數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì) 第2講附

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

2、結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。,本征半導(dǎo)體的特點(diǎn)是：原子核最外層的價(jià)電子是四個(gè)，是四價(jià)元素，它們排列成非常整齊的晶格結(jié)構(gòu)。所以半導(dǎo)體又稱為晶體。,4、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能,4.1 價(jià)電子與共價(jià)鍵,在本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)原子與相鄰的四個(gè)原子結(jié)合。每一原子的一個(gè)價(jià)電子與另一原子的一個(gè)價(jià)電子組成一個(gè)電子對(duì)。這對(duì)價(jià)電子是每?jī)蓚€(gè)相鄰原子共有的，它們把相鄰的原子結(jié)合在一起，構(gòu)成所謂共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)。,共價(jià)鍵,硅原子,,共價(jià)鍵,價(jià)電子,價(jià)電子受到

3、激發(fā)，形成自由電子并留下空穴。,半導(dǎo)體中的自由電子和空穴都能參與導(dǎo)電——半導(dǎo)體具有兩種載流子。這是與金屬導(dǎo)體的一個(gè)很大的區(qū)別，金屬導(dǎo)體只有電子一種載流子。,自由電子和空穴同時(shí)產(chǎn)生,空穴,4.2 自由電子與空穴,在價(jià)電子成為自由電子的同時(shí)，在它原來的位置上就出現(xiàn)一個(gè)空位，稱為空穴。空穴表示該位置缺少一個(gè)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(fù)中性，這個(gè)過程叫復(fù)合。,硅原子,,共價(jià)鍵,價(jià)電子,產(chǎn)

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

5、子在運(yùn)動(dòng)一樣。而原子中自由電子的運(yùn)動(dòng)，則好像劇院中沒有位置的人到處找位置的運(yùn)動(dòng)一樣。因此，空穴流和電子流是有所不同的。在金屬導(dǎo)體中只有電子這種載流子，而半導(dǎo)體中存在空穴和電子兩種載流子，在外界電場(chǎng)的作用下能產(chǎn)生空穴流和電子流，它們的極性相反且運(yùn)動(dòng)方向相反，所以，產(chǎn)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(gè)是半導(dǎo)體導(dǎo)電的極重要的一種特性。,空穴,價(jià)電子,,,,,,,5、雜質(zhì)半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)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(dǎo)電能力仍然很低。如果在其中摻入微量的雜質(zhì)(某種元素)，這將使摻雜后的半導(dǎo)體(雜質(zhì)半導(dǎo)體)的導(dǎo)電性能大大增強(qiáng)。N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體中摻入磷（或其它五價(jià)元素）。每個(gè)磷原子有5個(gè)價(jià)電子故在構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí)將因增加一個(gè)電子而形成一個(gè)自由電子，這樣，在半導(dǎo)體中就形成了大量自由電子。這種以自由電子導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。,=N型,P,,多余電子,P,摻入磷雜質(zhì)的硅半

7、導(dǎo)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(dǎo)體的導(dǎo)電方式，稱之為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。,特點(diǎn),在N型半導(dǎo)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(dāng)磷摻雜量在10–6量級(jí)時(shí)，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍,P型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體中滲入硼(或其它三價(jià)元素)。每個(gè)硼原子只有三個(gè)價(jià)電子故在構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí)將因缺少一個(gè)電子而形成一個(gè)空穴，這樣，在半導(dǎo)體中就形成了大量空穴。這種以空穴導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體稱

8、為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。,=P型,B,B,空穴,,摻硼的半導(dǎo)體中，空穴的數(shù)目遠(yuǎn)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(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體,一般情況下，摻雜半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的數(shù)量可達(dá)到少數(shù)載流子的1010倍或更多。,二、半導(dǎo)體二極管,PN結(jié)是由P型和N型半導(dǎo)體組成的，但它們一旦形成PN結(jié)，就會(huì)產(chǎn)生P型和N型半導(dǎo)體單獨(dú)存在所沒有的新特性。,概念：擴(kuò)散和漂移在PN結(jié)中，載流子（電子與空穴）有兩

