導體稱為空穴型半導體或P型半導體,一般情況下，摻雜半導體中多數(shù)載流子的數(shù)量可達到少數(shù)載流子的1010倍或更多。,二、半導體二極管,PN結是由P型和N型半導體組成的，但它們一旦形成PN結，就會產生P型和N型半導體單獨存在所沒有的新特性。,概念：擴散和漂移在PN結中，載流子（電子與空穴）有兩

9、種運動形式，即擴散和漂移。擴散——由于濃度的不同而引起的載流子運動。比如，把藍墨水（濃度大）滴入一杯清水（濃度小）中，藍色分子會自動地四周擴散開來，值到整杯水的顏色均勻為止。漂移——在電場作用下引起的載流子運動,PN 結的形成,1、PN 結的形成,,多數(shù)載流子的擴散運動,,形成 PN 結,空間電荷區(qū)的一個重要特征是：在此區(qū)間中，電子和空穴相互復合，束縛于共價鍵內，造成主要載流子不足，因此，空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)（耗損層）。由于主

10、要載流子的不足，耗損層的電阻率非常高，比P區(qū)和N區(qū)的電阻率高得多。 在耗盡層內N型側帶正電，P型側帶負電，因此內部產生一個靜電場，耗盡層的兩端存在電位差。,擴散運動與漂移運動,,擴散和漂移的動態(tài)平衡形成了PN結,擴散和漂移是互相聯(lián)系，又是互相矛盾的。在開始形成空間電荷區(qū)時，多數(shù)載流子的擴散運動占優(yōu)勢。但在擴散運動進行過程中，空間電荷區(qū)逐漸加寬，內電場逐步加強。于是在一定條件下(例如溫度一定)，多數(shù)載流子的擴散運動逐漸減弱，而

11、少數(shù)裁流子的漂移運動則逐漸增強。最后擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡。達到平衡后空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來，PN結就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。（內電場的計算公式看備注）,,結加正向電壓,PN,（導通）,2、PN 結的單向導電性,如果在PN結上加正向電壓，即外電源的正端接P區(qū)，負端接N區(qū)?？梢娡怆妶雠c內電場的方向相反，因此擴散與漂移運動的平衡被破壞。外電場驅使P區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷，同時N區(qū)的自由電子進入空間電荷區(qū)

12、抵消一部分正空間電荷。于是，整個空間電荷區(qū)變窄，電內電場被削弱，多數(shù)載流子的擴散運動增強，形成較大的擴散電流(正向電流)。,在一定范圍內，外電場愈強，正向電流(由P區(qū)流向N區(qū)的電流)愈大，這時PN結呈現(xiàn)的電阻很低。正向電流包括空穴電流和電子電流兩部分。空穴和電子雖然帶有不同極性的電荷，但由于它們的運動方向相反，所以電流方向一致。外電源不斷地向半導體提供電荷，使電流得以維持。,結加反向電壓,PN,（截止）,,若給PN結加反向電壓，即外電源

13、的正端接N區(qū)，負端接P區(qū)，則外電場與內電場方向一致，也破壞了擴散與漂移運動的平衡。外電場驅使空間電荷區(qū)兩側的空穴和自由電子移走，使得空間電荷增加，空間電荷區(qū)變寬，內電場增強，使多數(shù)載流子的擴散運動難以進行。但另一方面，內電場的增強也加強了少數(shù)裁流于的漂移運動，在外電場的作用下，N區(qū)中的空穴越過PN結進入P區(qū)， P區(qū)中的自由電子越過PN結進入N區(qū)，在電路中形成了反向電流(由N區(qū)訪向P區(qū)的電流)。,由于少數(shù)載流子數(shù)量很少，因此反向電流不大

14、，即PN結呈現(xiàn)的反向電阻很高。 （換句話說，在P型半導體中基本上沒有可以自由運動的電子，而在N型半導體中基本上沒有可供電子復合的空穴，因此，產生的反向電流就非常小。）值得注意的是：因為少數(shù)載流子是由于價電子獲得熱能(熱激發(fā))掙脫共價鍵的束縛而產生的，環(huán)境溫度愈高，少數(shù)載流子的數(shù)目愈多。所以溫度對反向電流的影響很大。,由以上分析可見：PN結具有單向導電性。即在PN結上加正向電壓時，PN結電阻很低正向電流較大(PN結處于導通狀態(tài))，加反

15、向電壓時，PN結電阻很高，反向電流很小(PN結處于截止狀態(tài))。,PN結的反向擊穿（具體請看備注）：① 齊納擊穿 ② 雪崩擊穿,三、雙極型晶體管,雙極型晶體管的幾種常見外形（a）小功率管 （b）小功率管 （c）中功率管 （d）大功率管,雙極型晶體管又稱三極管。電路表示符號：BJT（Bipolar Junction Transistor）。由于有兩種極性的載流子（即多數(shù)載流子和反極性的少數(shù)載流子）參與導電，因此稱為雙極型晶體管。

16、根據(jù)功率的不同具有不同的外形結構。,基本結構,由兩個摻雜濃度不同且背靠背排列的PN結組成，根據(jù)排列方式的不同可分為NPN型和PNP型兩種，每個PN結所對應區(qū)域分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。,制成晶體管的材料可以為硅或鍺,基區(qū)：很薄，面積小，摻雜濃度低,集電區(qū)：面積大，摻雜濃度中,發(fā)射區(qū)：摻雜濃度高,,,,VBE,RB,VCE,,IE,進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IBE ，多數(shù)擴散到集電結，形成電流ICE 。,RC,,

