半導體器件概述

1、 1.1.11.1.1 半導體及半導體及PNPN結結（三）（三）PNPN結的擊穿結的擊穿齊納擊穿：齊納擊穿：雪崩擊穿：雪崩擊穿：A.A.摻雜濃度高摻雜濃度高B.B.耗盡層寬度較窄耗盡層寬度較窄C.C.較小的反向電壓，很強電場較小的反向電壓，很強電場D.D.直接破壞共價鍵，拉出電子，直接破壞共價鍵，拉出電子，產生電子產生電子- -空穴對空穴對A.A.摻雜濃度不高摻雜濃度不高B.B.耗盡層寬度較寬耗盡層寬度較寬C.C.較大的反向電壓，很強電場較大的反向電壓，很強電場D.D.漂移運動的少子被加速，將共漂移運動的少子被加速，將共價鍵中的價電子碰撞出來價鍵中的價電子碰撞出來, ,形成電子形成電子- -空

2、穴對空穴對, ,以此循環(huán)以此循環(huán) 1.1.11.1.1 半導體及半導體及PNPN結結電擊穿：電擊穿：熱擊穿：熱擊穿：A.A.采取限流措施，電流不會過大采取限流措施，電流不會過大B.B.控制控制PNPN結溫度，不會過熱結溫度，不會過熱C.PNC.PN結不會損壞結不會損壞D.D.取消反向擊穿電壓后取消反向擊穿電壓后, ,恢復正?；謴驼.A.反向電流過大反向電流過大B. PNB. PN結溫度快速升高結溫度快速升高C.PNC.PN結損壞結損壞D.D.取消反向擊穿電壓后取消反向擊穿電壓后, ,不能恢復不能恢復 1.1.11.1.1 半導體及半導體及PNPN結結（四）（四）PNPN結電容結電容勢壘電容

3、勢壘電容C CB B：耗盡層中的電荷量隨外加電壓的變耗盡層中的電荷量隨外加電壓的變化而變化形成的電容效應?；兓纬傻碾娙菪?。電容電容C CB B的特點：的特點：B. CB. CB B為非線性電容，反偏電壓越高，為非線性電容，反偏電壓越高， C CB B 越??；正偏電壓越高越?。徽妷涸礁? C, CB B 越大越大。A.A.外加電壓的變化頻率高外加電壓的變化頻率高, ,電容效電容效 應明顯。應明顯。 1.1.11.1.1 半導體及半導體及PNPN結結擴散電容擴散電容C CD D：電容電容C CD D的特點：的特點：B. CB. CD D為非線性電容，反偏時，為非線性電容，反偏時， C

4、CD D很小，可忽略；正偏電壓越高很小，可忽略；正偏電壓越高, C, CD D 越大越大。A.A.外加電壓的變化頻率高外加電壓的變化頻率高, ,電容效電容效 應明顯。應明顯。外加正向偏壓的變化引起外加正向偏壓的變化引起PNPN結兩側結兩側區(qū)域內積累電荷量的變化，形成的區(qū)域內積累電荷量的變化，形成的電容效應。電容效應。 1.1.11.1.1 半導體及半導體及PNPN結結PNPN結電容的高頻等效：結電容的高頻等效：Cjrj其中：其中：rj PN結電阻結電阻Cj PN結電容結電容=CB+CD正偏時：正偏時：rj較小，較小，cj較大（主要是較大（主要是CD）反偏時：反偏時：rj較大，較大，cj較?。ㄖ?/p>

5、要是較?。ㄖ饕荂B） 二、伏安特性二、伏安特性UI1.1.2 二極管的基本特性二極管的基本特性死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.5V,鍺管鍺管0.1V。UTH正向特性正向特性反向特性反向特性導通壓降導通壓降: : 硅硅管管0.60.8V,鍺鍺管管0.20.3V。UONUBR反向擊反向擊穿電壓穿電壓IS反向飽和電流：反向飽和電流：硅管硅管0.1uA以下，以下，鍺管幾十微安。鍺管幾十微安。 三、二極管的開關特性三、二極管的開關特性1.1.2 二極管的基本特性二極管的基本特性二極管在正向導通與反向截止兩中狀態(tài)之間的轉換過程。二極管在正向導通與反向截止兩中狀態(tài)之間的轉換過程。（一）（一） 反向恢復過程反

