第一章半导体器件

1、第一章第一章1.1 PN结及晶体二极管总结1.2 晶体三极管半导体基础知识结型场效应管(JFET)1.3 场效应管金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）第一章第一章半导体基础知识半导体基础知识 自然界中物质按其导电能力可分为自然界中物质按其导电能力可分为 导体 : 很容易传导电流的物质 （铜 铅）绝缘体: 几乎不能传导电流 (橡皮 陶瓷 石英 塑料) 半导体: 导电能力介于导体与绝缘体之间 (硅 锗)(本征 杂质)(都是4阶元素 )第一章第一章半导体物理基础知识半导体物理基础知识 一一 本征半导体本征半导体: - : - 纯净的半导体纯净的半导体 共价键共价键 在本征半导体晶体中，原子有

2、序排列构成空间点阵（晶格），外层电子为相邻原子共有，形成 共价键共价键 价电子共价键第一章第一章半导体物理基础知识半导体物理基础知识 电子电子空穴对空穴对 当T 或光线照射下,少数价电子因热激发而获得足够的能量挣脱共价键的束缚 ,成为自由电子.同时在原来的共价键中留下一个空位空位称 空穴空穴本征半导体在热或光照射作用下, 产生电子空穴对-本征激发 T光照电子-空穴对导电能力 所以 半导体的导电能力 与 T，光照 有关 在本征半导体中电子和空穴是成对出现的Ge第一章第一章半导体物理基础知识半导体物理基础知识 电子电流电子电流 电子在电场作用下移动产生的电流 x3 x2 x1 空穴电流空穴电流 空

3、穴移动产生的电流 x1 x2 x3 激发激发 束缚电子获能量成为自由电子和空穴 自由电子浓度=空穴浓度电子和空穴称为载流子电子和空穴称为载流子第一章第一章半导体物理基础知识半导体物理基础知识 复合复合 运动中的自由电子如果“跳进”空穴.重新被共价键束缚起来,电子空穴对消失 称复合 在一定温度下,复合使半导体中载流子浓度一定 +4+4+4+4+4第一章第一章半导体物理基础知识半导体物理基础知识 二二 杂质半导体杂质半导体- - 在本征半导体中掺入微量的杂 质使其导电能力产生明显变化 N N型半导体型半导体- - 掺入微量的五价元素(磷 砷 锑)由于杂质原子提供自由电子-称 施主原子 N N型型杂

4、质半导体中电子浓度比同一温度下本征半导体的电子浓度大得多 所以 加强了导电能力多子电子 少子空穴+5+4+4+4+4+3+4+4+4+4 + -第一章第一章半导体物理基础知识半导体物理基础知识 P P型半导体型半导体 掺入微量的三价元素（硼 铝） 由于杂质原子吸收电子受主原子 多子空穴少子电子杂质半导体中 多子浓度由掺杂浓度决定 少子浓度由温度决定 P P型型杂质半导体中空穴浓度比同一温度下本征半导体的空穴浓度大得多，所以加强了导电能力1.1 PN1.1 PN结及二极管结及二极管 在一块硅片上，用不同的掺杂工艺，使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，则在其交界面附近形成了PN结。一一

5、PNPN结的形成结的形成1.1.空间电荷区空间电荷区 P型 N型半导体 结合在一起时， 由于交界面两侧多子与少子 浓度不同 引起 扩散运动扩散运动 （浓度差引起） + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -1.1 PN1.1 PN结及二极管结及二极管 所以所以 在交界面附近形成了不能移动的带电离子组成的空间电荷区 P区空穴 N区与电子复合在N区留下带正电荷的离子 N区电子 P型与空穴结合在P区留下带负电荷的离子 空间电荷区形成一个由N指向P的电场 内电场 平衡后的PN结1.

