第一章：半導體器件

第一章半導體器件§1.1

半導體的基本知識§1.2

PN

結(jié)§1.3

晶體二極管§1.4

半導體三極管§1.5

場效應晶體管1緒論模擬信號的特點：在時間上和幅值上都是連續(xù)的，并且，在一定動態(tài)范圍內(nèi)可以取得任意值。模擬電路：處理模擬信號的電子電路2§1.1半導體的基本知識半導體基本知識導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體。半導體的特點：當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導電能力明顯增加。3§1.1.1

本征半導體一、本征半導體的結(jié)構(gòu)特點GeSi現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。4硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4表示除去價電子后的原子5二、本征半導體的導電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。在常溫下，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。62.本征半導體的導電機理+4+4+4+4本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。7因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子同時也可能回到空穴中去，稱為復合，如圖所示。本征激發(fā)和復合在一定溫度下會達到一種動態(tài)平衡狀態(tài)。本征激發(fā)和復合的過程三、本征半導體中載流子的濃度

8§

1.1.2

雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，因摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加,所以半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。P型半導體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（空穴半導體）。N型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（電子半導體）。9+4+4+5+4多余電子施主原子摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。因此自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。一、N型半導體10二、P型半導體+4+4+3+4空穴受主原子摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，空穴濃度遠大于自由電子濃度。因此空穴稱為多數(shù)載流子（多子），自由電子稱為少數(shù)載流子（少子）。11三、雜質(zhì)半導體的濃度（N型半導體）（P型半導體）12§1.2PN結(jié)1－2－1PN

結(jié)的形成將半導體一側(cè)參雜成P型，另一側(cè)參雜成N型，經(jīng)過載流子的擴散和漂移運動，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。漂移運動：載流子在電場作用下形成的定向運動擴散運動：載流子從濃度高的地方向濃度低的地方運動13P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。14－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0151、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N區(qū)

中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。3、P

區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:16－－－－++++RE1、PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。1-2-2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?72、PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE18

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；

PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。結(jié)論：19

3PN結(jié)伏安特性其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）20

1-2-3、

PN結(jié)的溫度特性正向特性：反向特性：TIVTISIIS的作用遠大于VTI21

1-2-4

PN結(jié)的反向擊穿根據(jù)擊穿機理

分類：

雪崩擊穿條件：低摻雜、高

齊納擊穿條件：高摻雜，PN結(jié)的擊穿特性

反壓低反壓時就會發(fā)生22－－－－－++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P+型區(qū)電位VV0－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－非對稱結(jié)空間電荷區(qū)伸向低摻雜的一側(cè)23+雪崩擊穿:內(nèi)電場外電場NP_RE－－－－－－－－++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)++++++++－－－－－－－－在空間電荷區(qū)產(chǎn)生碰撞電離，有大量載流子參與導電24+齊納擊穿:內(nèi)電場外電場NP_RE空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++25UD>7V發(fā)生雪崩擊穿擊穿特性的好處：發(fā)生擊穿以后，PN結(jié)兩端反壓保持恒定，而流過的電流可以在較大的范圍內(nèi)變動，可以利用這個性質(zhì)制作穩(wěn)壓二極管。UD<4V發(fā)生齊納擊穿4V<UD<7V兩種擊穿都可能發(fā)生PN結(jié)的擊穿特性26負載電阻。要求當輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動時，負載電壓基本不變。穩(wěn)壓二極管的應用uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax

。求：電阻R和輸入電壓ui

的正常值?！匠?27令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin

?！匠?uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程1、2，可解得：281勢壘電容CT

勢壘電容的示意圖1-2-5PN結(jié)的電容效應PN結(jié)電容分類：勢壘電容、擴散電容偏壓改變的時候，空間電荷區(qū)存在電荷的存儲效應29

擴散電容是由多子擴散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時，剛擴散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的濃度梯度分布曲線。（發(fā)生在中性區(qū)）2擴散電容CD