9、種運(yùn)動(dòng)形式，即擴(kuò)散和漂移。擴(kuò)散——由于濃度的不同而引起的載流子運(yùn)動(dòng)。比如，把藍(lán)墨水（濃度大）滴入一杯清水（濃度?。┲校{(lán)色分子會(huì)自動(dòng)地四周擴(kuò)散開來，值到整杯水的顏色均勻?yàn)橹?。漂移——在電?chǎng)作用下引起的載流子運(yùn)動(dòng),PN 結(jié)的形成,1、PN 結(jié)的形成,,多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),,形成 PN 結(jié),空間電荷區(qū)的一個(gè)重要特征是：在此區(qū)間中，電子和空穴相互復(fù)合，束縛于共價(jià)鍵內(nèi)，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(nèi)N型側(cè)帶正電，P型側(cè)帶負(fù)電，因此內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)靜電場(chǎng)，耗盡層的兩端存在電位差。,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng),,擴(kuò)散和漂移的動(dòng)態(tài)平衡形成了PN結(jié),擴(kuò)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(shí)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)。但在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)行過程中，空間電荷區(qū)逐漸加寬，內(nèi)電場(chǎng)逐步加強(qiáng)。于是在一定條件下(例如溫度一定)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，而

11、少數(shù)裁流子的漂移運(yùn)動(dòng)則逐漸增強(qiáng)。最后擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。達(dá)到平衡后空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來，PN結(jié)就處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。（內(nèi)電場(chǎng)的計(jì)算公式看備注）,,結(jié)加正向電壓,PN,（導(dǎo)通）,2、PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?如果在PN結(jié)上加正向電壓，即外電源的正端接P區(qū)，負(fù)端接N區(qū)。可見外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向相反，因此擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡被破壞。外電場(chǎng)驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷，同時(shí)N區(qū)的自由電子進(jìn)入空間電荷區(qū)

12、抵消一部分正空間電荷。于是，整個(gè)空間電荷區(qū)變窄，電內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流(正向電流)。,在一定范圍內(nèi)，外電場(chǎng)愈強(qiáng)，正向電流(由P區(qū)流向N區(qū)的電流)愈大，這時(shí)PN結(jié)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(yùn)動(dòng)方向相反，所以電流方向一致。外電源不斷地向半導(dǎo)體提供電荷，使電流得以維持。,結(jié)加反向電壓,PN,（截止）,,若給PN結(jié)加反向電壓，即外電源

13、的正端接N區(qū)，負(fù)端接P區(qū)，則外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向一致，也破壞了擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡。外電場(chǎng)驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)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(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，使多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難以進(jìn)行。但另一方面，內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng)也加強(qiáng)了少數(shù)裁流于的漂移運(yùn)動(dòng)，在外電場(chǎng)的作用下，N區(qū)中的空穴越過PN結(jié)進(jìn)入P區(qū)， P區(qū)中的自由電子越過PN結(jié)進(jìn)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(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很高。 （換句話說，在P型半導(dǎo)體中基本上沒有可以自由運(yùn)動(dòng)的電子，而在N型半導(dǎo)體中基本上沒有可供電子復(fù)合的空穴，因此，產(chǎn)生的反向電流就非常小。）值得注意的是：因?yàn)樯贁?shù)載流子是由于價(jià)電子獲得熱能(熱激發(fā))掙脫共價(jià)鍵的束縛而產(chǎn)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(duì)反向電流的影響很大。,由以上分析可見：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。即在PN結(jié)上加正向電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很低正向電流較大(PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài))，加反

15、向電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很高，反向電流很小(PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài))。,PN結(jié)的反向擊穿（具體請(qǐng)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(hào)：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(dǎo)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(jié)構(gòu)。,基本結(jié)構(gòu),由兩個(gè)摻雜濃度不同且背靠背排列的PN結(jié)組成，根據(jù)排列方式的不同可分為NPN型和PNP型兩種，每個(gè)PN結(jié)所對(duì)應(yīng)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(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE ，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)，形成電流ICE 。,RC,,

