第二章半导体器件补充部分课件

第二章-半导体器件(补充部分).第二章-半导体器件(补充部分).第二章-半导体器件(补充部分).半导体的特性半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。图1.1.1硅原子结构(a)硅的原子结构图(b)简化模型第二章-半导体器件(补充部分).第二章-半导体器件(补充部分1半导体的特性半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。图1.1.1硅原子结构(a)硅的原子结构图价电子+4(b)简化模型半导体的特性半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大2

本征半导体

+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键图1.1.2单晶体中的共价键结构当温度T=0

K时，半导体不导电，如同绝缘体。本征半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯3+4+4+4+4+4+4+4+4+4图1.1.3本征半导体中的自由电子和空穴自由电子空穴若T

，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T

自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图1.1.3本征半导41.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴

2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示，显然ni

=pi

。4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴25杂质半导体N型半导体P型半导体一、N型半导体掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等电子浓度多于空穴浓度，即n>>p。电子为多数载流子，空穴为少数载流子。多余电子磷原子硅原子杂质半导体N型半导体P型半导体一、N型半导体掺入少6+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、P型半导体掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等+3空穴浓度多于电子浓度，即p>>n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。受主原子空穴图1.1.5P型半导体的晶体结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、P型半导体掺7半导体二极管PN结及其单向导电性在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结图1.2.1PN结的形成半导体二极管PN结及其单向导电性在一块8一、PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运动2.扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。——PN结，耗尽层。图1.2.1PN一、PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运93.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差UD

——电位壁垒；——

内电场；内电场阻止多子的扩散——

阻挡层。4.漂移运动内电场有利于少子运动—漂移。少子的运动与多子运动方向相反阻挡层图1.2.1(b)3.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场UD空间电105.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米~几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。电压壁垒UD，硅材料约为(0.6~0.8)V,锗材料约为(0.2~0.3)V。5.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流11二、PN结的单向导电性1.PN外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。图1.2.2PN二、PN结的单向导电性1.PN外加正向电压又称正向偏122.PN结外加反向电压(反偏)不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生非常小的反向电流IS；空间电荷区反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。PN外电场方向内电场方向VRIS2.PN结外加反向电压(反偏)不利于扩散运动，有利于13综上所述：当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。综上所述：14二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I=f

(U

)之间的关系曲线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.02锗管的伏安特性0图1.2.4二极管的伏安特性二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电151.正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管约0.5V左右，锗管约0.1V左右。正向特性死区电压60402000.40.8I/mAU/V当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。1.正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。162.反向特性–0.02–0.040–25–50I/mAU/V反向特性当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；二极管加反向电压，反向电流很小；如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；反向饱和电流这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。击穿电压U(BR)2.反向特性–0.02–0.040–25–50I/17结论：二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。结论：二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的18双极型三极管(BJT)又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。(BipolarJunctionTransistor)三极管的外形如下图所示。三极管有两种类型：NPN和PNP型。主要以NPN型为例进行讨论。图1.3.1三极管的外形双极型三极管(BJT)又称半导体三极管、晶体管，或简称19三极管的结构常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。图1.3.2三极管的结构(a)平面型(NPN)NecNPb二氧化硅e发射极，b基极，c集电极。三极管的结构常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种20图1.3.3三极管结构示意图和符号(a)NPN型ecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c基极b发射极eNNP图1.3.3三极管结构示意图和符号(a)NPN型e21集电区集电结基区发射结发射区集电极c发射极e基极b

cbe符号NNPPN图1.3.3三极管结构示意图和符号(b)PNP型集电区集电结基区发射结发射区集电极c发射极e基极b22三极管的放大作用和载流子的运动以NPN型三极管为例讨论图1.3.4三极管中的两个PN结cNNPebbec表面看三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。不具备放大作用三极管的放大作用以NPN型三极管为例讨论图1.3.423三极管内部结构要求：NNPebcNNNPPP1.发射区高掺杂。2.基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。

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。3.集电结面积大。三极管内部结构要求：NNPebcNNNPPP1.发射区24三极管中载流子运动过程⑴