17、,IBE,發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。,,ICE,ICBO：發(fā)射極開路時集電結反向飽和電流,晶體管中的載流子運動和電流分配,,,JFET Joint Field Effect Transistor中文名稱：結型場效應管,MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor中文名稱：絕緣柵型場效應管，或稱金屬氧化物半導

18、體場效應管,場效應管有兩種:,四、場效應管（ Field Effect Transistor）,1、結型場效應管（JFET）,具體分為：① N溝道結型場效應管② P溝道結型場效應管,① N溝道結型場效應管,,基底:N型半導體,兩邊是P區(qū),導電溝道,,② P溝道結型場效應管,工作原理（以P溝道為例）,設UDS=0V,PN結反偏，UGS越大則耗盡區(qū)越寬，導電溝道越窄。,當UGS比較小時，耗盡區(qū)寬度有限，存在導電溝道。DS間相當于線性電阻

19、。,① 柵源電壓UGS對導電溝道的影響,,,,,,,,,P,G,S,D,,,,,,UDS,UGS,UGS達到一定值時（夾斷電壓VP），耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時，即使UDS ? 0V，漏極電流ID=0A。,,ID,夾斷電壓Pinch off voltage,,,,可見，UGS控制著漏源之間的導電溝道。當UGS增加到某一數(shù)值VP時，兩邊耗盡層合攏，整個溝道被耗盡層完全夾斷。（VP稱為夾斷電壓）。此時，漏源之間的電阻趨于無窮大，管

20、子處于截止狀態(tài)。,設UDS=0V,② 漏源電壓UDS對漏極電流ID的影響,設UGS < Vp且UGS不變,越靠近漏端，PN結反偏越大。溝道中仍是電阻特性，但呈現(xiàn)為非線性電阻。,當UDS較小，UGD<VP時,設UGS < Vp且UGS不變,漏端的溝道被夾斷，稱為預夾斷。,當UDS繼續(xù)增加，UGD＝VP時,若UDS繼續(xù)增大，則UGD>VP ，被夾斷區(qū)向下延伸。,此時，電流ID由未被夾斷區(qū)域中的載流子形成，基本不隨UD

21、S的增加而增加，呈恒流特性。,可見，若UGS<VP且不變：當UDS＞0且尚小時，PN結因加反向電壓，使耗盡層具有一定寬度，但寬度上下不均勻，這是由于漏源之間的導電溝道具有一定電阻，因而漏源電壓UDS沿溝道遞升，造成漏端電位低于源端電位，使近漏端PN結上的反向偏壓大于近源端，因而近漏端耗盡層寬度大于近源端。顯然，在UDS較小時，溝道呈現(xiàn)一定電阻，ID隨UDS而接近線性規(guī)律變化。由于溝道電阻的增大，ID增長變慢了。當UDS增大

22、而使得UGD等于VP時，溝道在近漏端首先發(fā)生耗盡層相碰的現(xiàn)象。這種狀態(tài)稱為預夾斷。這時管子并不截止，因為預夾斷層很薄且漏源兩極間的場強足夠大，完全可以把向漏極漂移的載流子吸引過去形成漏極飽和電流IDSS。當UGD＞VP時，耗盡層從近漏端開始沿溝道加長它的接觸部分，形成夾斷區(qū) 。,在發(fā)生預夾斷后，由于耗盡層的電阻比溝道電阻大得多，UDS繼續(xù)增加的那部分電壓基本上落在夾斷區(qū)上，使夾斷區(qū)形成很強的電場，它完全可以把溝道中向漏極漂移的載流子拉向

23、漏極，形成漏極電流。因為未被夾斷的溝道上的電壓基本保持不變，于是向漏極方向漂移的載流子也基本保持不變，管子呈恒流特性。但是，如果再增加UDS達到BUDS時（BUDS稱為擊穿電壓），進入夾斷區(qū)的電子將被強電場加速而獲得很大的動能，這些電子和夾斷區(qū)內的原子碰撞發(fā)生鏈鎖反應，產生大量的新生載流予，使ID急劇增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。由此可見，結型場效應管的漏極電流ID受UGS和UDS的雙重控制。,2、絕緣柵型場效應管（MOSFET）,具體分

24、為：① N溝道增強型② N溝道耗盡型③ P溝道增強型④ P溝道耗盡型,N溝道增強型,P型基底,兩個N區(qū),SiO2絕緣層,金屬鋁,,襯底引線,① 一般情況下，源極（S）和襯底引線（B)是連接在一起的（大部分都是在出廠時已經連好）。②若VGS＞0（即VGB＞0），則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產生一個電場。電場方向垂直于半導體表面的由柵極指向襯底的電場。這個電場能排斥空穴而吸引電子，使柵極附近的P型襯底中的空穴（多子）被排斥

25、，而P型襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面，形成耗盡層。,＋,－,,③ 當VGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強時，漏（D）－源（S）極之間仍無導電溝道出現(xiàn)，④ VGS增加時，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當VGS達到某一數(shù)值時，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層，且與兩個N區(qū)相連通，在漏－源極間形成N型導電溝道，其導電類型與P襯底相反，故又稱為反型層。VGS越大，作用于半導體表面的電場就越強，吸引到P襯底表面的電子就越

26、多，導電溝道越厚，溝道電阻越小。,,開始形成溝道時的柵－源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。,,,N 溝道耗盡型,預埋導電溝道,,P 溝道增強型,P 溝道耗盡型,,,場效應管與雙極型晶體管的主要區(qū)別：,① 就導電機理而言，場效應管是一種載流子參加導電；而雙極型晶體管是兩種載流子參加導電。② 場效應管屬于壓控器件，其G、S間的阻抗要比雙極型晶體管b、e極間的阻抗大得多；雙極型晶體管屬于流控器件。③ 場效應管的漏極D與源極S可以互換使用；