反之，由P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴散電容的示意圖如下頁所示。（只存在于正偏時）30擴散電容示意圖P區(qū)31

§1-3晶體二極管PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導體二極管。引線外殼線觸絲線基片點接觸型PN結(jié)面接觸型PN二極管的電路符號：32半導體二極管圖片33

1-3-1伏安特性UI導通壓降:硅管0.6~0.8V,鍺管0.1~0.3V。反向擊穿電壓UB二極管特性曲線VrUIVB理想二極管特性曲線34RLuiuo二極管的應用二極管半波整流uiuott35發(fā)光二極管有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。36基本結(jié)構(gòu)PNP型§1.4晶體三極管NPN型BECNN+P基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)參雜濃度低、面積大較薄、中參雜濃度參雜濃度高、面積較集電區(qū)小集電極發(fā)射極PNP+基極BCEBBECBEC371-4-1三極管工作原理載流子傳輸過程一、載流子的傳輸過程1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子2、電子在基區(qū)擴散與復合3、集電極收集電子從外部看:VCCVEERCECBIBNNN+PIENIEPICNICBOICIEIBRE①②③④⑤38二、共基極的電流分配關(guān)系共基極直流電流傳輸系數(shù)：一般因此IE可控，受控于正偏的發(fā)射結(jié)；共基極電流傳輸方程改變正偏電壓時，和正偏電壓有關(guān)的電流都會成比例的增加；39BJT的控制作用：40總結(jié)：（1）BJT的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達集電極而實現(xiàn)的。保證傳輸過程需要內(nèi)部條件和外部條件。（2）BJT內(nèi)各個電流之間有確定的分配關(guān)系，所以，只要輸入電流（IE）給定，輸出電流和電壓便基本確定。輸入信號首先通過發(fā)射結(jié)的電壓變化改變輸入電流（IE），再利用（IE）的變化去控制（IC）。41共射極的電流分配關(guān)系VCCVEEECBIBNNN+PIENIEPICNICBOICIEIB①②③④⑤共射放大器＋IB＋△

IB△UiVCCRCVEE△UoIC＋△

IC－因為可以得到：42四、共射接法的電流分配及放大作用共射放大器＋IB＋△

IB△UiVCCRCVEE△UoIC＋△

IC－43一、共射輸入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.60.8UCE=0VUCE=0.5V1.4.3三極管的伏安特性曲線1、UCE=0:發(fā)射結(jié)集電結(jié)都正偏2、UCE=0~0.6V:發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)正偏電壓逐漸減小3、UCE>1V:發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)正偏44共射放大器UoVCC＋IBRCVEEIC－＋－UCE＋－UBE45二、共射輸出特性uCE(V)36912iC(mA)1234IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足iC=iB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）此區(qū)域為飽和區(qū)，此區(qū)域為截止區(qū)，5uCE=uBE461、飽和區(qū)：兩個結(jié)均為正偏，隨著的減小，將迅速減小,電流傳輸方程已經(jīng)不滿足。2、放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，僅僅決定于，而與無關(guān)3、截止區(qū)：兩個PN結(jié)均為反偏，放大的線性很差，管子沒有了放大能力。

471-4-3、主要參數(shù)一.極限參數(shù)1.集電極最大允許電流ICM：2.集電極最大允許功耗PCM：3.擊穿電壓：二.直流參數(shù)1.共基直流電流放大系數(shù)2.共射直流電流放大系數(shù)3.極間反向電流：481.共基交流放大倍數(shù)三.交流參數(shù)2.共射交流放大倍數(shù)491.對集-基極反向截止電流ICBO的影響AICBOICBO是集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。1-4-4三極管的溫度特性一般可以近似認為：每升溫10°，

ICBO增大一倍。50溫度升高時，對于正向偏置的發(fā)射結(jié)，如果保持正向電流iE不變，那么正偏電壓必須要減小。無論硅管還是鍺管，每升溫1°，減小2～2.5mV/℃，可以表示為：3、溫度對的影響：溫度升高會使晶體管的增大，工程上面可以表示為：也就是說，溫度每升高一度，值增加

