第5章 半导体晶体管和场效应管

1、l5.1 半导体的基础知识l5.3 晶体三极管与交流放大电路l5.4 绝缘栅场效应晶体管l小结5.1 半导体的基本知识半导体的基本知识l5.1.1 5.1.1 物理基础物理基础 l半导体半导体-导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。l与导体的电阻率相比较，半导体的电阻率有以下特点：与导体的电阻率相比较，半导体的电阻率有以下特点：l1 1对温度反映灵敏对温度反映灵敏( (热敏性热敏性) )l2 2杂质的影响显著杂质的影响显著( (掺杂性掺杂性) )l极微量的杂质掺在半导体中，会引起电阻率的极大变极微量的杂质掺在半导体中，会引起电阻率的极大变化。化。l3 3光照可

2、以改变电阻率光照可以改变电阻率( (光敏性光敏性) )l温度温度、杂质杂质、光照光照对半导体电阻率的上述控制作用是对半导体电阻率的上述控制作用是制作各种半导体器件的物理基础制作各种半导体器件的物理基础。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。纯净的半导体。如硅纯净的半导体。如硅、锗单晶体。锗单晶体。自由运动的带电粒子。自由运动的带电粒子。相邻原子共有价电子所形成的束缚相邻原子共有价电子所形成的束缚。+4+4+4+4硅硅( (锗锗) )的原子结构的原子结构Si2 8 4Ge2 8 18 4简化简化模型模型+4惯性核惯性核硅硅( (锗锗) )的共价键结构的共价键结构

3、价电子价电子自自由由电电子子( (束缚电子束缚电子) )空空穴穴空穴空穴空穴可在共空穴可在共价键内移动价键内移动 自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。失的过程。自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。 在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位( (空穴空穴) )的过程。的过程。两种载流子两种载流子电子电子( (自由电子自由电子) )空穴空穴两种载流子的运动两种载流子的运动自由

4、电子自由电子( (在共价键以外在共价键以外) )的运动的运动空穴空穴( (在共价键以内在共价键以内) )的运动的运动IIPINI = IP + IN+ 电子和空穴两种电子和空穴两种载流子参与导电载流子参与导电 在外电场的在外电场的作用下，自由电作用下，自由电子逆着电场方向子逆着电场方向定向运动形成定向运动形成电电子电流子电流IN 。空穴空穴顺着电场方向移顺着电场方向移动，形成动，形成空穴电空穴电流流IP 。 结论结论:1. 本征半导体中电子空穴成对出现本征半导体中电子空穴成对出现, 且数量少；且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3

5、. 本征半导体导电能力弱，并与温度、光照等外本征半导体导电能力弱，并与温度、光照等外 界条界条件有关件有关。 本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很弱。如本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很弱。如果有控制、有选择地掺入果有控制、有选择地掺入的有用的有用（某种元素），将（某种元素），将使其导电能力大大增强，成为具有特定导电性能的使其导电能力大大增强，成为具有特定导电性能的。1、N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入五价元在硅或锗的晶体中掺入五价元 素素。N 型型磷原子磷原子自由电子自由电子电子为电子为多多数载流数载流子子空穴为空穴为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数+

6、5+4+4+4+4+4正离子正离子多数载多数载流子流子少数载少数载流子流子N 型半导体的简化图示型半导体的简化图示P 型型硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数2、P 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入三价元在硅或锗的晶体中掺入三价元 素素。+4+4+4+4+4+3P型半导体的简化图示型半导体的简化图示多数载多数载流子流子少数载少数载流子流子负离子负离子二、复合使交界面形成空间电荷区二、复合使交界面形成空间电荷区 无载流子、阻止扩散进行、利于少子的无载流子、阻止扩散进行、利于少子的漂移。漂移。( (耗尽层耗尽层) )三、三、 扩散和漂移达到动态

7、平衡扩散和漂移达到动态平衡扩散电流扩散电流 等于漂移电流，总电流等于漂移电流，总电流 I = 0。内电场内电场由浓度差引起的载流子运动。由浓度差引起的载流子运动。载流子在电场力作用下引起的运动。载流子在电场力作用下引起的运动。一、载流子的浓度差引起多子的扩散一、载流子的浓度差引起多子的扩散一、加正向电压一、加正向电压( (正向偏置正向偏置) )导通导通P 区区N 区区内内电场电场+ UR外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动,中和部分离子中和部分离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。 I限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 I 。I = I多

