1、1,第一章 半导体器件, 1.1 半导体的基本知识 1.2 PN 结 1.3 晶体二极管 1.4 半导体三极管 1.5 场效应晶体管,2,绪论,模拟信号的特点：,在时间上和幅值上都是连续的，并且，在一定动态范围内可以取得任意值。,模拟电路：处理模拟信号的电子电路,3,1.1 半导体的基本知识,半导体基本知识,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。,半导体的特点：,当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显增加。,4, 1.1.1 本征半导体,一、本征半导体的结构特点,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电
2、子）都是四个。,5,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,6,二、本征半导体的导电机理,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,1.载流子、自由电子和空穴,这一现象称为本征激发，也称热激发。,7,2.本征半导体的导电机理,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,8,因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离
3、的部分自由电子同时也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示。,本征激发和复合在一定温度下会达到一种动态平衡状态。,本征激发和复合的过程,三、本征半导体中载流子的浓度,9, 1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，因掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加, 所以半导体的导电性能发生显著变化。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,10,多余 电子,施主 原子,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。因此自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子
4、（少子）。,一、N 型半导体,11,二、P 型半导体,空穴,受主原子,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，空穴浓度远大于自由电子浓度。因此空穴称为多数载流子（多子），自由电子称为少数载流子（少子）。,12,三、杂质半导体的浓度,（N型半导体）,（P型半导体）,13,1.2 PN结,121 PN 结的形成,将半导体一侧参杂成P 型，另一侧参杂成N 型，经过载流子的扩散和漂移运动，在它们的交界面处就形成了PN 结。,漂移运动：载流子在电场作用下形成的定向运动,扩散运动：载流子从浓度高的地方向浓度低的地方运动,14,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,
5、内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,15,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,16,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,17,1、PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,1-2-2 PN结的单向导电性,18,2、PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,19
6、,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。结论：PN结具有单向导电性。,结论：,20,3 PN结伏安特性,其中,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,21,1-2-3、 PN结的温度特性,正向特性：,反向特性：,22,1-2-4 PN结的反向击穿,根据击穿机理 分类：,雪崩击穿条件：低掺杂、高,齐纳击穿条件：高掺杂，,PN结的击穿特性,反压,低反压时就会发生,23,+,+,+,+,空间电荷区,N型区,P+型区,电位V,V0,非对称结空间电荷区伸向低掺杂的一侧,24,+,雪崩击穿:,内电场,外
7、电场,N,P,_,R,E,空间电荷区,N型区,P型区,在空间电荷区产生碰撞电离，有大量载流子参与导电,25,+,齐纳击穿:,内电场,外电场,N,P,_,R,E,空间电荷区,N型区,P型区,26,UD7V 发生雪崩击穿,击穿特性的好处：发生击穿以后，PN结两端反压保持恒定，而流过的电流可以在较大的范围内变动，可以利用这个性质制作稳压二极管。,UD4V 发生齐纳击穿,4VUD7V 两种击穿都可能发生,PN结的击穿特性,27,负载电阻 。,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,稳压二极管的应用,稳压管的技术参数:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。,求：