2.溫度對發(fā)射結(jié)正偏電壓的影響51場效應晶體管(FET)分類:N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場效應管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)§1-5場效應管場效應管(FET)與雙極型晶體管不同，它是多子導電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。52結(jié)構(gòu)1-5-1結(jié)型場效應管:DGSN基底：N型半導體P+兩邊是P區(qū)G(柵極)S源極D漏極導電溝道P+53GSDuGSNPPiDuGSGSDNPPiDuGS＝0uGS＝2V一、工作原理（以N溝道為例）1、uDS＝0,iD與uGS的關(guān)系54GSDuGSNPPiDuDS=0uGS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。uGS＝4V55iD2、uGS＝0,iD與uDS的關(guān)系NGSDuDSNPPiDuDS＝0uDS＝-VP56ID負柵壓時（uGS<0）,iD與uDS的關(guān)系N57二、伏安特性曲線1.輸出特性(1)可變電阻區(qū)（uDS<uGS

-VP）uGS-

uDS=VP形成預夾斷軌跡，所以可變電阻區(qū)沒有夾斷發(fā)生（uDS<uGS–VP）58(2)放大區(qū)（uDS>uGS

-VP）（uDS>uGS

-VP）(3)截止區(qū)（uGS

<VP）2.轉(zhuǎn)移特性VP59三、結(jié)型場效應管的參數(shù)

1.直流參數(shù)

(1)夾斷電壓

VP(或VGS(off))

當VGS=VGS(off)時，管子全部夾斷，漏極電流iD為零。（2）飽和漏極電流IDSS

當VGS=0，并且uDS>

uGS

–VP＝–VP所對應的漏極電流iD，也就是剛剛被全部夾斷時的iD（3）直流輸入電阻RGS

反偏PN結(jié)的電阻，反偏時RGS約大于107Ω60

（1）低頻跨導gm

跨導反映了柵壓對漏極電流的控制作用

2.微變參數(shù)

因為

61（2）漏極輸出電阻rds

（3）極間電容

3、極限參數(shù)

（1）

最大漏極電流IDM：（2）

最大允許功耗PDM：（3）

擊穿電壓：漏源擊穿電壓柵源擊穿電壓62小結(jié)：（1）JFET是利用uGS

所產(chǎn)生的電場變化來改變溝道電阻的大小，即利用電場效應控制溝道中流通的電流大小。（2）場效應管為一個電壓控制型的器件。（3）在N溝道JFET中，VP為負值。在P溝道JFET中，VP為正值。63例在圖示電路中，已知場效應管的；問在下列三種情況下，管子分別工作在那個區(qū)？(a)uGS=-8V,uDS=4V,(b)uGS=-3V,uDS=4V,(c)uGS=-3V,uDS=1V,解（a）因為uGS<VP,管子工作在截止區(qū)。GDSVDD＋iGRDVGGiD－＋－uDS＋－uGSRGuDGGDS64（b）因為uDG=

uDS–uGS=7VuDG>∣VP∣管子工作在放大區(qū)（c）因為uDG=

uDS–uGS=4VuDG<∣VP∣管子工作在可變電阻區(qū)65

結(jié)型場效應管的缺點：1.柵源極間的電阻雖然可達107以上，但在某些場合仍嫌不夠高。3.柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時，將出現(xiàn)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。2.在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。66絕緣柵型場效應管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)。分為增強型N溝道、P溝道uGS=0時iD=0耗盡型N溝道、P溝道uGS=0時iD=01-5-2絕緣柵場效應管（MOS)一N溝道增強型MOSFET結(jié)構(gòu)

:67GSDN溝道增強型PNNGSD＋＋GSDP溝道增強型NPPGSD＋＋68PN+SGDN+以P型半導體作襯底形成兩個PN結(jié)SiO2保護層引出兩個電極引出兩個電極引出柵極Al從襯底引出電極69二、

