第1章常用 半导体器件

1、第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 1. .2 半导体二极管半导体二极管 1.3 1.3 晶体三极管晶体三极管 1.4 1.4 场效应管场效应管1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识一、本征半导体一、本征半导体二、杂质半导体二、杂质半导体三、三、PNPN结的形成及单向导电性结的形成及单向导电性四、四、PNPN结的伏安特性结的伏安特性五、五、PNPN结的电容效应结的电容效应一、一、本征半导体本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质为半导体。导电性介于导体与绝缘体之间的物质为半导体。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构本征半导体是本征半导体

2、是纯净，晶体结构的半导体。纯净，晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？、什么是半导体？什么是本征半导体？ 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度才可能导电。核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度才可能导电。 半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原），均为四价元素，它们

3、原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。1、本征半导体的结构、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子而成为自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与

4、空穴对热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。的浓度加大。载流子载流子 外加电场时，带负电的自由外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，导电性很差。流子数目很少，导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。流子浓度增大，导电性增强。 绝对温度绝对温度0K时不导电。时不导电。2、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。二、杂质半导体 1、N型半导体型半导体5磷（磷（P）

5、 杂质半导体主要靠多数载杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。实现导电性可控。多数载流子多数载流子2、P型半导体型半导体3硼（硼（B）多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，导电性越强，三、三、PN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓

6、度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的进行。的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的进行。PN结的形成结的形成 因电场作用所产生因电场作用所产生的运动称为漂移运动。的运动称为漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了达到动态平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数

7、载流子，形成区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从内电场，而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、区、自由电子从自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。PNPN结加正向电压导通：结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，成扩散电流，PNPN结处于导通结处于导通状态。状态。PNPN结加反向电压截止：结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似流。由于电流很小，故可

8、近似认为其截止。认为其截止。PN结的单向导电性结的单向导电性 所谓所谓PN结的伏安特性既是结的伏安特性既是指指PN结两端电压与电流的结两端电压与电流的关系。关系。（1）当）当 称为正向特性。称为正向特性。 （i与与u按指数规律变化）按指数规律变化）（2）当）当 ， 称为反向特性。称为反向特性。TUu TUu四、四、PNPN结的伏安特性结的伏安特性Is为反向饱和电流； UT约为26mV) 1(TUuSeIiSIiTUuSeIi 五、五、PNPN结的电容效应结的电容效应1、势垒电容、势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释

9、放的过程，与电容的充放变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容为势垒电容电相同，其等效电容为势垒电容Cb。2、扩散电容、扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容为扩散电容释放的过程，其等效电容为扩散电容Cd。dbjCCC结电容：结电容： 结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！程度，则失去单向导电性！1. 2 半导体二极管一、二极管的组成二、二极管

10、的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数五、稳压二极管 一、二极管的组成一、二极管的组成将将PN结封装，引出两个电极，就构成二极管。结封装，引出两个电极，就构成二极管。点接触型：点接触型：结面积小，结电容小结面积小，结电容小故结允许的电流小故结允许的电流小最高工作频率高最高工作频率高面接触型：面接触型：结面积大，结电容大结面积大，结电容大故结允许的电流大故结允许的电流大最高工作频率低最高工作频率低平面型：平面型：结面积可小、可大结面积可小、可大小的工作频率高小的工作频率高大的结允许的电流大大的结允许的电流大 二、二极管的伏安特性及电流方程二、二极管的伏安特性及电流方程 二极

11、管的电流与其端电压的关系称为伏安特性二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A)(ufi 开启开启电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常温下温度的温度的电压当量电压当量从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安特性可以反映出： 1、单向导电性、单向导电性。，则若反向电压；，则若正向电压SSTeIiUuIiUuTUuT) 1e (TSUuIi2 2、伏安特性受温度影响、伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况

12、下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路 1 1、将伏安特性折线化、将伏安特性折线化理想理想二极管二极管近似分析近似分析中最常用中最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止截止时时IS0导通时导通时i与与u成成线性关系线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路DTDD