6、1 PN1.1 PN结及二极管结及二极管扩散使空间电荷区加宽。内电场加强，而内电场阻止扩散进行 漂移运动（内电场引起） 促使P区电子N N区空穴P 引起 内电场增加，扩散减弱，漂移增加。 最后 漂移 = 扩散 动态平衡 通过PN结之间电流为零 1.1 PN1.1 PN结及二极管结及二极管2. 对称结与不对称结对称结与不对称结 空间电荷区中没有载流子 又称耗尽层 当N与P区杂质浓度相同时，耗尽层在两个区内的宽度也相等 对称结对称结否则杂质浓度较高的一侧耗尽层宽度小于低的一侧不对称结不对称结 P+N结 PN结 耗尽层中正负电荷量相等图 1-8 不对称PN结 1.1 PN1.1 PN结及二极管结及二

7、极管二二 PNPN结的特征结的特征单向导电性单向导电性 1 1. .正向特征正向特征又称又称PNPN结正向偏置结正向偏置 外电场作用下多子推向耗尽层，使耗尽层变窄，内电场削弱 扩散 漂移 从而在外电路中出现了一个较大的电流 称 正向电流 VbV1.1 PN1.1 PN结及二极管结及二极管 在正常工作范围内，PN结上外加电压只要有变化，就能引起电流的显著变化。 I I 随V V急剧上升，PN结为一个很小的电阻（正向电阻小） 在外电场的作用下，PN结的平衡状态 被打破，使P区中的空穴和N区中的电子 都向PN结移动，使耗尽层变窄 1.1 PN1.1 PN结及二极管结及二极管1.1.PNPN结的反向特

8、性结的反向特性 外电场使耗尽层变宽 使 漂移（少子） 扩散（多子） 回路中的反向电流 I非常微弱一般Si 为nA 级 Ge 为uA 级又少子是本征激发产生管子制成后其数值与温度有关 T IT I 1.1 PN1.1 PN结及二极管结及二极管 反向电流不仅很小，而且当外加电压超过零点几伏后， 少子供应有限，它基本不随外加电压的增加而增加。 称为反向饱和电流 反偏时电压变化很大，而电流变化极微 PN结等效为一大电阻（反向电阻大） PN结这种只允许一个方向电流顺利 通过的特性 单向导电性单向导电性2022-5-2-+1.1 PN1.1 PN结及二极管结及二极管3.3.PNPN结伏安特性表示式结伏安特

9、性表示式 IsIs 反向饱和电流 决定于PN结的材料，制造工艺、温度 U UT T =kT/q - =kT/q - 温度的电压当量或热电压 当 T=300K时, UT = 26mV K K波耳兹曼常数 T T绝对温度q q电子电荷 u u外加电压U U 为反向时，且 1)(!1)1()1(nnTSUuSTkuqSUunIeIeIiT1.1 PN1.1 PN结及二极管结及二极管U正正偏时, UUT I=II=Is se eU/UTU/UT 实际特性在I I较大时与指数特性有一定差异在上面讨论忽略了引出线的接触电阻，P区N区的体电阻及表面漏电流影响 导通电压- 正向电流有明显数 值时所对应的电压

10、正向电压较小时,不足影响内电场 载流子扩散运动尚未明显增加 正向电流0 I GeSi导通电压死区电压阈值电压 UGe 0.2-0.3V 0.2V0.2VSi 0.6-0.8V 0.7V0.7V1.1 PN1.1 PN结及二极管结及二极管三三 温度对伏安特性影响温度对伏安特性影响 T T正向特性左移，反向电流明显增大，T T 每升高10摄氏度 IsIs增加一倍 V(BR)IUTT当T到一定程度时，由本征激发产生的少子浓度超过原来杂质电离产生的多子浓度，杂质半导体与本征半导体一样，PN结不再存在 关系式:1012122)()(ttSStItIIS1IS2 当PN结处于反向偏置时,在一定范围内的反向

11、电压作用下,流过PN结的电流是很小的反向饱和电流,但当反向电压超过某一数值后,反向电流会急剧增加 称 PNPN结的击穿结的击穿 把反向电流开始明显增大时所对应的反向电压 称 击穿电压击穿电压 V V(BR)(BR)1.1 PN1.1 PN结及二极管结及二极管 为保证PN结正常工作。它的工作温度不能 太高，温度的限制与掺杂浓度有关，掺杂越 大，最高工作温度越高三三 PNPN结的击穿结的击穿 1.1 PN1.1 PN结及二极管结及二极管雪崩击穿雪崩击穿轻掺杂 掺杂越低 击穿电压越大 PN结一旦击穿后,可认为反向电压几乎不变 近似为V V(BR(BR) 击穿齐纳击穿齐纳击穿重掺杂 掺杂越高 击穿电压