工作原理

uDS

電路連接圖PN+SGDN+–++–uGS

701．uGS

>0,uDS

=0PN+SGN+iD=0D–++–產(chǎn)生垂直向下的電場uDS

uGS

71PN+SGN+iD=0D–+–電場排斥空穴形成耗盡層吸引電子uGSuDS+72當uGS

=uGS(th)時PN+SGN+iD=0D–++–形成導電溝道出現(xiàn)反型層uDSuGS73PN+SGN+iD>0D–++–uDS(d)溝道反型層呈楔形(b)沿溝道有電位梯度當uGS

>uGS(th）

,uDS>0時(c)不同點的電場強度不同,左高右低(a)漏極電流iD>0uDS增大，iD增大。74a.uDS升高溝道變窄PN+SGN+iD>0D–+–uDS反型層變窄uGSuDS75b.當uGD

=uGS-uDS=uGS(th）時uDSPN+SGN+iD>0D–++–uDS溝道在漏極端夾斷管子預夾斷uGS76c.當uDS進一步增大iD基本保持恒定uDSPN+SGN+D–++–uDS溝道夾斷區(qū)延長(b)管子進入恒流區(qū)uDSuGSiD>077N溝道增強型MOS管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線

iD=f(uGS)uDS=const輸出特性曲線iD=f(uDS)uGS=const78N溝道耗盡型GSDGSDP溝道耗盡型PNNGSD予埋了導電溝道++NPPGSD予埋了導電溝道++79二、耗盡型N溝道MOS管耗盡型的MOS管uGS=0時就有導電溝道，加反向電壓才能夾斷，uGS=VP。(a)結(jié)構(gòu)示意圖(b)轉(zhuǎn)移特性曲線80輸出特性曲線iDuDS0uGS=0uGS<0uGS>0區(qū)別：N溝道結(jié)型管工作在負柵壓，耗盡型MOS管在零柵壓就可以工作。81三、P溝道MOSFET

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。

☆不論增強型還是耗盡型，對于P溝道器件，ID為空穴電流。因而uDS必為負值，為了保證PN結(jié)反偏，襯底必須接在電路的高電位上；對于N溝道器件，ID為電子電流。因而uDS必為正值，為了保證PN結(jié)反偏，襯底必須接在電路的低電位上。

☆就uGS而言，增強型是單極性的，N溝道為正，P溝道為負，而耗盡型可正可負；不論增強型還是耗盡型，N溝道器件，uGS越向正值方向增大，ID越大；P溝道器件，uGS越向負值方向增大，ID越大；82總結(jié)（一）半導體的基本知識

1、本征半導體2、本征激發(fā)與復合3、空穴4、雜質(zhì)半導體(1)N型半導體(2)P型半導體（二）PN結(jié)的基本特性

1、PN結(jié)是由P型半導體和N型半導體相結(jié)合形成的空間電荷區(qū)，又叫耗盡區(qū)。2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕篜N結(jié)外加正向電壓時，耗盡區(qū)變窄，有電流流過；外加反壓時，耗盡區(qū)變寬，沒有電流流過或電流很小。833、PN結(jié)的V－I特性4、PN結(jié)方向擊穿：雪崩擊穿：發(fā)生在低摻雜的PN結(jié)，擊穿電壓較高；齊納擊穿：發(fā)生在高摻雜的PN結(jié)，擊穿電壓較低；5、PN結(jié)電容：勢壘電容：發(fā)生在勢壘區(qū)，正偏和反偏時都會發(fā)生，擴散電容：發(fā)生在P區(qū)和N區(qū)，反偏時發(fā)生，84正偏時主要是擴散電容，反偏時主要是勢壘電容（三）半導體二極管

1、二極管正向V—I特性模型

(1)理想模型：正偏時壓降為0，反偏時電阻為無窮大，流過的電流為0