13、dIUiur根据电流方程，Q越高，越高，rD越小。越小。 当二极管静态基础上有一动态信号作用，则可将二极管当二极管静态基础上有一动态信号作用，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻。也就是微变等效电路。等效为一个电阻，称为动态电阻。也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用小信号作用小信号作用静态电流静态电流2 2、微变等效电路、微变等效电路四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流IF：最大平均值：最大平均值 最大反向工作电压最大反向工作电压UR：最大瞬时值：最大瞬时值 反向电流反向电流 IR：即：即IS 最高工作频率最高工作频率fM：因：因PN结有电

14、容效应结有电容效应结电容为结电容为扩散电容（扩散电容（Cd）与与势垒电容（势垒电容（Cb）之和。之和。扩散路程中扩散路程中电荷的积累电荷的积累与释放与释放空间电荷区空间电荷区宽窄的变化宽窄的变化有电荷的积有电荷的积累与释放累与释放例例1.2.1已知二极管的导通电压已知二极管的导通电压UD约约为为0.7V，试求开关断开和闭，试求开关断开和闭合时的输出电压值。合时的输出电压值。例例1.2.1已知二极管的导通电压已知二极管的导通电压UD约约为为0.7V，试求开关断开和闭，试求开关断开和闭合时的输出电压值。合时的输出电压值。解：开关断开时，解：开关断开时，UO=VI-VD=6-0.7=5.3V；开关闭

15、合时，开关闭合时，UO=V2=12V。五、稳压二极管五、稳压二极管1、伏安特性、伏安特性进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流 由一个由一个PN结组结组成，反向击穿后成，反向击穿后在一定的电流范在一定的电流范围内端电压基本围内端电压基本不变，为稳定电不变，为稳定电压。压。2、主要参数、主要参数稳定电压稳定电压UZ、稳定电流、稳定电流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ /IZ讨论一 判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。判断二极管工作状态的方法？判断二极管工作状态的方法？例例1.

16、2.2 已知已知UI=10V，UZ=6V，Izmin=5mA，RL=2K ,求求R=500和和R=2K时时UO的值。的值。 例例1.2.2已知已知UI=10V，UZ=6V，Izmin=5mA，RL=2K ，求求R=500和和R=2K时时UO的值。的值。解：（解：（1）假设稳压管稳压，则）假设稳压管稳压，则mAIIImAImAILZLRRDRR5388500610326VUO6mAIIImAImAILZLRRDRUO522210DZ稳压，稳压，（2）假设稳压管稳压，则）假设稳压管稳压，则DZ截止，截止，1.3 晶体三极管一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放大原理三、晶体

17、管的共射输入、输出特性四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数一、三极管的结构和符号一、三极管的结构和符号多子浓度高多子浓度高多子浓度很多子浓度很低，且很薄低，且很薄面积大面积大晶体管有三个极、三个区、两个晶体管有三个极、三个区、两个PN结。结。小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管二、晶体管的放大原理二、晶体管的放大原理（集电结反偏），即（发射结正偏）放大的条件BECECBONBE0uuuUu 扩散运动形成发射极电流扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极，复合运动形成基极电流电流IB，漂移运形成集电极电流，漂移运形成集电极电流IC。少数载少数载流子的流子的运动运动因发射区多子浓

18、度高使大量因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴基区空穴的扩散的扩散 电流分配：电流分配： I IE EI IB BI IC C I IE E扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流 I IB B复合运动形成的电流复合运动形成的电流 I IC C漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流 三、晶体管的共射放大电流系数 对一个高质量

19、的放大管子要求：对一个高质量的放大管子要求：I ICN CN I IEPEP， I ICN CN I IBNBN 用参数用参数表示表示I ICNCN / I / IE E，其值小于，其值小于1 1，此，此称为共基极称为共基极直流电流放大系数直流电流放大系数 所以所以I IC C=* * I IE E +I +ICBOCBO-（* *） 将式将式I IE E =I =IB B+I+IC C代入上式中整理得代入上式中整理得 三、晶体管的共射放大电流系数则则: :IC=*IB+（1+）*ICBO所以所以: :IE=IC+IB=（1+）*IB+（1+）ICBO一般情况下一般情况下 ICBO很小，可忽略