8、子多子 I少子少子 I多子多子二、加反向电压二、加反向电压( (反向偏置反向偏置) )截止截止P 区区N 区区 +UR内内电场电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动， 空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IPN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 II = I少子少子 0PN结两端电压和流经PN结的电流之间有如下关系式中， 是反向饱和电流，UT = kT/q是温度电压当量，T是热力学温度，q是电

9、子的电量，在T为300 K时，UT26 mV。当反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增加，这种现象称为。 SI) 1(/TUUseII5.2晶体晶体二极管二极管构成：构成： PN结结 + 引线引线 + 管壳管壳 = 二极管二极管 (Diode)符号：符号：分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金金锑锑合金合金平面型平面型正极正极引线引线负极负极引线引

10、线集成电路中平面型集成电路中平面型pNP型型支持衬底支持衬底OuD /ViD /mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V(硅管硅管)(锗管锗管)U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth 反向特性反向特性U (BR)反向击穿反向击穿U（BR) U 0 iD 0.1 A(硅硅) 几十几十 A (锗锗)U U（BR）反向电流急剧增大反向电流急剧增大(反向击穿反向击穿)击穿击穿电压电压反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿反向击穿原因反向击穿原因： 齐纳击穿齐纳击穿：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价

11、键。雪崩击穿：雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。使自由电子数突增。 PN结未损坏，断电即恢复。结未损坏，断电即恢复。 PN结烧毁。结烧毁。1. IOM 最大整流电流最大整流电流（最大正向平均电流最大正向平均电流）2. URM 最高反向工作电压最高反向工作电压，为为U(BR) / 2 3. IRM 最大反向电流最大反向电流（二极管加最大反向电压时的二极管加最大反向电压时的 电电流，越小单向导电性越好流，越小单向导电性越好）5.2.3 主要参数主要参数5.2.4特殊二极管特殊二极管1稳压二极管稳压二极管稳压管的反向击穿是可逆的，只要去掉

12、反向电压，稳压管就稳压管的反向击穿是可逆的，只要去掉反向电压，稳压管就会恢复会恢复正常正常。但是，如果反向击穿后的电流太大，超过其允。但是，如果反向击穿后的电流太大，超过其允许范围，就会使稳压管的许范围，就会使稳压管的PN结发生热击穿而损坏。结发生热击穿而损坏。 稳压管是一种特殊的面接触型半导稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。体硅二极管。I/mAUZ /VOUZIZIZM+ 正向正向 +反向反向 UZ IZ符号符号工作条件：工作条件：反向击穿反向击穿主要参数主要参数1. 稳定电压稳定电压 UZ和稳定电流和稳定电流 IZ UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。流过规定电流时稳压管两端

13、的反向电压值。 IZ越大稳压效果越好，小于越大稳压效果越好，小于 Imin 时不稳压。时不稳压。3. 最大工作电流最大工作电流 IZMax 和最大耗散功率和最大耗散功率 PZM 如果管子的电流超过最大稳定电流如果管子的电流超过最大稳定电流Izmax，将会使，将会使管子的实际功率超过最大允许耗散功率，管子将会发管子的实际功率超过最大允许耗散功率，管子将会发生热击穿而损坏。生热击穿而损坏。4. 动态电阻动态电阻 rZrZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。2.发光二极管发光二极管 LED ( (Light Emitting Diode) )特点：驱动电压低、功耗小、特点：驱动

14、电压低、功耗小、寿命长、可靠性高寿命长、可靠性高. .用途：用途：(1).(1).用于显示电路；用于显示电路；(2).(2).将电信号变为光信号，将电信号变为光信号，通过光电缆传输，再用光电通过光电缆传输，再用光电二极管接收，还原成电信号。二极管接收，还原成电信号。发光类型：发光类型： 可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿显示类型：显示类型： 普通普通LED ，七段七段 LED ，点阵，点阵 LED不可见光：不可见光：红外光红外光符号符号3.光电二极管光电二极管工作状态工作状态-反向偏置反向偏置将光信号转为电信号的半导体器件将光信号转为电信号的半导体器件5.3 晶体三极管与晶体三极管与交流放大

15、电路交流放大电路5.3.1 晶体管的基本结构晶体管的基本结构5.3.2 电流放大作用电流放大作用5.3.3 特性曲线特性曲线5.3.4 主要参数主要参数5.3.1 晶体管的基本结构晶体管的基本结构晶体管（晶体管（三极管三极管）是最重要的一种半导体器件。）是最重要的一种半导体器件。部分三极管的外型部分三极管的外型一、结构一、结构N型硅型硅BECN型硅型硅P型硅型硅（a） 平面型平面型二氧化硅二氧化硅保护膜保护膜N型锗型锗ECBPP（b）合金型合金型铟球铟球铟球铟球三层三层半导体材料构成半导体材料构成NPN型、型、PNP型型NNP发射极发射极 E基极基极 B集电极集电极 C发射结发射结集电结集电结