发射区向基区注入电子，形成电子电流IEn，同时基区向发射区注入空穴，形成空穴电流IEp，因为IEn>>IEp，所以发射极电流IE≈IEn。⑵

注入电子在基区边扩散边复合，形成复合电流IBn。⑶集电区收集扩散来的电子，形成集电极电流IC。⑷集电结两边少子的漂移，形成集电结漂移电流，通常称为反向饱和电流ICBO。电子注入复合少子漂移三极管中载流子运动过程⑴发射区向基区注入电子，形成电子25一、输入特性

(1)UCE=0时的输入特性曲线RbVBBcebIB+UBE_VBBIB+UBE_bceOIB/A当UCE=0时，基极和发射极之间相当于两个PN结并联。所以，当b、e之间加正向电压时，应为两个二极管并联后的正向伏安特性。1.3.3三极管的特性曲线一、输入特性(1)UCE=0时的输入特26(2)

UCE>0时的输入特性曲线

当UCE>0时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。UCE>UBE，三极管处于放大状态。

*特性右移(因集电结开始吸引电子)OIB/AUCE≥1时的输入特性具有实用意义。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV+V+A++mAUBE*UCE

≥1V，特性曲线重合。图1.3.6三极管共射特性曲线测试电路图1.3.8三极管的输入特性(2)UCE>0时的输入特性曲线当UCE27二、输出特性图1.3.9NPN三极管的输出特性曲线划分三个区：截止区、放大区和饱和区。截止区放大区饱和区放大区1.截止区IB≤0的区域。两个结都处于反向偏置。IB=0时，IC=ICEO。

硅管约等于1A，锗管约为几十~几百微安。截止区截止区IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321二、输出特性图1.3.9NPN三极管的输出特性曲线282.放大区：条件：发射结正偏集电结反偏

特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。二、输出特性放大区集电极电流和基极电流体现放大作用，即放大区放大区对NPN管UBE>0，UBC<0图1.3.9NPN三极管的输出特性曲线IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O5101543212.放大区：条件：发射结正偏特点：各条输出特性曲线比较293.饱和区：条件：两个结均正偏IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321对NPN型管，UBE>0UBC>0。

特点：IC基本上不随IB而变化，在饱和区三极管失去放大作用。IC

IB。当UCE=UBE，即UCB=0时，称临界饱和，UCE

<

UBE时称为过饱和。饱和管压降UCES<0.4V(硅管)，UCES<

0.2V(锗管)饱和区饱和区饱和区3.饱和区：条件：两个结均正偏IC/mAUCE/V30判断BJT工作状态的关键知识Je零偏或反偏，Jc也反偏BJT截止Je正偏放大还是饱和？先假设饱和求IBSIBS

=ICS/

再求IB比较IB与IBSIB<IBSBJT放大IB>IBS饱和管压降BJT饱和进而确定IC和UCE

判断BJT工作状态的关键知识Je零偏或反偏，Jc也反偏BJT31VCCVBBRbRc10V2V2KΩ20KΩ+UBE—+UCE—IBIC题1－14（a）：已知三极管β=50，UBE

0.7V。试估算电路中的IC、UCE，判断工作状态。解:(1)Je正偏，假设BJT饱和导通.饱和导通条件：(2)求IB(3)IB<IBS放大(4)求IC和UCEIC

＝

IB＝3.25mAVCCVBBRbRc10V2V2KΩ20KΩ++IBIC题1321.3.4三极管的主要参数一、电流放大系数是表征管子放大作用的参数。有以下几个：1.共射电流放大系数

2.共射直流电流放大系数3.共基电流放大系数

4.共基直流电流放大系数1.3.4三极管的主要参数一、电流放大系数是表征管子放大作33二、反向饱和电流1.集电极和基极之间的反向饱和电流ICBO2.集电极和发射极之间的反向饱和电流ICEO小功率锗管ICBO约为几微安；硅管的ICBO小，有的为纳安数量级。当b开路时，c和e之间的电流——穿透电流。值愈大，则该管的ICEO也愈大。二、反向饱和电流1.集电极和基极之间的反向饱和电流ICB34三、极限参数1.集电极最大允许电流ICM在IC=ICM时，值下降到额定值的三分之二。2.集电极最大允许耗散功率PCM过损耗区安全工作区ICUCE<PCM为安全工作区ICUCE>PCM为过损耗区ICUCEOPCM=ICUCE安全工作区安全工作区过损耗区过损耗区三、极限参数1.集电极最大允许电流ICM在IC=353.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。