20、。很小，可忽略。则得则得: :IC*IB IE（1+）*IB称为三极管的放大倍数。称为三极管的放大倍数。1令令CBOBCIII111四、晶体管的共射特性 （一）输入特性（一）输入特性iB=f(uBE） UCE=常数常数1.UCE=0V时，相当于两个二极管并联，与二极管特性相同。2随UCE输入特性曲线右移。（原因：大部分电子被吸引到集电区，为保证IB不变，需增大UBE。）3当UCE1V，输入特性曲线靠得很近，几乎是同一条曲线。（电场强到使集电区吸引电子的能力达到最大，即IC基本不变，所以IB也基本不变。曲线不在右移。）图:晶体管的输入特性曲线（二）输出特性（二）输出特性电流与电压的函数关系：ic

21、=f(uCE ） IB=常数1截止区：IB=0， IC=IE=0此时各极电压关系如下：e，c结均反偏对NPN管uCuB，uBE uBuE，（uBE0.7V） 3 饱和区：ICIB此时各极电压关系如下：e 结c结均正偏对NPN管uBuE uBuC临界状态（线）：uB=uC，放大与饱和的分界线。晶体管的输出特性曲线晶体管的三个工作区域晶体管的三个工作区域 晶体管工作在放大状态时，输出回路电流晶体管工作在放大状态时，输出回路电流 iC几乎仅仅决几乎仅仅决定于输入回路电流定于输入回路电流 iB；即可将输出回路等效为电流；即可将输出回路等效为电流 iB 控制控制的电流源的电流源iC 。状态状态UBEIC

22、UCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE饱和饱和 UoniB uBE五、温度对晶体管特性的影响五、温度对晶体管特性的影响BEBBBECEO )(uiiuIT不变时，即不变时六、主要参数 直流参数直流参数： 、 、ICBO、 ICEOc-e间击穿电压间击穿电压最大集电最大集电极电流极电流最大集电极耗散功最大集电极耗散功率，率，PCMiCuCE安全工作区安全工作区 交流参数：交流参数：、fT（使（使1的信号频率）的信号频率） 极限参数极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEOECII1ECii讨论一1、分别分析、分别分析uI=0V、5V时时T是工作在截止状态还是导通状态；是工

23、作在截止状态还是导通状态；2、已知、已知T导通时的导通时的UBE0.7V，若当，若当uI=5V，则，则在什么范围在什么范围内内T处于放大状态，在什么范围内处于放大状态，在什么范围内T处于饱和状态？处于饱和状态？ 通过通过uBE是否大于是否大于Uon判断管子判断管子是否导通。是否导通。A431007 . 05bBEIBRUuimA4 . 2512cCCCmaxRVi56BCmaxii临界饱和时的临界饱和时的 例：电路如图所示，VCC15V，100，UBE0.7V。试问： （1）Rb50k时，UO？ （2）若T临界饱和，则Rb？ 解：解：（1）Rb50k时，基极电流、集电极电流和管压降分别为 A

24、所以输出电压UO UCE2V。 2）设临界饱和时UCESUBE0.7V，所以 26bBEBBBRUVIk4 .45A6 .28mA86. 2BBEBBbCBcCESCCCIUVRIIRUVIV2mA6 . 2 CCCCCEBCRIVUII1.4 1.4 场效应管场效应管一、场效应管一、场效应管二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法三、场效应管放大电路的动态分析三、场效应管放大电路的动态分析四、复合管四、复合管 三极管由于良好的放大性能得到了广泛的应用,但它有较严重的缺点: (1)必须有输入电流才能产生输出信号。 (2)由于各区的存储电荷的存在,影响到快