12、越低 V V(BR)(BR) 7V以上 击穿 (SiSi)V V(BR)(BR) IEP IE IEN=IBN+ICN 1.21.2晶体三极管晶体三极管 B B区区：传递和控制电子 复合产生的电流IBN IB=IBNICBO（扩散）（复合） 被复合的电子数极少,大部分都扩散到c结边沿 基区很薄 空穴浓度低C C区区：收集电子ICN（漂移）IC=ICNICBO（反向饱和电流）集电区和基区的少子在结反向电压作用下漂移到对方 形成ICBO过程：注入 扩散 复合 收集1.21.2晶体三极管晶体三极管 二二. . 电流分配关系电流分配关系 根据输入输出回路的公共端不同，可构成三种组态. 无论哪种接法为保

13、证正向受控作用 须使发射结正偏、 集电结反偏 且满足 IE=IB+IC外接电路使发射结正偏、 集电结反偏外因：内因：提高传输效率的条件：1）制成不对称结P+NP或N+PN 2）基区薄3）增加集电结面积1.21.2晶体三极管晶体三极管 三种组态共基极共集电极共发射极注注 意意发射极 即能做输入端 又能做输出端基极 只能做输入端 不能做输出端 集电极 只能做输出端 不能做输入端1.21.2晶体三极管晶体三极管 电流分配关系电流分配关系 定义 共基极直流电流放大系数 1ECBOCENCNIIIII IC= IE+ICBO IE 定义 共e极直流电流放大系数 CBOIIIIIIBCBOCBNCNICE

14、O = (1+ ) ICBO ICEO穿透电流 ICBO反向饱和电流IB = IBNICBO= IEIC =（1 ）IEICBO（1 ）IE IE= IC+IB IC=ICN ICBO= IB+(1+ ) ICBO IB IEIEN= IBN+ ICN =(1+ ) IB(1+ ) ICBO(1+ ) IB 1.21.2晶体三极管晶体三极管 由于 都反映了管中基区扩散与复合的关系 11，由定义可得： 总结：总结：IC IE IE (1+ ) IB IC IB IB（1 ）IEIE= IC+IB1.21.2晶体三极管晶体三极管 一一. . 共射极特性共射极特性 1. 共射极输入共射极输入特性曲线

15、特性曲线： 以 为参量， 与 的关系 CEuBiBEuCBEBCE)(uufi特点：类似二极管特性， 但并非是e结特性， 因e结与c结是相关的 即受 控制的 CEuSi UBE: 0.60.8V 0.7V Ge UBE: 0.10.3V 0.2V1.21.2晶体三极管晶体三极管 2. 2. 共射极输出特性共射极输出特性曲线：曲线： 以为参量时 与 的关系 BiCiCEu CCEC)(Biufi输出特性划分为三个区域 放大区放大区发射结正偏 集电结反偏的工作区 对 有很强的控制作用，反映在共射极交流放大系数上 BiCiCCEuBCII定义 =i iB B= =I ICBOCBOV VCE CE

16、= V= VBEBE饱和区饱和区截止区截止区放放 大大 区区1.21.2晶体三极管晶体三极管 变化对 影响很小 CEuCi饱和区饱和区发射结和集电结都正偏 VCE的变化对Ic影响很大 而Ic基本不随IB变化，仅受VCE控制。 把VCE = VBE 称临界饱和饱和时 C.E间电压 称 饱和压降饱和压降 用V VCESCES表示 (Si管约为0.5V)小功率截止区截止区发射结和集电结均处于反偏 此时 iE=0 ,iC=ICBO 截止区 即为iB=ICBO 的那条曲线以下的区域 但小功率管ICBO很小 可忽略 近似以 iB=0 为其截止条件1.21.2晶体三极管晶体三极管 3. 3. 温度对晶体管特

17、性的影响温度对晶体管特性的影响温度对V VBEBE的影响T VBE（导通电压） 即输入特性曲线左移温度对I ICBOCBO的影响T ICBO 即输出特性曲线上移温度对 的影响T 即输出特性曲线上曲线间距离T T对 V VBEBE、 I ICBOCBO 、 的影响反映在集电极电流I IC C上都使I IC C 1.21.2晶体三极管晶体三极管 二二. . 晶体管的主要参数晶体管的主要参数 1. 1. 电流放大系数电流放大系数 共射级电流（直流、交流）放大系数 CBCCBOBCBOCBNCNCE ,uIIIIIIII直流交流共基级电流（直流、交流）放大系数 CuECECEOCENCNCBIIIII