U(BR)CEO：基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。

U(BR)CBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。

安全工作区同时要受PCM、ICM和U(BR)CEO限制。过电压ICU(BR)CEOUCEO过损耗区安全工作区ICM过流区图1.3.11三极管的安全工作区3.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361.3.5PNP型三极管放大原理与NPN型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与NPN正好相反。图1.3.13三极管外加电源的极性(a)NPN型VCCVBBRCRb~NNP++uoui(b)PNP型VCCVBBRCRb~++uoui1.3.5PNP型三极管放大原理与NPN型基本相37PNP三极管电流和电压实际方向。UCEUBE++IEIBICebCUCEUBE(+)()IEIBICebC(+)()PNP三极管各极电流和电压的规定正方向。PNP三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。电压(UBE、UCE)实际方向与规定正方向相反。计算中UBE、UCE为负值；输入与输出特性曲线横轴为(-UBE)、(-UCE)。PNP三极管电流和电压实际方向。UCEUB38

三极管的三种工作状态工作状态NPNPNP特点截止状态E结、C结反偏;VB<

VE;

VB<

VCE结、C结反偏;VB>VE;VB>VCC≈0

放大状态E结正偏、C结反偏；VC>VB>VEE结正偏、C结反偏;VC<VB<VEC≈B饱和状态E结、C结正偏;VB>VE;

VB>VCE结、C结正偏;VB<VE;VB<VCVCE=VCES三极管的三种工作状态工作状态39+0.7V0V+5V题1－13判断三极管的工作状态(a)+2V+12V+12V(b)+0.3V0V-5V(e)+11.7V+12V+8V(h)E结正偏，c结反偏——放大E结反偏，c结反偏——截止E结反偏，c结反偏——截止E结正偏，c结反偏——放大+0.7V0V+5V题1－13判断三极管的工作状态40题1－15（a）测得放大电路中BJT的各极电位如图所示，试识别管脚，并判断是NPN型，还是PNP型，硅管还是锗管。123(+3V)(+9V)(+3.2V)解:(1)

电位居中的是b极3：是b极

(2)

与b极电位差将近0.3V或0.7V的是e极c1：是e极电位差将近0.3V——锗管电位差将近0.7V——硅管是锗管

(3)2：是c极c极电位最高——NPN型c极电位最低——PNP型NPN型题1－15（a）测得放大电路中BJT的各极电位如图所41本章作业题1－13（c）（d）（f）（g）题1－14（b）（c）题1－15（b）本章作业题1－13（c）（d）（f421.4场效应三极管只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管绝缘栅场效应管特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。1.4场效应三极管只有一种载流子参与导电，且利用电场效43DSGN符号1.4.1结型场效应管一、结构图1.4.1N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。DSGN符号1.4.1结型场效应管一、结构图1.4.144P沟道场效应管图1.4.2P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSDP沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDSP沟道场效应管图1.4.2P沟道结型场效应管结构图N45二、工作原理

N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。

*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。二、工作原理N沟道结型场效应管用改变UG461.设UDS=0，在栅源之间加负电源VGG，改变VGG大小。观察耗尽层的变化。ID=0GDSN型沟道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽UGS由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。当UGS=UP，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压UP为负值。ID=0GDSP+P+N型沟道

(b)

UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS=UPVGG1.设UDS=0，在栅源之间加负电源VGG，改472.在漏源极间加正向VDD，使UDS>0，在栅源间加负电源VGG，观察UGS变化时耗尽层和漏极ID。UGS=0，UDG<，ID较大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0，UDG<，ID较小。GDSNISIDP+P+VDD注意：当UDS>0时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)2.在漏源极间加正向VDD，使UDS>0，在栅48GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UDG=|UP|,ID更小,预夹断UGS≤UP,UDG>|UP|,ID0,夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)改变UGS，改变了PN结中电场，控制了ID，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)(d)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UD49三、特性曲线1.转移特性(N沟道结型场效应管为例)O

UGSIDIDSSUP图1.4.6转移特性UGS=0，ID最大；UGS愈负，ID愈小；UGS=UP，ID0。两个重要参数饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的ID)夹断电压UP