6、向恢復過程RLuiuD+-iUFtui-URt10tre=ts+tt反向恢復時間反向恢復時間IFtit10LFRuURUILDFFtt0.1IRtt渡越時間渡越時間ts存儲時間存儲時間-IRtsLRRRUI1.1.2 二極管的基本特性二極管的基本特性（二）（二） 反向恢復過程形成的原因反向恢復過程形成的原因 由于由于擴散電容效應擴散電容效應, ,PNPN結加正向電壓時（擴散電流），結加正向電壓時（擴散電流），注入注入P區(qū)的少子（電子）在區(qū)的少子（電子）在P區(qū)有濃度差，越靠近區(qū)有濃度差，越靠近PN結濃度結濃度越大，即在越大，即在P 區(qū)有電子的積累。同理，在區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累

7、。區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。正向電流大，積累的電荷多。 當當PNPN結由正偏突變?yōu)榉雌珪r，兩側的少子的積累并不結由正偏突變?yōu)榉雌珪r，兩側的少子的積累并不馬上消失，在反向電場的作用下，一方面與多子復合，另馬上消失，在反向電場的作用下，一方面與多子復合，另一方面將漂移到原來的區(qū)域，即一方面將漂移到原來的區(qū)域，即N N區(qū)的空穴漂移到區(qū)的空穴漂移到P區(qū)，而區(qū)，而P P區(qū)的電子被拉到區(qū)的電子被拉到N N區(qū)。區(qū)。 此時此時PNPN結電阻很小，與結電阻很小，與R RL L相相比可忽略，因而有較大的反向電比可忽略，因而有較大的反向電流流I IR R。LRRRUI（三）（三） 二極管的開通時間二

8、極管的開通時間二極管從反向截止轉為正向導通的時間，很小可忽略。二極管從反向截止轉為正向導通的時間，很小可忽略。UiD0(a a)伏安特性伏安特性UiD0(a a)伏安特性伏安特性一、電路模型一、電路模型1.1.3 二極管的電路模型及主要參數二極管的電路模型及主要參數（一）（一） 理想模型理想模型（二）（二） 直流恒壓模型直流恒壓模型UD(ON)(b b)代表符號代表符號+-(b b)代表符號代表符號+-二極管：二極管：死區(qū)電壓死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降，正向壓降 0.7V(硅二極管硅二極管) 理想二極管：理想二極管：死區(qū)電壓死區(qū)電壓=0 ，正向壓降，正向壓降=0 RLuiuouiuott二

9、極管的應用舉例：二極管的應用舉例：二極管半波整流二極管半波整流1.1.3 二極管的電路模型及主要參數二極管的電路模型及主要參數二、三極管內部載流子的傳輸過程二、三極管內部載流子的傳輸過程1.2.1 1.2.1 三極管的基本工作原理三極管的基本工作原理VBERBCBENNPVCERCIBN進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IBN ，多數擴散到集電結?；鶇^(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略（基區(qū)雜質濃度低）。ICBO集電結反偏，有少子漂移形成的反向電流ICBO。ICN從基區(qū)擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICN。IE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I

10、E。1.2.2 1.2.2 三極管的基本特性三極管的基本特性三、三極管的開關特性三、三極管的開關特性 當輸入當輸入 u uI I 為低電平，使為低電平，使 u uBE BE U Uthth（死區(qū)電壓）時，三極管（死區(qū)電壓）時，三極管截止。截止。 i iB B 0 0，i iC C 0 0，C C、E E 間間相當于開關斷開。相當于開關斷開。三極管關斷的條件和等效電路三極管關斷的條件和等效電路IC(sat)AOiCMNT負載線負載線臨界飽和線臨界飽和線 飽飽和和區(qū)區(qū)放大區(qū)放大區(qū)截止區(qū)截止區(qū)uBE ton 開關時間主要由于開關時間主要由于電電荷存儲效應荷存儲效應引起，要提高引起，要提高開關速度，必