8、电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,28,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。,方程2,联立方程1、2，可解得：,29,1 势垒电容CT,势垒电容的示意图,1-2-5 PN结的电容效应,PN结电容分类：势垒电容、扩散电容,偏压改变的时候，空间电荷区存在电荷的存储效应,30,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的浓度梯度分布曲线。（发生在中性区）,2 扩散电容CD,反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形 成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图 如下页所示。,（只存在于
9、正偏时）,31,扩散电容示意图,P区,32,1-3 晶体二极管,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,33,半导体二极管图片,34,1-3-1 伏安特性,导通压降: 硅管0.60.8V,锗管0.10.3V。,反向击穿电压UB,二极管特性曲线,Vr,理想二极管特性曲线,35,二极管的应用 二极管半波整流,36,发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,37,基本结构,PNP型,1.4 晶体三极管,NPN型,38,1-4-1 三极管工作原理,载流子传输过程,一、载流子的传输过程,1、发射区
10、向基区注入电子,2、电子在基区扩散与复合,3、集电极收集电子,从外部看:,39,二、共基极的电流分配关系,共基极直流电流传输系数：,一般,因此,IE可控，受控于正偏的发射结；,共基极电流传输方程,改变正偏电压时，和正偏电压有关的电流都会成比例的增加；,40,BJT的控制作用：,41,总结：,（1） BJT的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。保证传输过程需要内部条件和外部条件。,（2） BJT内各个电流之间有确定的分配关系，所以，只要输入电流（IE）给定，输出电流和电压便基本确定。输入信号首先通过发射结的电压变化改变输入电流（IE） ，再利用（IE）的变
11、化去控制（IC）。,42,共射极的电流分配关系,因为,可以得到：,43,四、共射接法的电流分配及放大作用,44,一、共射输入特性,1.4.3三极管的伏安特性曲线,1、UCE=0: 发射结集电结都正偏,2、 UCE=00.6V: 发射结正偏、集电结正偏电压逐渐减小,3、 UCE1V: 发 射结正偏、集电结正偏,45,共射放大器,Uo,46,二、共射输出特性,iC(mA ),1,2,3,4,此区域满足iC=iB称为线性区（放大区）,此区域为饱和区，,此区域为截止区，,5,uCE=uBE,47,1、饱和区：两个结均为正偏，随着 的减小， 将迅速减小,电流传输方程已经不满足。,2、放大区：发射结正偏、
12、集电结反偏 ，仅仅决定于 ，而与 无关,3、截止区：两个PN结均为反偏，放大的线性很差， 管子没有了放大能力。,48,1-4-3、主要参数,一. 极限参数,1. 集电极最大允许电流ICM：,2. 集电极最大允许功耗PCM：,3. 击穿电压：,二. 直流参数,1. 共基直流电流放大系数,2. 共射直流电流放大系数,3. 极间反向电流：,49,1. 共基交流放大倍数,三. 交流参数,2. 共射交流放大倍数,50,1.对集-基极反向截止电流ICBO的影响,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,1-4-4 三极管的温度特性,一般可以近似认为：每升温10， ICBO增大一倍
13、。,51,温度升高时，对于正向偏置的发射结，如果保持正向电流iE不变，那么正偏电压必须要减小。无论硅管还是锗管，每升温1，减小22.5mV/，可以表示为：,3、温度对 的影响：,温度升高会使晶体管的增大，工程上面可以表示为：,也就是说，温度每升高一度， 值增加,2.温度对发射结正偏电压的影响,52,场效应晶体管(FET)分类:,1-5 场效应管,场效应管(FET)与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。,53,结构,1-5-1 结型场效应管:,54,uGS0,uGS2V,一、工作原理（以N沟道为例）,1、uDS0,iD与 uGS的关系,55,uGS4V,56,iD,2、uG
14、S0, iD与 uDS的关系,uDS0,uDS-VP,57,ID,负栅压时（uGS0）, iD与uDS的关系,N,58,二、伏安特性曲线,1. 输出特性,(1) 可变电阻区（uDS uGS -VP）,uGS- uDS = VP 形成预夹断轨迹，所以可变电阻区没有夹断发生,（uDS uGS VP）,59,(2) 放大区（uDS uGS -VP）,（uDS uGS -VP）,(3) 截止区（uGS VP）,2. 转移特性,VP,60,三、结型场效应管的参数,1. 直流参数,(1) 夹断电压 VP(或VGS(off)当VGS=VGS(off) 时，管子全部夹断，漏极电流iD为零。,（2）饱和漏极电流
15、IDSS当VGS=0，并且uDS uGS VPVP所对应的漏极电流iD，也就是刚刚被全部夹断时的iD,（3）直流输入电阻RGS反偏PN结的电阻，反偏时RGS约大于107,61,（1）低频跨导gm 跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用,2. 微变参数,因为,62,（2）漏极输出电阻rds,（3）极间电容,3、极限参数,（1） 最大漏极电流IDM：,（2） 最大允许功耗PDM：,（3） 击穿电压：,漏源击穿电压,栅源击穿电压,63,小结：,（1）JFET是利用uGS 所产生的电场变化来改变沟道电阻的大小，即利用电场效应控制沟道中流通的电流大小。,（2）场效应管为一个电压控制型的器件。,（3）在N沟道
