第4章 半导体器件的基本特性2

1、第四章 半导体器件的基本特性 4.1 4.2 4.3 PN结及半导体二极管 半导体晶体管 半导体基础知识 1. 1. 三极管的结构及类型三极管的结构及类型 l 重点： 2.2. 三极管的放大作用三极管的放大作用 第四章 半导体器件的基本特性 4.3 半导体晶体管 4.3 半导体晶体管 u 晶体管的结构及类型 u 晶体管的放大作用 u 晶体管的特性曲线 u 晶体管的主要参数 3AD103AD10 2SC20782SC2078 4.3 半导体晶体管 p 晶体管的结构及类型晶体管的结构及类型 双极型三极管又称半导 体三极管、晶体管，或 简称为三极管。 按材料分：硅管、锗管 按结构分：NPN型、PNP

2、型 按频率分：高频管、低频管 按功率分：小功率、大功率 4.3 半导体晶体管 国家标准对半导体三极管的命名如下: : 第二位第二位：A A 锗锗PNPPNP管、管、B B 锗锗NPNNPN管、管、C C 硅硅PNPPNP管、管、D D 硅硅NPNNPN管管 第三位：第三位：X X 低频小功率管、低频小功率管、D D 低频大功率管、低频大功率管、 G G 高频小功率管、高频小功率管、A A 高频大功率管、高频大功率管、K K 开关管开关管 用字母表示材料用字母表示材料 用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类 用数字表示同种器件型号的序号用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示同一型号中的不同规

3、格用字母表示同一型号中的不同规格 三极管三极管 p 晶体管的结构及类型晶体管的结构及类型 4.3 半导体晶体管 e c b 二氧化硅 集电极 在N型硅片(集电区集电区)氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进 行扩散形成P型的基区基区；再在P型基区上刻窗口，将磷杂质 进行扩散形成N型的发射区发射区。引出三个电极即可。 发射极基极p 晶体管的结构及类型晶体管的结构及类型 4.3 半导体晶体管 e c b 符号 集电区集电区 集电结集电结 基区基区 发射结发射结 发射区发射区 集电极集电极c c 基极基极b b 发射极发射极e e N N P p 晶体管的结构及类型晶体管的结构及类型 4.3 半导体晶体管

4、c b e 符号 集电区集电区 集电结集电结 基区基区 发射结发射结 发射区发射区 集电极集电极 c c 发射极发射极 e e 基极基极 b b N N p 晶体管的结构及类型晶体管的结构及类型 4.3 半导体晶体管 c e b 表面看表面看 外部所加电源的极性外部所加电源的极性 不具备放大作用不具备放大作用 三极管若三极管若 实现放大实现放大 三极管内部结构三极管内部结构 p 晶体管的放大作用晶体管的放大作用 b e c 4.3 半导体晶体管 三极管放大的外部条件：三极管放大的外部条件： 外加电源的极性应使发射结 处于正向偏置状态，而集电结 处于反向偏置状态。 三极管内部结构要求：三极管内部

5、结构要求： 1. 发射区高掺杂； 2. 基区做得很薄且掺杂较少； 3. 集电结面积大。 p 晶体管的放大作用晶体管的放大作用 c e b 4.3 半导体晶体管 p 晶体管的放大作用晶体管的放大作用 Rc Rb 1.1.发射发射发射区的电子越过发射区的电子越过 发射结扩散到基区，基区的发射结扩散到基区，基区的 空穴扩散到发射区空穴扩散到发射区形成发形成发 射极电流射极电流IE( (基区多子数目较基区多子数目较 少，空穴电流可忽略少，空穴电流可忽略) )。 2.2.复合和扩散复合和扩散电子到达基电子到达基 区，少数与空穴复合形成基区，少数与空穴复合形成基 极电流极电流IB，复合掉的空穴由复合掉的空

6、穴由 VBB补充。补充。 多数电子在基区继续扩散，到多数电子在基区继续扩散，到 达集电结的一侧。达集电结的一侧。 4.3 半导体晶体管 p 晶体管的放大作用晶体管的放大作用 Rc Rb 3.3.收集收集集电结反偏，有集电结反偏，有 利于收集基区扩散过来的利于收集基区扩散过来的 电子而形成集电极电流电子而形成集电极电流IC。 其能量来自外接电源其能量来自外接电源VCC 另外，集电区和基区的少子另外，集电区和基区的少子 在结电场的作用下将进行漂在结电场的作用下将进行漂 移运动而形成反向饱和电流，移运动而形成反向饱和电流， 用用ICBO表示。表示。 4.3 半导体晶体管 ICBO IBN 集电极电流