11、須降低三極開關速度，必須降低三極管飽和深度，加速基區(qū)存管飽和深度，加速基區(qū)存儲電荷的消散。儲電荷的消散。例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 當當USB = -2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作時，晶體管的靜態(tài)工作點點Q位于哪個區(qū)？位于哪個區(qū)？當當USB =-2V時：時：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEmA2612maxCSCCRUIIB=0 ， IC=0IC最大飽和電流：最大飽和電流：Q位于截止區(qū)位于截止區(qū) 1.2.2 1.2.2 三極管的基本特性三極管的基本特性例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 當當

12、USB = -2V，2V，5V時，時，晶體管的靜態(tài)工作點晶體管的靜態(tài)工作點Q位位于哪個區(qū)？于哪個區(qū)？ICUGSUGS(off)，且且UDS0,UDG UGS(off) 時時NGSDUDSIDUGSNNP+P+越靠近漏端，PN結反壓越大1.3.1 1.3.1 結型場效應管結型場效應管由于由于UDGUGSUGS(off)，且且UDS0,UDG=UGS(off) 時時NGSDUDSIDUGSNNP+P+漏端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。NGSDUDSIDUGSNNP+P+UDS增大則被夾斷區(qū)向下延伸。0UGSUGS(off)，且且UDS0,UDGUGS(off) 時時預夾斷以后，隨著預夾斷以后，隨著UD

13、S增大，雖然增大，雖然夾斷區(qū)變長，但夾斷區(qū)場強也增夾斷區(qū)變長，但夾斷區(qū)場強也增大，所以電流大，所以電流ID基本不隨基本不隨UDS的增的增加而增加，呈恒流特性。加而增加，呈恒流特性。1.3.1 1.3.1 結型場效應管結型場效應管1.3.1 1.3.1 結型場效應管結型場效應管三、特性曲線三、特性曲線 (N溝道為例溝道為例)輸出特性曲線輸出特性曲線const.D)(GSuDSufiUGS=0ViDu DS0-1V-3V-4V-5V-2VIDSSUGS(off)恒流區(qū)可變電阻區(qū)擊穿區(qū)預夾斷預夾斷軌跡軌跡1.3.1 1.3.1 結型場效應管結型場效應管轉移特性曲線轉移特性曲線const.GSDDS)

14、(uufi) 0( )1 (2GSGS(off)GS(off)GSDSSDuUUuIiuGS0iDIDSSUGS(off)飽和漏飽和漏極電流極電流夾斷夾斷電壓電壓 結型場效應管的缺點：結型場效應管的缺點：1. 柵源極間的電阻雖然可達柵源極間的電阻雖然可達107以上，但在以上，但在某些場合仍嫌不夠高。某些場合仍嫌不夠高。3. 柵源極間的柵源極間的PN結加正向電壓時，將出現結加正向電壓時，將出現較大的柵極電流。較大的柵極電流。絕緣柵場效應管可以很好地解決這些問題。絕緣柵場效應管可以很好地解決這些問題。2. 在高溫下，在高溫下，PN結的反向電流增大，柵源結的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。極

15、間的電阻會顯著下降。1.3.1 1.3.1 結型場效應管結型場效應管一、結構和電路符號一、結構和電路符號N溝道增強型溝道增強型1.3.2 1.3.2 絕緣柵絕緣柵場效應管場效應管PN+GSDP型基底型基底兩個兩個N+區(qū)區(qū)SiO2絕緣層絕緣層金屬鋁金屬鋁N+GSDBMOS:金屬金屬-氧氧化物化物-半導體半導體N 溝道耗盡型溝道耗盡型1.3.2 1.3.2 絕緣柵絕緣柵場效應管場效應管GSDBPGSD予埋了導予埋了導電溝道電溝道 N+N+P 溝道增強型溝道增強型1.3.2 1.3.2 絕緣柵絕緣柵場效應管場效應管GSDBNP+GSDP+P 溝道耗盡型溝道耗盡型NP+GSD予埋了導予埋了導電溝道電溝

16、道 1.3.2 1.3.2 絕緣柵絕緣柵場效應管場效應管P+GSDB二、二、MOSMOS管的工作原理管的工作原理以以N 溝道增強型為例溝道增強型為例1.3.2 1.3.2 絕緣柵絕緣柵場效應管場效應管UGS=0時時D-S 間相當于兩間相當于兩個反接的個反接的PN結結, ID=0UDSPGSDUGSID=0N+N+PGSDUDSUGSN+N+UGS0，UDS=0時時UGS足夠大時足夠大時(UGS UGS(th) )感應出足夠感應出足夠多電子，這里出現多電子，這里出現以電子導電為主的以電子導電為主的N型導電溝道。型導電溝道。感應出電子感應出電子UGS(th)稱為開啟電壓稱為開啟電壓1.3.2 1.

