半导体器件概述

1、 1.1.11.1.1 半导体及半导体及PNPN结结（三）（三）PNPN结的击穿结的击穿齐纳击穿：齐纳击穿：雪崩击穿：雪崩击穿：A.A.掺杂浓度高掺杂浓度高B.B.耗尽层宽度较窄耗尽层宽度较窄C.C.较小的反向电压，很强电场较小的反向电压，很强电场D.D.直接破坏共价键，拉出电子，直接破坏共价键，拉出电子，产生电子产生电子- -空穴对空穴对A.A.掺杂浓度不高掺杂浓度不高B.B.耗尽层宽度较宽耗尽层宽度较宽C.C.较大的反向电压，很强电场较大的反向电压，很强电场D.D.漂移运动的少子被加速，将共漂移运动的少子被加速，将共价键中的价电子碰撞出来价键中的价电子碰撞出来, ,形成电子形成电子- -空

2、穴对空穴对, ,以此循环以此循环 1.1.11.1.1 半导体及半导体及PNPN结结电击穿：电击穿：热击穿：热击穿：A.A.采取限流措施，电流不会过大采取限流措施，电流不会过大B.B.控制控制PNPN结温度，不会过热结温度，不会过热C.PNC.PN结不会损坏结不会损坏D.D.取消反向击穿电压后取消反向击穿电压后, ,恢复正常恢复正常A.A.反向电流过大反向电流过大B. PNB. PN结温度快速升高结温度快速升高C.PNC.PN结损坏结损坏D.D.取消反向击穿电压后取消反向击穿电压后, ,不能恢复不能恢复 1.1.11.1.1 半导体及半导体及PNPN结结（四）（四）PNPN结电容结电容势垒电容

3、势垒电容C CB B：耗尽层中的电荷量随外加电压的变耗尽层中的电荷量随外加电压的变化而变化形成的电容效应。化而变化形成的电容效应。电容电容C CB B的特点：的特点：B. CB. CB B为非线性电容，反偏电压越高，为非线性电容，反偏电压越高， C CB B 越小；正偏电压越高越小；正偏电压越高, C, CB B 越大越大。A.A.外加电压的变化频率高外加电压的变化频率高, ,电容效电容效 应明显。应明显。 1.1.11.1.1 半导体及半导体及PNPN结结扩散电容扩散电容C CD D：电容电容C CD D的特点：的特点：B. CB. CD D为非线性电容，反偏时，为非线性电容，反偏时， C

4、CD D很小，可忽略；正偏电压越高很小，可忽略；正偏电压越高, C, CD D 越大越大。A.A.外加电压的变化频率高外加电压的变化频率高, ,电容效电容效 应明显。应明显。外加正向偏压的变化引起外加正向偏压的变化引起PNPN结两侧结两侧区域内积累电荷量的变化，形成的区域内积累电荷量的变化，形成的电容效应。电容效应。 1.1.11.1.1 半导体及半导体及PNPN结结PNPN结电容的高频等效：结电容的高频等效：Cjrj其中：其中：rj PN结电阻结电阻Cj PN结电容结电容=CB+CD正偏时：正偏时：rj较小，较小，cj较大（主要是较大（主要是CD）反偏时：反偏时：rj较大，较大，cj较小（主

5、要是较小（主要是CB） 二、伏安特性二、伏安特性UI1.1.2 二极管的基本特性二极管的基本特性死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。UTH正向特性正向特性反向特性反向特性导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.8V,锗锗管管0.20.3V。UONUBR反向击反向击穿电压穿电压IS反向饱和电流：反向饱和电流：硅管硅管0.1uA以下，以下，锗管几十微安。锗管几十微安。 三、二极管的开关特性三、二极管的开关特性1.1.2 二极管的基本特性二极管的基本特性二极管在正向导通与反向截止两中状态之间的转换过程。二极管在正向导通与反向截止两中状态之间的转换过程。（一）（一） 反向恢复过程反

6、向恢复过程RLuiuD+-iUFtui-URt10tre=ts+tt反向恢复时间反向恢复时间IFtit10LFRuURUILDFFtt0.1IRtt渡越时间渡越时间ts存储时间存储时间-IRtsLRRRUI1.1.2 二极管的基本特性二极管的基本特性（二）（二） 反向恢复过程形成的原因反向恢复过程形成的原因 由于由于扩散电容效应扩散电容效应, ,PNPN结加正向电压时（扩散电流），结加正向电压时（扩散电流），注入注入P区的少子（电子）在区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近区有浓度差，越靠近PN结浓度结浓度越大，即在越大，即在P 区有电子的积累。同理，在区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累