16、 基区基区 发射区发射区 集电区集电区emitterbasecollectorNPN 型型ECB各区主要作用及结构特点：各区主要作用及结构特点：发射区：发射区：作用：作用：发射载流子发射载流子 特点：特点：掺杂浓度高掺杂浓度高基区：基区：作用：作用：传输载流子传输载流子 特点：特点：薄、掺杂浓度低薄、掺杂浓度低集电区：集电区：作用：作用：接收载流子接收载流子 特点：特点：面积大面积大PPNEBC按材料分：按材料分： 硅管、锗管硅管、锗管按结构分：按结构分： NPN、 PNP按使用频率分：按使用频率分： 低频管、高频管低频管、高频管ECBPNP 型型二、类型二、类型5.3.2 电流放大作用电流放

17、大作用一、晶体管放大的条件一、晶体管放大的条件1.内部条件内部条件发射区掺杂浓度高发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低基区薄且掺杂浓度低集电结面积大集电结面积大2.外部条件外部条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏二、晶体管的电流分二、晶体管的电流分 配和放大作用配和放大作用实验电路实验电路mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6 A mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6 A1.测量结果测量结果IB/mA00.010.020.030.040.05IC/mA 0.0010.501.001.602.202.90IE/mA 0.0010.511.021.632.242.95IC/

18、 IB5050535558IC/ IB50606070(1)BCEIII 符合符合KCL定律定律(2) IC和和IE比比IB大得多大得多(3) IB 很小的很小的变化可以引起变化可以引起 IC很很大的变化。大的变化。 即：即：2.晶体管内部载流子的运动规律晶体管内部载流子的运动规律(1) 发射区向基区注入多子发射区向基区注入多子电子电子， 形成发射极电流形成发射极电流 IE。I CE多数向多数向 BC 结方向扩散形成结方向扩散形成ICE。IE少数与空穴复合，形成少数与空穴复合，形成 IBE 。I BE基区空基区空穴来源穴来源基极电源提供基极电源提供( (IB) )集电区少子漂移集电区少子漂移(

19、 (ICBO) )I CBOIBIBE IB + ICBO即：即：IB = IBE ICBO (3) 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 ICICI C = ICE + ICBO (2)电子到达基区后电子到达基区后( (基区空穴运动因浓度低而忽略基区空穴运动因浓度低而忽略) )3. 晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系 当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB = I BN ICBO IC = ICN + IC

20、BOBNCNII BCEIII BC II BE )1(II CBOBCBOCIIII BCII (直流电流放大倍数）直流电流放大倍数）总结：总结： 1.晶体管在发射结正向偏置、集电结晶体管在发射结正向偏置、集电结反向偏置的条件下具有电流放大作用。反向偏置的条件下具有电流放大作用。 2.晶体管的电流放大作用，实质上是晶体管的电流放大作用，实质上是基极电流对集电极电流的控制作用。基极电流对集电极电流的控制作用。5.3.3 特性曲线特性曲线1.输入特性输入特性输入输入回路回路输出输出回路回路常数常数 CE)(BEBuufi0CE u与二极管特性相似与二极管特性相似RCECiBIERB+uBE +u

21、CE EBCEBiC+ + + iBRB+uBE EB+ BEuBiO0CE uV 1CE u0CE uV 1CE u特性基本特性基本重合重合( (电流分配关系确定电流分配关系确定) )特性右移特性右移( (因集电结开始吸引电子因集电结开始吸引电子) )导通电压导通电压 UBESi 管管: (0.6 0.8) VGe管管: (0.2 0.3) V取取 0.7 V取取 0.2 VEB+ RB2.输出特性输出特性常数常数 B)(CECiufi 1.调整调整RB使基极电流为某使基极电流为某一数值一数值。 2.基极电流不变，调整基极电流不变，调整EC测量测量集电极电流和集电极电流和uCE 电压。电压。

22、输出特性曲线输出特性曲线50 A40 A30 A10 AIB = 020 AuCE /VO 2 4 6 8 4321iC / mAmAICECIBRBEBCEB3DG6 ARCV+uCE iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321（1）截止区：）截止区： IB 0 IC = ICEO 0条件：条件：两个结反偏两个结反偏（2） 放大区：放大区：BCII （3） 饱和区：饱和区： uCE u BEuCB = uCE u BE 0条件：条件：两个结正偏两个结正偏特点：特点：I C IB临界饱和时：临界饱和时： uCE = uBE深度饱和