7、集电极电流：IC = ICN + ICBO 基极电流基极电流：IB = IBN - ICBO 发射极电流发射极电流：IE = IC + IB p 电流分配关系电流分配关系 直流电流直流电流 放大系数放大系数 交流电流交流电流 放大系数放大系数 4.3 半导体晶体管 p 衡量晶体管放大能力的指标衡量晶体管放大能力的指标 4.3 半导体晶体管 晶体管外部极间电压与电流的相互关系称为晶体管外部极间电压与电流的相互关系称为 输入特性：输入特性： 输出特性：输出特性： uCE VCC Rb VBB c e b RC + + iBf (uBE) UCE=常数 常数 iCf (uCE) iB=常数 常数 p

8、 晶体管特性曲线晶体管特性曲线 4.3 半导体晶体管 为什么UCE增大曲线右移？ 对于小功率晶体管对于小功率晶体管，UCE大于大于1V的一条输入特性曲的一条输入特性曲 线可以取代线可以取代UCE大于大于1V的所有输入特性曲线的所有输入特性曲线。 为什么像PN结的伏安特性？ 为什么UCE增大到一定值曲线右 移就不明显了？ 1.1.输入特性输入特性iBf (uBE) 常数常数 p 晶体管特性曲线晶体管特性曲线 2.2.输出特性输出特性 每一个 IB 就有一条 iC 随 uCE 变化的曲线 u 为什么 uCE 较小时 iC 随 uCE 变化很大？ u 为什么进入放大状态曲线 几乎是横轴的平行线？ B

9、 i C i iC=f (uCE) IB 常数 常数 4.3 半导体晶体管 p 晶体管特性曲线晶体管特性曲线 4.3 半导体晶体管 iC / mA UCE / V 100 A 80A 60 A 40 A 20 A IB = 0 O 5 10 15 4 3 2 1 截止区截止区 放放 大大 区区 饱饱 和和 区区 截止区截止区: : 放大区放大区 饱和区饱和区 p 晶体管的三个工作区晶体管的三个工作区 4.3 半导体晶体管 衡量晶体管放大能力的重要指标。 c e b 2.2.集电极和基极之间的反向饱和电流集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO 小功率锗管 约为几微安； 硅管的 小，有的为纳安数

10、量级。 当e e开路时，c c和b b之间的电流。 1.1.电流放大系数电流放大系数 ， p 晶体管主要参数晶体管主要参数 ICEO c e b . .集电极和发射极之间的反向饱和电流集电极和发射极之间的反向饱和电流 当b b开路时，c c和e e之间的电流。 4.4.特征频率特征频率 晶体管的电流放大系数下降到1时的频率。 值愈大，则该管的 也愈大。 。 4.3 半导体晶体管 p 晶体管主要参数晶体管主要参数 5.5.集电极最大允许电流集电极最大允许电流 当 过大时，三极管的 值要 减小。使 值下降到额定值的 三分之二时的 。 6.6.集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 将 与 乘

11、积等于规定的 值各点连接起来，可得 一条双曲线。 7.7.极间反向击穿电压极间反向击穿电压() 外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。 iC vCE O ICM 过流区过流区 过过 损损 耗耗 区区 PCM = iC CE V(BR)CEO 过过 电电 压压 安安 全全 工工 作作 区区 4.3 半导体晶体管 p 晶体管主要参数晶体管主要参数 4.3 半导体晶体管 温度对温度对 的影响 的影响 当温度升高时，管内载流子运动加剧， 三极管发射结的正向电流 随温度升高而按指数规律增加 ，在 相同的条件下，将减小。 温度对温度对的影响的影响 当温度升高时，基区和集电区产生的电 子空穴对将急剧增加

12、，于是反向饱和电流 、上升。 温度对温度对 的影响的影响 当温度升高后，加快了基区注入载流子的 扩散速度，在基区电子与空穴的复合数目减小，因而 增大 温度对温度对、 的影响 的影响 当温度升高时， 和和 有所提高。 。 p 温度对晶体管参数的影响温度对晶体管参数的影响 4.3 半导体晶体管 对输入特性的影响对输入特性的影响 当温度升高时, ,共射极连接时的输入特性曲线将向左移 动,在相同的条件下， 将减小。 。 对输出特性的影响对输出特性的影响 当当温度升高时，、 都将增大，输出特性曲 线将向上移动，而且各条曲线间的距离加大。 p 温度对晶体管特性的影响温度对晶体管特性的影响 4.3 半导体晶

13、体管 利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的半导体器件 l 场效应管紧靠多数载流子导电，又称单极型晶体管 l 体积小、重量轻、寿命长 l 输入内阻高：1071012 l 噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强 l 耗电省 p 单极型晶体管单极型晶体管场效应管场效应管 4.3 半导体晶体管 场效场效 应管应管 分类分类 结型 绝缘 栅型 N 沟道 P 沟道 N 沟道 P 沟道 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型 绝缘绝缘 栅型栅型 p 单极型晶体管单极型晶体管场效应管场效应管 4.3 半导体晶体管 p 结型场效应管结型场效应管 4.3 半导体晶体管 N N沟道结型场效应管是在同一沟道结型场效应管是在同