7、。区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。正向电流大，积累的电荷多。 当当PNPN结由正偏突变为反偏时，两侧的少子的积累并不结由正偏突变为反偏时，两侧的少子的积累并不马上消失，在反向电场的作用下，一方面与多子复合，另马上消失，在反向电场的作用下，一方面与多子复合，另一方面将漂移到原来的区域，即一方面将漂移到原来的区域，即N N区的空穴漂移到区的空穴漂移到P区，而区，而P P区的电子被拉到区的电子被拉到N N区。区。 此时此时PNPN结电阻很小，与结电阻很小，与R RL L相相比可忽略，因而有较大的反向电比可忽略，因而有较大的反向电流流I IR R。LRRRUI（三）（三） 二极管的开通时间二

8、极管的开通时间二极管从反向截止转为正向导通的时间，很小可忽略。二极管从反向截止转为正向导通的时间，很小可忽略。UiD0(a a)伏安特性伏安特性UiD0(a a)伏安特性伏安特性一、电路模型一、电路模型1.1.3 二极管的电路模型及主要参数二极管的电路模型及主要参数（一）（一） 理想模型理想模型（二）（二） 直流恒压模型直流恒压模型UD(ON)(b b)代表符号代表符号+-(b b)代表符号代表符号+-二极管：二极管：死区电压死区电压=0 .5V，正向压降，正向压降 0.7V(硅二极管硅二极管) 理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=0 ，正向压降，正向压降=0 RLuiuouiuott二

9、极管的应用举例：二极管的应用举例：二极管半波整流二极管半波整流1.1.3 二极管的电路模型及主要参数二极管的电路模型及主要参数二、三极管内部载流子的传输过程二、三极管内部载流子的传输过程1.2.1 1.2.1 三极管的基本工作原理三极管的基本工作原理VBERBCBENNPVCERCIBN进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBN ，多数扩散到集电结。基区空穴向发射区的扩散可忽略（基区杂质浓度低）。ICBO集电结反偏，有少子漂移形成的反向电流ICBO。ICN从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICN。IE发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流I

10、E。1.2.2 1.2.2 三极管的基本特性三极管的基本特性三、三极管的开关特性三、三极管的开关特性 当输入当输入 u uI I 为低电平，使为低电平，使 u uBE BE U Uthth（死区电压）时，三极管（死区电压）时，三极管截止。截止。 i iB B 0 0，i iC C 0 0，C C、E E 间间相当于开关断开。相当于开关断开。三极管关断的条件和等效电路三极管关断的条件和等效电路IC(sat)AOiCMNT负载线负载线临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区截止区截止区uBE ton 开关时间主要由于开关时间主要由于电电荷存储效应荷存储效应引起，要提高引起，要提高开关速度，必

11、须降低三极开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。储电荷的消散。例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 当当USB = -2V，2V，5V时，晶体管的静态工作时，晶体管的静态工作点点Q位于哪个区？位于哪个区？当当USB =-2V时：时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEmA2612maxCSCCRUIIB=0 ， IC=0IC最大饱和电流：最大饱和电流：Q位于截止区位于截止区 1.2.2 1.2.2 三极管的基本特性三极管的基本特性例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 当当

12、USB = -2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？ICUGSUGS(off)，且且UDS0,UDG UGS(off) 时时NGSDUDSIDUGSNNP+P+越靠近漏端，PN结反压越大1.3.1 1.3.1 结型场效应管结型场效应管由于由于UDGUGSUGS(off)，且且UDS0,UDG=UGS(off) 时时NGSDUDSIDUGSNNP+P+漏端的沟道被夹断，称为予夹断。NGSDUDSIDUGSNNP+P+UDS增大则被夹断区向下延伸。0UGSUGS(off)，且且UDS0,UDGUGS(off) 时时预夹断以后，随着预夹断以后，随着UD

13、S增大，虽然增大，虽然夹断区变长，但夹断区场强也增夹断区变长，但夹断区场强也增大，所以电流大，所以电流ID基本不随基本不随UDS的增的增加而增加，呈恒流特性。加而增加，呈恒流特性。1.3.1 1.3.1 结型场效应管结型场效应管1.3.1 1.3.1 结型场效应管结型场效应管三、特性曲线三、特性曲线 (N沟道为例沟道为例)输出特性曲线输出特性曲线const.D)(GSuDSufiUGS=0ViDu DS0-1V-3V-4V-5V-2VIDSSUGS(off)恒流区可变电阻区击穿区预夹断预夹断轨迹轨迹1.3.1 1.3.1 结型场效应管结型场效应管转移特性曲线转移特性曲线const.GSDDS)