23、时：深度饱和时：0.3 V ( (硅管硅管) )U CE为：为：0.1 V ( (锗管锗管) )放大区放大区截止区截止区饱饱和和区区条件：条件：发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏特点：特点：水平、等间隔水平、等间隔ICEO输出特性曲线输出特性曲线iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 00 2 4 6 8 4321 BC一般为几十一般为几十 几百几百Q2.穿透电流穿透电流是指基极开路是指基极开路(IB=0)时，集电极到发射极间的电流。时，集电极到发射极间的电流。 5.3.4 主要参数主要参数1. 放大系数放大系数交流电流放大系数交流电流放大系数 BC

24、II 直流电流放大系数直流电流放大系数3. ICM 集电极最大允许电流，超过时集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。值明显降低。5. PCM 集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PC = IC UCE。4. U( (BR) )CEO 基极开路时基极开路时 C、E极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安安全全 工工 作作 区区 场效应管也称做场效应管也称做MOS管，按其结构不同，分为结型场效应晶管，按其结构不同，分为结型场效应晶体管和体管和绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管两种类型。两种类型。 增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道

25、N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道FET分类：分类： 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管 场效应管（场效应管（Field Effect Transistor简称简称FET）是一种电压控是一种电压控制器件制器件(uGS iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。是单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。高等优点，得到了广泛应用。5.4.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 ( Meta

26、l Oxide Semiconductor FET)，简称简称MOSFET。分为：分为： 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 1.增强型绝缘栅场效应管增强型绝缘栅场效应管 （1 1）结构结构 4个电极：漏极个电极：漏极D，源极源极S，栅极栅极G和和 衬底衬底B。符号：符号： 当当uGS0V时时纵向电纵向电场场将靠近栅极下方的空穴将靠近栅极下方的空穴向下排斥向下排斥耗尽层。耗尽层。（2 2）工作原理）工作原理 当当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。之间

27、加上电压也不会形成电流，即管子截止。 再增加再增加uGS纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成导电沟道，形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流就可以形成漏极电流id。栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用-P衬底sgN+bdVDD二氧化硅+N-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid 定义：定义： 开启电压（开启电压（ UT）刚刚产生沟道所需的刚刚产生沟道所需的栅源电压栅源电压UGS。 N沟道增强型沟道增强型MOS管的基本特性：管的基本特性： uGS UT，管子截止，管子截止， uGS UT，管子导通。管子导通。

28、 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作作用下，漏极电流用下，漏极电流ID越大。越大。 当当uGSUT，且固定为某一值时，来分析漏源电且固定为某一值时，来分析漏源电压压VDS对漏极电流对漏极电流ID的影响。的影响。（设（设UT=2V， uGS=4V） （a）uds=0时，时， id=0。（b）uds id； 同时沟道靠漏区变窄。同时沟道靠漏区变窄。（c）当）当uds增加到使增加到使ugd=UT时，时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。沟道靠漏区夹断，称为预夹断。（d）uds再增加，预夹断区再增加，预夹断区加长，加长， uds增加的部分基本降增加的部分基本降落

29、在随之加长的夹断沟道上落在随之加长的夹断沟道上， id基本不变。基本不变。-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid-二氧化硅NisdNVb+DDdVP衬底GGg-GGbVd二氧化硅siNgDD+dP衬底VN+-P衬底d+dDDVs+二氧化硅NNbiGGVg输出特性曲线输出特性曲线 转移特性曲线转移特性曲线 一个重要参数一个重要参数跨导跨导gm： gm= iD/ uGS uDS=const (单位单位mS) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上，在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。为的曲线的斜率。 在输出特性曲线上

30、也可求出在输出特性曲线上也可求出gm。1(mA)DSu=6V=3VuuGS(V)1D624i43=5V(mA)243iDGS210V(V)uGSiDGSuiD特点：特点： 当当uGS=0时，就有沟道，加入时，就有沟道，加入uDS，就有就有iD。 当当uGS0时，沟道增宽，时，沟道增宽，iD进一步增加。进一步增加。 当当uGS0时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD减小。减小。 定义：定义： 夹断电压（夹断电压（ UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。N沟道耗尽型场效应管的特性曲线沟道耗尽型场效应管的特性曲线输出特性曲线输出特性曲线转移特性曲线转移特性曲线l跨导（跨导（gm）是当漏）是当漏源电压源电压