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第1章,半导体器件,2,半导体的基础知识本征半导体杂质半导体载流子运动方式及形成电流PN结与晶体二极管PN结的基本原理晶体二极管晶体二极管电路,第一章目录,3,晶体三极管晶体三极管的结构与符号晶体管的放大原理晶体三极管特性曲线晶体管的主要参数场效应晶体管结型场效应晶体管（JFET）绝缘栅场效应管（IGFET）场效应管的参数及特点,第一章目录（续）,4,1.1半导体的基础知识,5,半导体,1.1.1本征半导体,108cm:绝缘体,介于导体和绝缘体之间:半导体,纯净而不含杂质的半导体,本征半导体:,常用半导体材料：Si、Ge、GaAs,6,共价键结构,1.1.1本征半导体,每个原子和相邻的4个原子相互补足8个电子，形成稳定结构。,硅(Si),锗(Ge),半导体的原子结构:,硅和锗的原子结构和共价键结构,8,本征激发与复合,1.1.1本征半导体,激发：价电子获取外能由束缚状态变为自由状体的过程,本征激发产生电子空穴对,10,热敏性半导体的电阻率随着温度的上升而明显地下降,1.1.1本征半导体,光敏性半导体的电阻率随着光照的增强而明显地下降,11,复合：激发后的自由电子释放能量，重新回到束缚状态即自由电子与空穴成对消失的过程。,1.1.1本征半导体,本征激发与复合,12,1.1.1本征半导体,本征半导体中的载流子密度,T=300KSi,温度约每升高10度，ni(T)、pi(T)增大一倍。,13,半导体掺杂性半导体掺杂后其电阻率大大地下降。掺杂后的半导体称作杂质半导体。,1.1.1本征半导体,14,小结,（1）半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。（2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。（3）一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。,15,（4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。（5）空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。,小结,16,杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类,1.1.2杂质半导体,结构图,本征半导体+施主杂质=N型半导体,N型半导体,(五价元素),N型半导体的共价键结构,18,1.1.2杂质半导体,N型半导体中的多数载流子(即多子）为电子。空穴为少数载流子（即少子）,19,P型半导体,结构图,1.1.2杂质半导体,本征半导体+受主杂质=P型半导体,(三价元素),P型半导体共价键结构,21,P型半导体中的多数载流子(多子）为空穴。电子为少数载流子（即少子）,1.1.2杂质半导体,22,漂移运动和漂移电流,1.1.3载流子运动方式及其电流,漂移电流大小与电场强度成正比,漂移运动：载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。,漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。,23,扩散运动及扩散电流,1.1.3载流子运动方式及其电流,扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比,扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。,扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。,24,1.2PN结与晶体二极管,25,PN结的形成,1.2.1PN结基本原理,空间电荷区/耗尽层,内建电场,26,扩散,交界处的浓度差,P区的一些空穴向N区扩散,N区的一些电子向P区扩散,P区留下带负电的受主离子,N区留下带正电的施主离子,内建电场,漂移电流,扩散电流,PN结,1.2.1PN结基本原理,抑制扩散,27,1.2.1PN结基本原理,U阻止多子继续扩散，同时有利少子定向漂移,空间电荷区/耗尽层,U,内建电场,小结,载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。漂移电流=扩散电流时，PN结形成且处于动态平衡状态。PN结没有电流通过。掺杂越重，结宽越窄。,29,PN结特性单向导电性击穿特性电容特性,1.2.1PN结基本原理,加偏压时的耗尽层,U,UU,合成电场,PN结加正向电压,PN结外加正向电压时，内建电场被削弱，势垒高度下降，空间电荷区宽度变窄，这使得P区和N区能越过这个势垒的多数载流子数量大大增加，形成较大的扩散电流。