14、(uufi) 0( )1 (2GSGS(off)GS(off)GSDSSDuUUuIiuGS0iDIDSSUGS(off)饱和漏饱和漏极电流极电流夹断夹断电压电压 结型场效应管的缺点：结型场效应管的缺点：1. 栅源极间的电阻虽然可达栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在以上，但在某些场合仍嫌不够高。某些场合仍嫌不够高。3. 栅源极间的栅源极间的PN结加正向电压时，将出现结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2. 在高温下，在高温下，PN结的反向电流增大，栅源结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。极

15、间的电阻会显著下降。1.3.1 1.3.1 结型场效应管结型场效应管一、结构和电路符号一、结构和电路符号N沟道增强型沟道增强型1.3.2 1.3.2 绝缘栅绝缘栅场效应管场效应管PN+GSDP型基底型基底两个两个N+区区SiO2绝缘层绝缘层金属铝金属铝N+GSDBMOS:金属金属-氧氧化物化物-半导体半导体N 沟道耗尽型沟道耗尽型1.3.2 1.3.2 绝缘栅绝缘栅场效应管场效应管GSDBPGSD予埋了导予埋了导电沟道电沟道 N+N+P 沟道增强型沟道增强型1.3.2 1.3.2 绝缘栅绝缘栅场效应管场效应管GSDBNP+GSDP+P 沟道耗尽型沟道耗尽型NP+GSD予埋了导予埋了导电沟道电沟

16、道 1.3.2 1.3.2 绝缘栅绝缘栅场效应管场效应管P+GSDB二、二、MOSMOS管的工作原理管的工作原理以以N 沟道增强型为例沟道增强型为例1.3.2 1.3.2 绝缘栅绝缘栅场效应管场效应管UGS=0时时D-S 间相当于两间相当于两个反接的个反接的PN结结, ID=0UDSPGSDUGSID=0N+N+PGSDUDSUGSN+N+UGS0，UDS=0时时UGS足够大时足够大时(UGS UGS(th) )感应出足够感应出足够多电子，这里出现多电子，这里出现以电子导电为主的以电子导电为主的N型导电沟道。型导电沟道。感应出电子感应出电子UGS(th)称为开启电压称为开启电压1.3.2 1.

17、3.2 绝缘栅绝缘栅场效应管场效应管导电沟道相当于电导电沟道相当于电阻将阻将D-S连接起来，连接起来，UGS越大此电阻越越大此电阻越小。小。1.3.2 1.3.2 绝缘栅绝缘栅场效应管场效应管UGSUGS(th), UDS0且且UGDUGS(th)时时PNNGSDUDSUGS由于由于iD 沿沟道沿沟道产生压降使产生压降使沟道各点与沟道各点与G之间的电压之间的电压不等，靠近不等，靠近D区的导电沟区的导电沟道变窄。道变窄。iD1.3.2 1.3.2 绝缘栅绝缘栅场效应管场效应管UGSUGS(th), UDS0且且UGD=UGS(th)时时PNNGSDUDSUGS当当UDS增大到增大到使使UGD=U

18、GS(th)时，出现预夹时，出现预夹断。断。1.3.2 1.3.2 绝缘栅绝缘栅场效应管场效应管UGSUGS(th)，UDS0且且UGDUGS(th)时时PNNGSDUDSUGS当当UDS增大到增大到使使UGD01.3.2 1.3.2 绝缘栅绝缘栅场效应管场效应管输出特性曲线输出特性曲线const.uDSDGS)f(uiiDu DS0恒流区可变电阻区击穿区预夹断预夹断轨迹轨迹三、增强型三、增强型N N沟道沟道MOSMOS管的特性曲线管的特性曲线1.3.2 1.3.2 绝缘栅绝缘栅场效应管场效应管转移特性曲线转移特性曲线const.uGSDDS)f(ui)u(u)uu(IiGS(th)GSGS(

19、th)GSDOD210IDUGSUGS(th)IDO2UGS(th)四、耗尽型四、耗尽型N N沟道沟道MOSMOS管的特性曲线管的特性曲线耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS=0时就有导电沟道，加反向时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。电压才能夹断。转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSUGS(off)1.3.2 1.3.2 绝缘栅绝缘栅场效应管场效应管IDSS输出特性曲线输出特性曲线UGS=0UGS01.3.2 1.3.2 绝缘栅绝缘栅场效应管场效应管iDu DS0恒流区可变电阻区击穿区预夹断预夹断轨迹轨迹1.3.3 1.3.3 场效应管的主要参数及电路模型场效应管的主要参数及电路模型一、主要参数