17、3.2 絕緣柵絕緣柵場效應管場效應管導電溝道相當于電導電溝道相當于電阻將阻將D-S連接起來，連接起來，UGS越大此電阻越越大此電阻越小。小。1.3.2 1.3.2 絕緣柵絕緣柵場效應管場效應管UGSUGS(th), UDS0且且UGDUGS(th)時時PNNGSDUDSUGS由于由于iD 沿溝道沿溝道產生壓降使產生壓降使溝道各點與溝道各點與G之間的電壓之間的電壓不等，靠近不等，靠近D區(qū)的導電溝區(qū)的導電溝道變窄。道變窄。iD1.3.2 1.3.2 絕緣柵絕緣柵場效應管場效應管UGSUGS(th), UDS0且且UGD=UGS(th)時時PNNGSDUDSUGS當當UDS增大到增大到使使UGD=U

18、GS(th)時，出現預夾時，出現預夾斷。斷。1.3.2 1.3.2 絕緣柵絕緣柵場效應管場效應管UGSUGS(th)，UDS0且且UGDUGS(th)時時PNNGSDUDSUGS當當UDS增大到增大到使使UGD01.3.2 1.3.2 絕緣柵絕緣柵場效應管場效應管輸出特性曲線輸出特性曲線const.uDSDGS)f(uiiDu DS0恒流區(qū)可變電阻區(qū)擊穿區(qū)預夾斷預夾斷軌跡軌跡三、增強型三、增強型N N溝道溝道MOSMOS管的特性曲線管的特性曲線1.3.2 1.3.2 絕緣柵絕緣柵場效應管場效應管轉移特性曲線轉移特性曲線const.uGSDDS)f(ui)u(u)uu(IiGS(th)GSGS(

19、th)GSDOD210IDUGSUGS(th)IDO2UGS(th)四、耗盡型四、耗盡型N N溝道溝道MOSMOS管的特性曲線管的特性曲線耗盡型的耗盡型的MOS管管UGS=0時就有導電溝道，加反向時就有導電溝道，加反向電壓才能夾斷。電壓才能夾斷。轉移特性曲線轉移特性曲線0IDUGSUGS(off)1.3.2 1.3.2 絕緣柵絕緣柵場效應管場效應管IDSS輸出特性曲線輸出特性曲線UGS=0UGS01.3.2 1.3.2 絕緣柵絕緣柵場效應管場效應管iDu DS0恒流區(qū)可變電阻區(qū)擊穿區(qū)預夾斷預夾斷軌跡軌跡1.3.3 1.3.3 場效應管的主要參數及電路模型場效應管的主要參數及電路模型一、主要參數

20、一、主要參數1.直流參數直流參數 夾斷電壓夾斷電壓UGS(off) ：耗盡型管子的參數，耗盡型管子的參數，UDS一定時，一定時，漏極電流約為零時的漏極電流約為零時的UGS值值 。開啟電壓開啟電壓UGS(th)：增強型管子的參數，增強型管子的參數，UDS一定時，一定時，漏極電流略大于零時的漏極電流略大于零時的UGS值值 。飽和漏極電流飽和漏極電流IDSS：耗盡型管子的參數，耗盡型管子的參數， UGS=0，UDS大于大于UGS(off)時，對應的漏極電流。時，對應的漏極電流。直流輸入電阻直流輸入電阻RGS：結型場效應管，反偏時結型場效應管，反偏時RGS大于大于107；而絕緣柵場效應管，；而絕緣柵場