14、一 块块N N型半导体上制作两个高掺型半导体上制作两个高掺 杂的杂的P P区。将它们连接在一起区。将它们连接在一起 引出电极引出电极栅极栅极G G。 N沟道结构示意图沟道结构示意图 SiO2 N 源极S栅极G漏极D N N P P N N型半导体两端加上一定的电型半导体两端加上一定的电 压，便在沟道中形成电场，在压，便在沟道中形成电场，在 此电场作用下，形成由多数载此电场作用下，形成由多数载 流子流子( (自由电子自由电子) )产生的漂移电产生的漂移电 流。我们将电子发源端称为流。我们将电子发源端称为源源 极极S S，接收端称为，接收端称为漏极漏极D D。 源极源极S 栅极栅极G 漏极漏极D

15、p N N沟道结型场效应管沟道结型场效应管 4.3 半导体晶体管 d s g P+N 导 电 沟 道 N N沟道结型结构示意图沟道结型结构示意图 P+ 这样既保证了栅这样既保证了栅- -源之间的电阻源之间的电阻 很高，又实现了很高，又实现了UGS对沟道电流对沟道电流 ID的控制的控制。 正常工作时：正常工作时： 在栅在栅- -源之间加负向电压源之间加负向电压，( (保保 证耗尽层承受反向电压证耗尽层承受反向电压) ) 漏漏- -源之间加正向电压源之间加正向电压，( (以形以形 成漏极电流）成漏极电流） P P区和区和N N区的交界面形成区的交界面形成耗尽层耗尽层。 源极和漏极之间的非耗尽层称源

16、极和漏极之间的非耗尽层称 为为导电沟道导电沟道。 耗尽层 p N N沟道结型场效应管沟道结型场效应管 4.3 半导体晶体管 当uGS=0时，耗尽层 很窄,导电沟道宽。 随| uGS |增大，耗尽 层增宽,沟道变窄,电 阻增大。 | uGS |增加到某一数值, 耗尽层闭和,沟道消失, 沟道电阻趋于无穷大。 夹断电压夹断电压 UGS(off ) p N N沟道结型场效应管沟道结型场效应管 4.3 半导体晶体管 当 uDS =0时，虽有导电沟 道，但 iD 为零。 当uDS 0时，产生 iD，随 着uDS增加， iD 增加。 注意，此时产生了一个沿 沟道的电位梯度，靠近漏 极附近的电位高于源极附 近

17、的电位。 导电沟道呈楔形。 uGS 为UGS(off )0 0中某一固定值， uDS 对漏极电流iD的影响 uGS D S G iD uDS 4.3 半导体晶体管 只要栅漏电压 uGD 小于夹小于夹 断电压断电压UGS(off ) ，iD 就随 uDS 的增大而增大的增大而增大。 uGS 为UGS(off )0 0中某一固定值， uDS 对漏极电流iD的影响 uGS D S G iD uDS 4.3 半导体晶体管 当uGD=UGS(off ) ，漏极一边 的耗尽层就会出现夹断区。 此时称为预夹断。 此时的 iD 称为“饱和漏极 电流 iDSS” uGS 为UGS(off )0 0中某一固定值，

18、 uDS 对漏极电流iD的影响 uGS D S G iD uDS 4.3 半导体晶体管 当uGD=UGS(off ) ，漏极一边 的耗尽层就会出现夹断区。 此时称为预夹断。 此时的 iD 称为“饱和漏极 电流 iDSS” 若uDS 继续增大，即 uGDUGS(off )，夹断区下移， 此时若uDS继续增加， iD 几 乎不变。 uGS 为UGS(off )0 0中某一固定值， uDS 对漏极电流iD的影响 uGS D S G iD uDS 4.3 半导体晶体管 此时iD的值由uGS 决定，iD 表现为恒流特性。 注意iD是载流子通过电场 效应被漏极吸收形成的 。 当uGD UGS（ （off）

19、 时， 对于不同的 uGS ，漏源 之间等效成不同阻值的 电阻，iD 随 uDS 的增加 线性增加。 可变电 阻区 预夹断轨迹 输出特性曲线输出特性曲线 p N N沟道结型场效应管沟道结型场效应管 4.3 半导体晶体管 p N N沟道结型场效应管沟道结型场效应管 当uGD UGS（ （off）时， ， iD 几乎只决定于uGS， ，而 与uDS 无关，可以把 iD 近似看成 uGS 控制的电 流源。（。（对应恒流区对应恒流区） 当uGS UGS（ （off）时， 导电沟道被夹断，iD 0 恒恒 流流 区区 夹断区 击击 穿穿 区区 当 uDS 增加到一定程度，电流急剧增大，管子会被击穿 4.3