16、JFET中，VP为负值。,在P沟道JFET中，VP为正值。,64,例 在图示电路中，已知场效应管的 ；问在下列三种情况下，管子分别工作在那个区？,(a) uGS=-8V, uDS=4V,(b) uGS=-3V, uDS=4V,(c) uGS=-3V, uDS=1V,解（a）因为uGSVP , 管子工作在截止区。,65,（b）因为uDG= uDS uGS= 7V,uDGVP ,管子工作在放大区,（c）因为uDG= uDS uGS= 4V,uDGVP ,管子工作在可变电阻区,66,结型场效应管的缺点：,1. 栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。,3. 栅源极间的PN结加正向电
17、压时，将出现较大的栅极电流。,绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。,2. 在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。,67,绝缘栅型场效应管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为增强型 N沟道、P沟道uGS=0时iD=0耗尽型 N沟道、P沟道 uGS=0时iD=0,1-5-2 绝缘栅场效应管（MOS),一 N沟道增强型MOSFET,结构 :,68,N沟道增强型,P 沟道增强型,69,N+,S,G,D,N+,以P型半导体作衬底,SiO2保护层,引出栅极,Al,从衬底引出电极,70,二、 工作原理,uDS,71,1uGS 0 ,uDS
18、=0,72,73,当uGS =uGS(th)时,74,N+,S,G,N+,iD0,D,+,+,uDS,(d)沟道反型层呈楔形,(b) 沿沟道有电位梯度,当uGS uGS(th） ,uDS0时,(c)不同点的电场强度不同,左高右低,(a) 漏极电流iD0 uDS增大，iD增大。,75,a. uDS升高,76,b. 当uGD =uGS-uDS=uGS(th）时,uDS,77,c. 当uDS进一步增大,78,N沟道增强型MOS管的特性曲线,转移特性曲线,iD=f(uGS)uDS=const,输出特性曲线,iD=f(uDS)uGS=const,79,N 沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,80,二、耗尽型N沟
19、道MOS管,耗尽型的MOS管uGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断，uGS=VP。,(a) 结构示意图,(b) 转移特性曲线,81,输出特性曲线,区别：N沟道结型管工作在负栅压，耗尽型MOS管在 零栅压就可以工作。,82,三、P沟道MOSFET,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。,不论增强型还是耗尽型，对于P沟道器件，ID为空穴电流。因而uDS必为负值，为了保证PN结反偏，衬底必须接在电路的高电位上；对于N沟道器件，ID为电子电流。因而uDS必为正值，为了保证PN结反偏，衬底
20、必须接在电路的低电位上。,就uGS而言，增强型是单极性的，N沟道为正，P沟道为负，而耗尽型可正可负；不论增强型还是耗尽型，N沟道器件， uGS越向正值方向增大，ID越大； P沟道器件， uGS越向负值方向增大，ID越大；,83,总结,（一）半导体的基本知识,1、本征半导体,2、本征激发与复合,3、空穴,4、杂质半导体,(1) N型半导体,(2) P型半导体,（二）PN结的基本特性,1、PN结是由P型半导体和N型半导体相结合形成,的空间电荷区，又叫耗尽区。,2、PN结的单向导电性：PN结外加正向电压时，,耗尽区变窄，有电流流过；外加反压时，耗尽区,变宽，没有电流流过或电流很小。,84,3、PN结
21、的VI特性,4、PN结方向击穿：,雪崩击穿：发生在低掺杂的PN结，击穿电压较高；,齐纳击穿：发生在高掺杂的PN结，击穿电压较低；,5、PN结电容：,势垒电容：发生在势垒区，正偏和反偏时都会发生，,扩散电容：发生在P区和N区，反偏时发生，,85,正偏时主要是扩散电容，反偏时主要是势垒电容,（三）半导体二极管,1、二极管正向VI特性模型,(1) 理想模型：正偏时压降为0，反偏时电阻为,无穷大，流过的电流为0；,(2) 恒压降模型：正偏时硅管压降为0.7V，反偏时,为反向饱和电流；,2、二极管基本应用电路,整流电路 、限幅电路、稳压电路,3、稳压管：利用PN结的正向击穿特性，工作于反,偏状态。正向压
22、降与普通二极管相同。,86,（四）半导体三极管,1、BJT是由2个PN结组成的器件，分为NPN和PNP,2、BJT的放大作用要求其内部结构特点是发射区,掺杂高，基区掺杂低且非常薄，集电区掺杂低；,外部特点是发射结正偏，集电结反偏。,3、BJT的电流分配关系：IE=IC,IC=IB,IE=IB+ IC =(+1)IB,4、2种电流放大系数的关系：,5、2种极间反向电流关系：ICEO=（1）ICBO,87,（五）场效应管,场效应管的转移特性,场效应管的输出特性,88,例1,有两只晶体管，一只的200，ICEO200A；另一只的100，ICEO10A，其它参数大致相同。你认为应选用哪只管子？为什么？
23、,89,例2,(a),(c),判断二极管是否导通,判断方法：,首先将所有二极管断开，按直流电路算出,各个二极管的开路电压，然后将最能优先导通（两端电位差最大）的一个接入电路；再按照这个方法把第二个接入，最后把所有的二极管导通和截止分析清楚。,(b),90,电路如图所示，已知ui5sint (V)，二极管导通电压UD0.7V。试画出ui与uO的波形，并标出幅值。,例3,91,判断各电路中晶体管是否有可能工作在哪种状态。,例4,92,电路如图所示，当uI4V、8V、18V三种情况下场效应管分别工作在什么区域。uTh =5V,例5,93,测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位如表，它们的开启电压也在表中。试分析各管的工作状态(截止区、恒流区、可变电阻区）,例6,