21、效應管，RGS大大于于109。1.3.3 1.3.3 場效應管的主要參數及電路模型場效應管的主要參數及電路模型 低頻跨導低頻跨導gm：constVGSDmDSuig 低頻跨導反映了低頻跨導反映了uGS對對iD的控制作用。的控制作用。gm可以在轉移特性曲線上求得，單位是可以在轉移特性曲線上求得，單位是mS(毫西門子毫西門子)。 輸出電阻輸出電阻rds：constuDDSsdGSiur2.交流參數交流參數 極間電容：極間電容：柵源電容柵源電容Cgs、柵漏電容、柵漏電容Cgd和漏源電容和漏源電容Cds。1.3.3 1.3.3 場效應管的主要參數及電路模型場效應管的主要參數及電路模型3.極限參數極限參

22、數 最大漏極功耗最大漏極功耗PDM最大漏源電壓最大漏源電壓V(BR)DS最大柵源電壓最大柵源電壓V(BR)GS最大漏極電流最大漏極電流IDM1.3.3 1.3.3 場效應管的主要參數及電路模型場效應管的主要參數及電路模型二、電路模型二、電路模型近似等效原則近似等效原則:當工作在小信號模式下，用一線性的電當工作在小信號模式下，用一線性的電路模型來替代原非線性電路。路模型來替代原非線性電路。rgsCgsCgdgmUgsds+IdrdsCdsg-Ugs+-Uds(a)(a)場效應管的電路模型場效應管的電路模型1.3.3 1.3.3 場效應管的主要參數及電路模型場效應管的主要參數及電路模型(b)(b)

23、場效應管場效應管低頻微變等效電路模型低頻微變等效電路模型rgsgmUgsds+Idrdsg-Ugs+-Uds(c)(c)場效應管簡化場效應管簡化低頻微變等效電路模型低頻微變等效電路模型gmUgsds+Idg-Ugs+-Uds 1.4 1.4 集成運算放大器集成運算放大器1.4.1 集成運放的基本特性集成運放的基本特性1.4.2 理想運算放大器理想運算放大器1.4.1 1.4.1 集成運放的基本特性集成運放的基本特性一、基本符號及定義一、基本符號及定義集成電路集成電路: 將整個電路的各個元件做在同一個將整個電路的各個元件做在同一個 半導體基片上。半導體基片上。集成電路的優(yōu)點：集成電路的優(yōu)點：工作

24、穩(wěn)定、使用方便、體工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。積小、重量輕、功耗小。集成電路的分類：集成電路的分類：模擬集成電路和數字集模擬集成電路和數字集成電路；成電路；小、中、大、超大規(guī)小、中、大、超大規(guī)模集成電路；模集成電路；.集成運算放大器：集成運算放大器：模擬集成電路的一種，具模擬集成電路的一種，具有較高放大倍數的多級直有較高放大倍數的多級直接耦合放大電路。接耦合放大電路。1.4.1 1.4.1 集成運放的基本特性集成運放的基本特性運算放大器的符號：運算放大器的符號：國際符號：國際符號：u-u+ uoVCC-VEE反相輸入端反相輸入端同相輸入端同相輸入端輸出端輸出端直流電源正端直流電

25、源正端直流電源負端直流電源負端1.4.1 1.4.1 集成運放的基本特性集成運放的基本特性二、運算放大器中的幾個基本概念二、運算放大器中的幾個基本概念差模信號差模信號uu=u-id共模信號共模信號)uu(21=u-ic2uu=uidic-2uu=uidic則有則有uou-u+ + + - - 1.4.1 1.4.1 集成運放的基本特性集成運放的基本特性根據上式電路等效成如圖右根據上式電路等效成如圖右uid/2 uouid/2 -+uic -+由電路疊加原理得：由電路疊加原理得：ooouu=u icocidoduAuA其中其中:LRidooduuALRidooduulg20dBA LRicouuAoc LRicouudBAlg20oc開環(huán)差模電開環(huán)差模電壓放大倍數壓放大倍數開環(huán)共模電開環(huán)共模電壓放大倍數壓放大倍數1.4.2 1.4.2 理想運算放大器理想運算放大器共模抑制比共模抑制比ocodCMRAAKocodCMRAAlg20dBK運放的特性運