,单向导电性,PN结呈现为小电阻,结宽变窄,PN结正向导通状态,PN结外加正向电压,加反向偏压时的耗尽层,U,U+U,合成电场,PN结加反向电压,PN外加反向电压时，内建电场被增强，势垒高度升高，这就使得多子扩散运动很难进行，扩散电流趋于零，而少子更容易产生漂移运动。,流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。,结宽增加。,该状态称为PN结反向截止状态。,PN结外加反向电压,PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流IS,考虑到IS0，则PN结截止。PN结正向导通、反向截止的特性称PN结的单向导电特性。外电压可改变结宽。,小结,35,击穿概念：PN结外加反向电压值超过一定限度时，反向电流急剧增加的现象。,1.2.1PN结基本原理,击穿特性,击穿电压：PN结击穿时的外加电压(即:Uz),击穿分类：,雪崩击穿,齐纳击穿,36,1.2.1PN结基本原理,雪崩击穿:,漂移少子碰撞中性原子,产生新的电子空穴对,特点：Uz6V,37,1.2.1PN结基本原理,利用PN结击穿特性可以制作稳压管。,特点：UzIOM易导致二极管过热失效,晶体二极管(主要参数:续),极限参数,最高反向工作电压URM:允许加到二极管(非稳压管)的最高反向电压,最大允许功耗PDM:实际功耗PDM时易导致二极管过热损坏,53,晶体二极管,特殊二极管稳压管,V-A特性及符号,54,晶体二极管(特殊二极管:续),稳压管主要参数,稳定电压UZ：即PN结击穿电压,稳定电流IZ：IzminIEp，因此发射极电流IEIEn。,形成复合电流IBn，它是基极电流IB的一部分。,形成ICn，构成集电极电流IC的主要成份。,晶体三极管放大原理:续,77,发射区向基区注入电子(IEn)：发射极电流IEIEn注入电子在基区边扩散边复合(IBn)：是基极电流IB的一部分,晶体三极管放大原理:续,集电区收集扩散来的电子(Icn)：Icn构成集电极电流IC的主要成份集电结两边少子定向漂移(ICBO)：ICBO对放大无贡献应设法减小晶体三极管又称为双极型三极管,三极管放大应满足两方面条件：外部条件：发射结正偏集电结反偏内部条件：基区薄发射区重掺杂,78,电流关系发射极电流：IE=Ibn+Icn基极电流：IB=Ibn-ICBO集电极电流：IC=Icn+ICBO,晶体三极管放大原理:续,79,基区非平衡载流子的密度分布,非平衡载流子密度分布图,晶体三极管放大原理:续,80,定义：,电流分配关系,晶体三极管放大原理:续,81,晶体三极管放大原理:续,电流分配关系：,穿透电流：,82,关于电流放大倍数的几点说明,手册上的值是实测得到的它们的大小与工作电流有关这组电流关系也适用于PNP管，但各极定义的电流方向相反,晶体三极管放大原理:续,83,共射接法输入特性曲线,晶体三极管特性曲线,特点：特性曲线类似二极管V-A特性uCE增大时，特性曲线右移uCE1V时曲线基本重合,84,晶体三极管特性曲线:续,共射接法输出特性曲线,85,曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区,截止区：对应截止状态:E结C结反偏特点：iE=0iC=ICBO=iB,晶体三极管特性曲线:续,86,曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区,放大区：对应放大状态:E结正偏C结反偏特点：放大效应-定义,晶体三极管特性曲线:续,87,特点：基调(厄立)效应-UA表现:曲线略微上斜,晶体三极管特性曲线:续,88,特点：穿透电流-ICEO计算:ICEO=(1+)ICBO,曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区,晶体三极管特性曲线:续,89,曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区,饱和状态:E结正偏C结正偏特点：饱和现象：固定uCE,iC基本不随iB变化uCE控制iC：固定iB,iC随uCE剧烈变化,晶体三极管特性曲线:续,90,曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区,注意：临界饱和：UBC=0（考虑到发射结导通存在门限电压的作用，则：UBC=UBEO）临界饱和电压：UCES,晶体三极管特性曲线:续,91,晶体三极管特性曲线:续,对于PNP型管其特性规律一样,但变量极性相反,特性曲线还有共基共集两种,92,晶体三极管主要参数,极间反向电流集电极-基极间反向饱和电流ICBO集电极-发射极穿透电流ICEO发射极-基极间反向饱和电流IEBO,93,晶体三极管主要参数,极限参数集电极最大允许电流ICM反向击穿电压U(BR)CBO，U(BR)CEO,U(BR)EBO,94,晶体三极管主要参数,集电极最大允许功耗PCM,安全工作区,95,1.4.5晶体三极管主要参数:续,晶体管参数的温度特性,UBEOT1度则UBEO(22.5)mV,ICBOT10度则ICBO约1倍,T1度则(0.51)%