20、 半导体晶体管 iD = f ( uGS ) uDS = 常数常数 转移特性曲线转移特性曲线 0123 4 p N N沟道结型场效应管沟道结型场效应管 时产 生预夹断， 对应的漏极 电流。 N N沟结型场效应管，栅源之沟结型场效应管，栅源之 间加间加反向反向电压。电压。 P P沟结型场效应管，栅源之沟结型场效应管，栅源之 间加间加正向正向电压电压。 转移特性曲线与输出特性曲线的对应关系？转移特性曲线与输出特性曲线的对应关系？ 4.3 半导体晶体管 p N N沟道结型场效应管沟道结型场效应管 输出特性输出特性 转移特性转移特性 (1) 对于不同的对于不同的uDS，相应的转移特性曲线不同相应的转移

21、特性曲线不同。 (2) 当管子工作于恒流区时，转移特性曲线基本重合当管子工作于恒流区时，转移特性曲线基本重合。 4.3 半导体晶体管 栅-源电压为零时漏极电流也为零的管子称为增强型。 栅-源电压为零时漏极电流不为零的管子称为耗尽型。 MOS管分类： N沟道（ NMOS） 增强型 耗尽型 P沟道（ PMOS） 增强型 耗尽型 绝缘栅型场效应管采用sio2绝缘层隔离（输入电阻更大）， 栅极为金属铝，又称为MOS管。 p 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 4.3 半导体晶体管 p N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 4.3 半导体晶体管 通常衬底和源极连接在一起使用通常衬底和源极连接在一起使

22、用 1.1.结构结构 栅极和衬底各相当于一个极板，栅极和衬底各相当于一个极板， 中间是绝缘层，形成电容。中间是绝缘层，形成电容。 栅栅- -源电压改变时，将改变衬底源电压改变时，将改变衬底 靠近绝缘层处感应电荷的多少，靠近绝缘层处感应电荷的多少， 从而控制漏极电流的大小。从而控制漏极电流的大小。 P型硅衬底 衬底引线B N+N+ 源极S 栅极G漏极D SiO2 p N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 4.3 半导体晶体管 1) uGS =0 =0 时时： D与S之间是两个PN结反向串 联，无论D与S之间加什么极 性的电压， iD =0。 p N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管

23、2.2.工作原理工作原理 衬底B N+N+ 4.3 半导体晶体管 p N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 ： 衬底B N+N+ 由于绝缘层SiO2的存在，栅极 电流为零。栅极金属层将聚集 大量正电荷，排斥P型衬底靠近 SiO2 绝缘层的空穴; 便剩下不能移动的负离子区， 形成耗尽层。 4.3 半导体晶体管 p N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 衬底B N+N+ ： 使导电沟道刚刚形成的栅-源电 压称为开启电压 uGS(th) 。 一方面：耗尽层增宽； 另外：将衬底的自由电子吸引 到耗尽层与绝缘层之间，形成 N型薄层，称为反型

24、层。 这个反型层就构成了漏源之间 的导电沟道。 uGS越大，反型层越厚，导电沟 道电阻越小。 4.3 半导体晶体管 p N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 ： 衬底B N+N+ 将产生一定的漏极电流 iD 。 iD 随着的uDS增加而线性增大。 此时导电沟道的宽度不再处处 相等。 4.3 半导体晶体管 p N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 衬底B N+N+ ： 随着 uDS 的增大，uGD 减小，当uDS 增大到 uGD = =uGS(th)时，导电沟道在 漏极一端产生夹断，称为预夹断。 此时继续增加 uDS，夹断区会继续

25、左移。 但仍然有 iD 。 此时沟道两端电压保持不变，因此 漏电流 iD 几乎不变化，管子进入 恒流区。 4.3 半导体晶体管 p N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 衬底B N+N+ ： 几乎仅仅决定于 。 此时可以把 近似看成 控制的电流源。 4.3 半导体晶体管 恒流区 击穿区 可变电阻区 4 3 2 1 0 5 10 15 UGS =5V 6V 4V 3V 2V ID /mA UDS =10V 0 1 2 3 246 UGS / V UGs(th) 输出特性 转移特性 UDS / V ID /mA 夹断区 p N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 4.3 半导体晶体管 制造时,在sio2绝缘层中掺入大量的 正离子,即使uGS =0，在正离子的作 用下，源-漏之间也存在导电沟道。 只要加正向uDS ，就会产生iD。 结构示意图 P 源极S漏极D 栅极G B N+N+ 正离子 反型层 SiO2 只有当uGS小于某一值时，才会使导 电沟道消失，此时的uGS称为夹断电 压uGS(off) 。 p N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管 4.3 半