18、II ,直流交流I ICBOCBO I ICEO CEO 都很小 在数值上 1.21.2晶体三极管晶体三极管 2. 2. 极间反向电流极间反向电流 I ICBO CBO 射极开路 集一基反向电流 集电极反向饱和电流 I ICEO CEO 基极开路 集一射反向电流 集电极穿透电流 I IEBO EBO 集电极开路 射一基反向电流 3. 3. 结电容结电容 发射结电容Cbe，集电结电容Cbc，它们影响晶体管的频率特性 4.4.极限参数极限参数 集电极最大允许功耗PCM 这参数决定于 管子的温升。使用时不能超过且注意散热1.21.2晶体三极管晶体三极管 由 PCM=ICVCE 在输出 特性上画出这一

19、曲线PCMICMU（BR）CEO集电极最大允许电流ICM 引起明显下降时 的最大集电极电流ICICM时 管子不一定会损坏 但明显下降在晶体管线性运用时 i ic c不应超过ICM反向击穿电压 U(BR)CBO 射极开路 集一基反向击穿电压 U(BR)CEO 基极开路 集一射反向击穿电压 U(BR)EBO 集电极开路 射一基反向击穿电压 1.21.2晶体三极管晶体三极管 1.21.2晶体三极管晶体三极管 eecbibicrbbgmVbebrcerbeicibeecbNPN型晶体管小信号混合型等效电路（中频）1.3 1.3 场效应管场效应管 场效应管不仅具有一般晶体管体积小，重量轻，耗电省，寿命长

20、等特点 而且还有输入阻抗高（可达1015）、噪音低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点。 因而应用范围很广，特别是大规模、超大规模集成电路中应用很广 特点：特点： 也是一种具有正向受控作用的有源器件晶体管 电流电流控制器件场效应管 电压电压控制器件1.3 1.3 场效应管场效应管晶体管： 是由电子和空穴二种 载流子运动形成电流的场效应管： 是利用改变电场来控 制固体材料的导电能力 场效应管场效应管（按结构不同）分：（按结构不同）分：结型场效应管(JFET)绝缘栅场效应管(IGFET)N沟道P沟道 MOS管P沟道增强型耗尽型N沟道增强型耗尽型1.3 1.3 场效应管场效应管（利用半导体

21、（利用半导体内的电场效应内的电场效应进行工作的）进行工作的） 在一块N型半导体材料两边扩散高浓度P型区（重掺杂）形成两个P+ +N结，P区和N区掺杂浓度不同 两个P+区中间所夹的N型半导体区称为导电沟道N N沟道结型沟道结型 场效应管场效应管箭头方向为栅源箭头方向为栅源PNPN结的正偏方向结的正偏方向P P沟道沟道一、结型场效应管一、结型场效应管(JFET)(JFET)N N沟道沟道1.3 1.3 场效应管场效应管一一.JFET.JFET的结构与工作原理的结构与工作原理( (以以N N沟道为例沟道为例) )1.V1.VGSGS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制作用的控制作用 对N沟道JFE

22、T，正常工作时 UGS0 ，但ID=0 夹断状态时夹断状态时 I ID D=0 =0 |V|VGSGS| |P P+ +N N结的耗尽层结的耗尽层沟道变窄沟道变窄 （即沟道电阻（即沟道电阻 ）（1）改变VGS的大小就可达到控制沟道宽度的目的，从而实现了对沟道电阻的控制作用。 （2）当VDS0时，ID就随VGS的变化而变化，从而达到VGS对ID的控制作用 1.3 1.3 场效应管场效应管 场效应管GS上加反向偏压，则反向电流很小， 若忽略反向电流 ，则栅极电流基本为零。 控制信号的能量消耗很小(输入电阻大)。 但当GS上加正向偏压时会产生栅极电流若不采取限流措施会烧坏管子 使用时应注意+ +_0

23、VGS 01.3 1.3 场效应管场效应管2. U2. UDSDS对对I ID D的影响的影响 (V(VGSGS=0)=0)一般对N沟道JFET， VDS0(1)当VGS=VDS=0时靠漏端与靠源端的 沟道宽度一样，即具有均匀的沟道(2)当VGS=0而 VDS0时， 靠漏端的P+N结的反偏程度靠源端的P+N结反偏程度这使沟道两侧的耗尽区从源极到漏极逐渐加宽，结果使沟道逐渐变窄。随着VDS 沟道不等宽的情况越明显沟道在漏极附近越来越窄 1.3 1.3 场效应管场效应管 当VDS增大到VDG= Vp 时 在漏极附近的耗尽区开始靠拢 称预夹断预夹断在预夹断状态I ID D较大为 I IDSSDSS(