,96,1.5场效应晶体管,97,FET,JFET,IGFET,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,N沟道,P沟道,P沟道,场效应晶体管的分类,98,结型场效应管JFET,结构与符号,N-JFET,P-JFET,99,结型场效应管JFET,工作原理（N-JFET管为例）,导电沟道：漏极到源极的导电通道受控机理：漏极电流iD受控于uGS,100,结型管JFET:工作原理续,工作原理-uGS控制iD(uDS=C0),夹断uGS=UGS(off),预夹断uGD=UGS(off),101,结型管JFET:工作原理续,工作原理-uDS影响iD(uGS=C0),102,结型场效应管JFET,工作原理（N-JFET管为例）,103,小结：iD受控于uGS:uGS则iD直至iD=0iD受uDS影响:uDS则iD先增随后近似不变预夹断前uDS则iD以预夹断状态为分界线预夹断后uDS则iD不变,结型管JFET:工作原理续,104,结型场效应管JFET,特性曲线（N-JFET管为例）输出特性曲线,105,输出曲线分四区：截止区放大区可变电阻区击穿区,截止区：对应夹断状态特点：uGSUGS(off)iD=0,截止区,结型场效应管JFET:特性曲线续,106,放大区：对应管子预夹断后的状态特点：受控放大，iD只受uGS控制uGS则iD,放大区,输出曲线分四区：截止区放大区可变电阻区击穿区,结型场效应管JFET:特性曲线续,107,可变电阻区：对应预夹断前状态特点：固定uGS，uDS则iD近似线性-电阻特性固定uDS，变化uGS则阻值变化-变阻特性,输出曲线分四区：截止区放大区可变电阻区击穿区,可变电阻区,结型场效应管JFET:特性曲线续,108,击穿区：对应击穿状态特点：uDS很大iD急剧增加,输出曲线分四区：截止区放大区可变电阻区击穿区,击穿区,结型场效应管JFET:特性曲线续,109,转移特性曲线,结型场效应管JFET:特性曲线续,110,预夹断后转移特性曲线重合曲线方程条件,结型场效应管JFET:特性曲线续,根据栅极绝缘材料分为:金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET或MOS)金属-氮化硅-半导体场效应管(MNSFET或MNS)金属-氧化铝-半导体场效应管(MALSFET)根据是否存在原始导电沟道分为:增强型和耗尽型根据导电沟道类型分为:N沟道和P沟道,特点栅极同其余电极之间绝缘,绝缘栅场效应管IGFET,概念,112,绝缘栅场效应管IGFET,结构与符号(以增强型NMOS管为例),PMOSFET,NMOSFET,113,导电沟道uGS=0时，无导电沟道(夹断状态)uGSUGS(th)时，产生导电沟道(开启状态)定义开启电压UGS(th)为刚开始出现导电沟道时的栅源电压数值,绝缘栅场效应管IGFET,工作原理,114,受控机理：漏极电流iD受控于uGS,通过改变加在绝缘层上的电压(栅源电压)的大小来改变导电沟道的宽度，进而改变沟道电阻的大小以达到控制漏极电流的目的，漏极电流iD受控于uGS。,绝缘栅场效应管:工作原理续,115,uDS0,uDSiD近似不变,uDS=(uGS-UGS(th)预夹断状态uDSiD,uDS影响iD(uGS=C0),uDS(uGS-UGS(th)预夹断后,绝缘栅场效应管:工作原理续,116,小结：iD受控于uGS:uGS则iD直至iD=0iD受uDS影响:uDS则iD先增随后近似不变预夹断前uDS则iD以预夹断状态为分界线预夹断后uDS则iD不变,绝缘栅场效应管:工作原理续,117,特别注意：区别夹断与预夹断：夹断时：uGSUGS(th)，iD=0预夹断时：uGD=UGS(th)(或uGS-uDS=UGS(th)iD0预夹断前：uGDUGS(th)(或uGS-uDSUGS(th)预夹断后：uGDUGS(th)(或uGS-uDSUGS(th),绝缘栅场效应管:工作原理续,118,特性曲线（增强型NMOS管为例）输出特性曲线,绝缘栅场效应管,119,输出特性曲线主要分三区：截止区放大区可变电阻区,可变电阻区,放大区,截止区,绝缘栅场效应管:特性曲线续,120,绝缘栅场效应管:特性曲线续,截止区：对应夹断状态特点：uGSUGS(th)iD=0,121,绝缘栅场效应管:特性曲线续,放大区：对应管子开启和预夹断后的状态特点：受控放大,uGS则iD,122,绝缘栅场效应管:特性曲线续,可变电阻区：对应预夹断前状态特点：uDS则iD近似线性-电阻特性uGS变化则阻值变化-变阻特性,123,预夹断后转移特性曲线重合曲线方程条件,转移特性曲线,绝缘栅场效应管:特性曲线续,124,衬调效应（增强型NMOS管为例）,绝缘栅场效应管,uBS0且uBS0时iD受控于uBS的特性衬调效应又称背栅效应，体效应,g,d,s,b,UGG,UDD,125,耗尽型NMOS管,绝缘栅场效应管,N沟道耗尽型MOS管的结构与符号,转移特性曲线,输出特性曲线,128,PMOS管特点:导电载流子为空穴uGS(uDS