20、一、主要参数1.直流参数直流参数 夹断电压夹断电压UGS(off) ：耗尽型管子的参数，耗尽型管子的参数，UDS一定时，一定时，漏极电流约为零时的漏极电流约为零时的UGS值值 。开启电压开启电压UGS(th)：增强型管子的参数，增强型管子的参数，UDS一定时，一定时，漏极电流略大于零时的漏极电流略大于零时的UGS值值 。饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS：耗尽型管子的参数，耗尽型管子的参数， UGS=0，UDS大于大于UGS(off)时，对应的漏极电流。时，对应的漏极电流。直流输入电阻直流输入电阻RGS：结型场效应管，反偏时结型场效应管，反偏时RGS大于大于107；而绝缘栅场效应管，；而绝缘栅场

21、效应管，RGS大大于于109。1.3.3 1.3.3 场效应管的主要参数及电路模型场效应管的主要参数及电路模型 低频跨导低频跨导gm：constVGSDmDSuig 低频跨导反映了低频跨导反映了uGS对对iD的控制作用。的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子毫西门子)。 输出电阻输出电阻rds：constuDDSsdGSiur2.交流参数交流参数 极间电容：极间电容：栅源电容栅源电容Cgs、栅漏电容、栅漏电容Cgd和漏源电容和漏源电容Cds。1.3.3 1.3.3 场效应管的主要参数及电路模型场效应管的主要参数及电路模型3.极限参数极限参

22、数 最大漏极功耗最大漏极功耗PDM最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DS最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS最大漏极电流最大漏极电流IDM1.3.3 1.3.3 场效应管的主要参数及电路模型场效应管的主要参数及电路模型二、电路模型二、电路模型近似等效原则近似等效原则:当工作在小信号模式下，用一线性的电当工作在小信号模式下，用一线性的电路模型来替代原非线性电路。路模型来替代原非线性电路。rgsCgsCgdgmUgsds+IdrdsCdsg-Ugs+-Uds(a)(a)场效应管的电路模型场效应管的电路模型1.3.3 1.3.3 场效应管的主要参数及电路模型场效应管的主要参数及电路模型(b)(b)

23、场效应管场效应管低频微变等效电路模型低频微变等效电路模型rgsgmUgsds+Idrdsg-Ugs+-Uds(c)(c)场效应管简化场效应管简化低频微变等效电路模型低频微变等效电路模型gmUgsds+Idg-Ugs+-Uds 1.4 1.4 集成运算放大器集成运算放大器1.4.1 集成运放的基本特性集成运放的基本特性1.4.2 理想运算放大器理想运算放大器1.4.1 1.4.1 集成运放的基本特性集成运放的基本特性一、基本符号及定义一、基本符号及定义集成电路集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个将整个电路的各个元件做在同一个 半导体基片上。半导体基片上。集成电路的优点：集成电路的优点：工作

24、稳定、使用方便、体工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：集成电路的分类：模拟集成电路和数字集模拟集成电路和数字集成电路；成电路；小、中、大、超大规小、中、大、超大规模集成电路；模集成电路；.集成运算放大器：集成运算放大器：模拟集成电路的一种，具模拟集成电路的一种，具有较高放大倍数的多级直有较高放大倍数的多级直接耦合放大电路。接耦合放大电路。1.4.1 1.4.1 集成运放的基本特性集成运放的基本特性运算放大器的符号：运算放大器的符号：国际符号：国际符号：u-u+ uoVCC-VEE反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端直流电源正端直流电

25、源正端直流电源负端直流电源负端1.4.1 1.4.1 集成运放的基本特性集成运放的基本特性二、运算放大器中的几个基本概念二、运算放大器中的几个基本概念差模信号差模信号uu=u-id共模信号共模信号)uu(21=u-ic2uu=uidic-2uu=uidic则有则有uou-u+ + + - - 1.4.1 1.4.1 集成运放的基本特性集成运放的基本特性根据上式电路等效成如图右根据上式电路等效成如图右uid/2 uouid/2 -+uic -+由电路叠加原理得：由电路叠加原理得：ooouu=u icocidoduAuA其中其中:LRidooduuALRidooduulg20dBA LRicouuAoc LRicouudBAlg20oc开环差模电开环差模电压放大倍数压放大倍数开环共模电开环共模电压放大倍数压放大倍数1.4.2 1.4.2 理想运算放大器理想运算放大器共模抑制比共模抑制比ocodCMRAAKocodCMRAAlg20dBK运放的特性运