17、,IBE,發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。,,ICE,ICBO：發(fā)射極開路時(shí)集電結(jié)反向飽和電流,晶體管中的載流子運(yùn)動(dòng)和電流分配,,,JFET Joint Field Effect Transistor中文名稱：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor中文名稱：絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，或稱金屬氧化物半導(dǎo)

18、體場(chǎng)效應(yīng)管,場(chǎng)效應(yīng)管有兩種:,四、場(chǎng)效應(yīng)管（ Field Effect Transistor）,1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）,具體分為：① N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管② P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,① N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,,基底:N型半導(dǎo)體,兩邊是P區(qū),導(dǎo)電溝道,,② P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,工作原理（以P溝道為例）,設(shè)UDS=0V,PN結(jié)反偏，UGS越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。,當(dāng)UGS比較小時(shí)，耗盡區(qū)寬度有限，存在導(dǎo)電溝道。DS間相當(dāng)于線性電阻

19、。,① 柵源電壓UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響,,,,,,,,,P,G,S,D,,,,,,UDS,UGS,UGS達(dá)到一定值時(shí)（夾斷電壓VP），耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時(shí)，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(dǎo)電溝道。當(dāng)UGS增加到某一數(shù)值VP時(shí)，兩邊耗盡層合攏，整個(gè)溝道被耗盡層完全夾斷。（VP稱為夾斷電壓）。此時(shí)，漏源之間的電阻趨于無窮大，管

20、子處于截止?fàn)顟B(tài)。,設(shè)UDS=0V,② 漏源電壓UDS對(duì)漏極電流ID的影響,設(shè)UGS < Vp且UGS不變,越靠近漏端，PN結(jié)反偏越大。溝道中仍是電阻特性，但呈現(xiàn)為非線性電阻。,當(dāng)UDS較小，UGD<VP時(shí),設(shè)UGS < Vp且UGS不變,漏端的溝道被夾斷，稱為預(yù)夾斷。,當(dāng)UDS繼續(xù)增加，UGD＝VP時(shí),若UDS繼續(xù)增大，則UGD>VP ，被夾斷區(qū)向下延伸。,此時(shí)，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(dāng)UDS＞0且尚小時(shí)，PN結(jié)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(dǎo)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(jié)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(shí)，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(zhǎng)變慢了。當(dāng)UDS增大

22、而使得UGD等于VP時(shí)，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(yù)夾斷。這時(shí)管子并不截止，因?yàn)轭A(yù)夾斷層很薄且漏源兩極間的場(chǎng)強(qiáng)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(dāng)UGD＞VP時(shí)，耗盡層從近漏端開始沿溝道加長(zhǎng)它的接觸部分，形成夾斷區(qū) 。,在發(fā)生預(yù)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(qiáng)的電場(chǎng)，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?yàn)槲幢粖A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(dá)到BUDS時(shí)（BUDS稱為擊穿電壓），進(jìn)入夾斷區(qū)的電子將被強(qiáng)電場(chǎng)加速而獲得很大的動(dòng)能，這些電子和夾斷區(qū)內(nèi)的原子碰撞發(fā)生鏈鎖反應(yīng)，產(chǎn)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(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流ID受UGS和UDS的雙重控制。,2、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）,具體分

24、為：① N溝道增強(qiáng)型② N溝道耗盡型③ P溝道增強(qiáng)型④ P溝道耗盡型,N溝道增強(qiáng)型,P型基底,兩個(gè)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(shí)已經(jīng)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(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。電場(chǎng)方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)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(dāng)VGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí)，漏（D）－源（S）極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，④ VGS增加時(shí)，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)VGS達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型薄層，且與兩個(gè)N區(qū)相連通，在漏－源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電類型與P襯底相反，故又稱為反型層。VGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)就越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越

26、多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。,,開始形成溝道時(shí)的柵－源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。,,,N 溝道耗盡型,預(yù)埋導(dǎo)電溝道,,P 溝道增強(qiáng)型,P 溝道耗盡型,,,場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型晶體管的主要區(qū)別：,① 就導(dǎo)電機(jī)理而言，場(chǎng)效應(yīng)管是一種載流子參加導(dǎo)電；而雙極型晶體管是兩種載流子參加導(dǎo)電。② 場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管的漏極D與源極S可以互換使用；