24、3)当VDS再时夹断区夹断区沿沟道加长， 夹断区加长并不意味着ID 为零，因为若ID为零则夹断区也不复存在。夹断区的加长意味着沟道电阻增大， VDS继续 时， ID趋于不变。此时的电流称为 漏极饱和电流漏极饱和电流I IDSSDSS1.3 1.3 场效应管场效应管 但VDS不能无限 VDS到一定值时会产生反向击穿现象。 3. V3. VGSGS00 0 时的情况时的情况VGS越负使耗尽区变宽、导电沟道变窄，VDS越正使耗尽区和导电沟道进一步变得不等宽，(1)同一VDS下，改变VGS 使沟道宽度不同， ID也随之改变 即 ID的大小受VGS控制。 随着|VGS|，导电沟道变窄，电阻变大， 在同样

25、VDS作用下，产生的ID |V |VGSGS| | 沟道电阻沟道电阻 I ID D 1.3 1.3 场效应管场效应管 器件达到预夹断状态的条件是 V VGDGD V VP P 而且 VDS=VDG+VGS 器件达到预夹断状态的条件是 VDS VGS-VP(2)VGS不同，产生预夹断的VDS值也不同。(3)只有当 VGS=VP 时,沟道全部夹断，此时 ID=01.3 1.3 场效应管场效应管二二. N. N沟道沟道JFETJFET的特性曲线的特性曲线1.1.转移特性曲线转移特性曲线CUGSDDSufi)(U UDSDS一定时，一定时，U UGSGS对对i iD D的控制作用的控制作用为保证JFE

26、T工作在恒流区恒流区 要求V VDSDS V VGSGS-V-VP P可用方程描述定义定义: : 漏极饱和电流I IDSSDSS V VGSGS=0=0时i iD D的值的值夹断电压 V VP P i iD D =0=0时V VGSGS的值的值0 )1 (2GSPPGSDSSDVVVVII1.3 1.3 场效应管场效应管2.JFET2.JFET特性曲线特性曲线转移特性曲线输出特性曲线1.3 1.3 场效应管场效应管 在该状态时 导电沟道畅通，漏源之间呈线性电阻特性 又称 线性电阻区线性电阻区 且该阻值大小与VGS有关： VGS越大( (越向越向0 0电压逼近电压逼近) )，导电沟道越宽，沟道电

27、阻越小，在相同的VDS值时，iD越大 通过改变VGS的大小可控制漏源之间沟道电阻的大小，因而又称 压控电阻区。压控电阻区。(1)(1)压控电阻区（线性电阻区，非饱和区）压控电阻区（线性电阻区，非饱和区）条件是：VP VGS00 VDS VGS-VP1.3 1.3 场效应管场效应管(2)(2)饱和区（恒流区，放大区）饱和区（恒流区，放大区）条件是：VP VGS VGS-VP这时器件工作于所谓预夹断区，i iD D主要受V VGSGS控制，与V VDSDS基本无关，呈恒流特性 ，作放大器时工作于该区域。1.3 1.3 场效应管场效应管(3)(3)截止区截止区条件是：VDS 0 VGS VP这时漏源

28、之间处于开路状态 iD=0 应用于开关电路(4)(4)击穿区击穿区为防器件损坏，工作时应避免进入该区须保证 V VDSDSVVT 才会形成导电沟道开启电压开启电压i iD D=0 =0 时时V VGSGS的值的值 1.3.41.3.4金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应管半导体场效应管(MOS(MOS管管) )器件达到预夹断的条件为 VDS VGS-VT 对 N 增 MOS管 V VGSGS0 V0 VDSDS00iD+01.3.41.3.4金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应管半导体场效应管(MOS(MOS管管) )对P 增 MOS管V VGSGS0 V0 VDSDS000 对P 耗 MOS管 V VGSGS可可+ - 0 V+ - 0 VDSDS00 ，P沟道 VDS0(2)(2)耗尽型耗尽型 当VGS=0时， iD =0夹断电压夹断电压VGS(off)显然JFET也是耗尽型MOS MOS VGS可 + - 0JFETJFET要求VGS0