25、速性,在高频信号作用下受局限. 而场效应管场效应管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件 。它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。单极型晶体管。 其控制端基本不需要电流,这样可大大降低电路的功耗,节省能源,此外它本身没有存储电荷,适用高频情况. 根据结构不同,场效应管可分为结型和绝缘栅型场效应管可分为结型和绝缘栅型,从制造工艺来看绝缘栅型场效应管易于高度集成化而被广泛应用,所以我们主要学习绝缘栅型场效应管。1.4.1结型场效应管结型场效应管（以（以N沟道为例）沟道为例） 场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s）、栅极（、栅极（g）、漏极（）、漏极（d），对），对应于晶

26、体管的应于晶体管的e、b、c； 有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于三有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于三极管的截止区、放大区和饱和区。极管的截止区、放大区和饱和区。导电导电沟道沟道源极源极栅极栅极漏极漏极符号符号结构示意图结构示意图栅栅- -源电压对导电沟道宽度的控制作用源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断称为夹断 uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须必须加负电压？加负电压？UGS（off）漏漏- -源电压对漏极电流的影响源电压对漏极电流的影响uGSUGS（off）且不变且

27、不变，VDD增大，增大，iD增大增大。预夹断预夹断uGDUGS（off）VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件？场效应管工作在恒流区的条件？uGDUGS（off）uGDUGS（off）常量DS)(GSDUufi夹断夹断电压电压漏极饱漏极饱和电流和电流转移特性转移特性场效应管工作在恒流区，因而场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且且uDSUGS（off）2GS(off)GSDSSD)1 (UuIi在恒流区时 为什么必须用转移特性为什

28、么必须用转移特性描述描述uGS对对iD的控制作用？的控制作用？常量GS)(DSDUufig-s电压控电压控制制d-s的等的等效电阻效电阻输出特性输出特性常量DSGSDmUuig预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDUGS（off）可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决几乎仅决定于定于uGS击击穿穿区区夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压夹断电压IDSSiD 不同型号的管子不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。将不同。低频跨导：低频跨导：1.4.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 一、分类一、分类 绝缘栅型场效应管中目前常用的是MOS管管,根据导电沟道不同,它又分为NMOS(N沟道

29、)PMOS(P沟道),根据工作特性又分为增强型和耗尽型 。 N沟道增强型场效应管（MOS管） N沟道耗尽型场效应管 P沟道增强型场效应管 P沟道耗尽型场效应管二、二、N沟道增强型沟道增强型MOS管管 1、结构、结构 源极：源极：s 栅极：栅极：g 漏极：漏极：d P衬底：衬底：B（多（多子为空穴）子为空穴） 符号：符号：符号中：栅极的画法：虚线为增强型，实线为耗尽型。 箭头的指向：指向内部为N沟道，指向外部为P沟道。2、绝缘栅型场效应管工作原理、绝缘栅型场效应管工作原理 uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个反型层将两个N区相接时，形成导

30、电沟道。区相接时，形成导电沟道。增强型管增强型管SiO2绝缘层绝缘层衬底衬底耗尽层耗尽层空穴空穴高参杂高参杂反型层反型层大到一定大到一定值才开启值才开启增强型增强型MOS管管uDS对对iD的影响的影响 用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件？管工作在恒流区的条件？ iD随随uDS的增的增大而增大，可大而增大，可变电阻区变电阻区 uGDUGS（th）,预夹断预夹断 iD几乎仅仅几乎仅仅受控于受控于uGS，恒，恒流区流区刚出现夹断刚出现夹断uGS的增大几乎全部用的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻来克服夹断区的电阻3、N沟道增强型沟道增强型MOS管的特性曲线管的特性曲线 a、转移特性、转移特性：输出电流iD与控制电压UGS的关系。b、输出特性、输出特性：区：可变电阻区（非饱和状态）ID随UDS增加而增加。区：恒流区（放大区、饱和状态）IDS=IDM不变。区：夹断区，由于UGS很小，无导电沟道，IDS=0DGS(th)GSDO2GS(th)GSDOD2) 1(iUuIUuIi时的为式中在恒流区时，三、三、MOS管的主要参数（管的主要参数（50页）页） 1、直流参数