(ID=0时的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图1.4.5特性曲线测试电路+mA三、特性曲线1.转移特性(N沟道结型场效应管为例)O501.转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP图1.4.6转移特性2.漏极特性当栅源之间的电压UGS不变时，漏极电流ID与漏源之间电压UDS的关系，即结型场效应管转移特性曲线的近似公式：≤≤1.转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP图1.51IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。2.漏极特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图1.4.5特性曲线测试电路+mA图1.4.6(b)漏极特性IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-52场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS=常数ID/mA0-0.5-1-1.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达107以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。图1.4.7在漏极特性上用作图法求转移特性场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图531.4.2绝缘栅型场效应管由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达109以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。1.4.2绝缘栅型场效应管由金属、氧化物和54一、N沟道增强型MOS场效应管1.结构P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引线B栅极G图1.4.8N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图一、N沟道增强型MOS场效应管1.结构P型衬底N+552.工作原理绝缘栅场效应管利用UGS来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。工作原理分析(1)UGS=0漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD图1.4.92.工作原理绝缘栅场效应管利用UGS56(2)

UDS=0，0<UGS<UTP型衬底N+N+BGSDP型衬底中的电子被吸引靠近SiO2与空穴复合，产生由负离子组成的耗尽层。增大UGS耗尽层变宽。VGG---------(3)

UDS=0，UGS≥UT由于吸引了足够多的电子，会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层——---N型沟道反型层、N型导电沟道。UGS升高，N沟道变宽。因为UDS=0，所以ID=0。UT为开始形成反型层所需的UGS，称开启电压。(2)UDS=0，0<UGS<UTP型衬底N57(4)

UDS对导电沟道的影响(UGS>UT)导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流ID。b.UDS=UGS–UT，

UGD=UT靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。c.UDS>UGS–UT，

UGD<UT由于夹断区的沟道电阻很大，UDS逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，ID因而基本不变。a.UDS<UGS–UT，即UGD=UGS–UDS>UTP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区(4)UDS对导电沟道的影响(UGS>UT)导58DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图1.4.11UDS对导电沟道的影响(a)

UGD>UT(b)

UGD=UT(c)

UGD<UTDP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSD593.特性曲线(a)转移特性(b)漏极特性ID/mAUDS/VO预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区UGS<UT，ID=0；UGS

≥

UT，形成导电沟道，随着UGS的增加，ID

逐渐增大。(当UGS>UT时)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。UT2UTIDOUGS/VID/mAO图1.4.12(a)图1.4.12(b)3.特性曲线(a)转移特性(b)漏极特性ID/mAUDS60二、N沟道耗尽型MOS场效应管P型衬底N+N+BGSD++++++制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使UGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++UGS=0，UDS>0，产生较大的漏极电流；UGS<0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，ID减小；UGS=-UP,感应电荷被“耗尽”，ID

0。UP称为夹断电压图1.4.13二、N沟道耗尽型MOS场效应管P型衬底N+N+BGSD61N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：UDS>0；UGS正、负、零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)转移特性IDSS图1.4.15MOS管的符号SGDBSGDB(b)漏极特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520图1.4.14特性曲线N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：ID/mAUGS/621.4.3场效应管的主要参数一、直流参数饱和漏极电流IDSS2.夹断电压UP3.开启电压UT4.直流输入电阻RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在107以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于109。1.4.3场效应管的主要参数一、直流参数饱和漏极电流ID63二、交流参数1.低频跨导gm2.极间电容用以描述栅源之间的电压UGS对漏极电流ID的控制作用。单位：ID毫安(mA)；UGS伏(V)；gm毫西门子(mS)这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括CGS、CGD、CDS。

极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。二、交流参数1.低频跨导gm2.极间电容64三、极限参数1.漏极最大允许耗散功率PDM2.漏源击穿电压U(BR)DS3.栅源击穿电压U(BR)GS由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若UGS>U(BR)GS，PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。三、极限参数1.漏极最大允许耗散功率PDM2.漏源击穿65种类符号转移特性漏极特性

结型N沟道耗尽型

结型P沟道耗尽型

绝缘栅型N沟道增强型SGDSGDIDUGS=0V+UDS++oSGDBUGSIDOUT表1-2各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTUDSID+++OIDUGS=0V---UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO种类符号转移特性漏极特性结型耗尽型结型耗尽型绝缘增66种类符号转移特性漏极特性绝缘栅型N沟道耗尽型绝缘栅型P沟道增强型耗尽型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+种类符号转移特性漏极特性绝缘耗尽型增强型耗尽型IDSGD67谢谢！谢谢！68第二章-半导体器件(补充部分).第二章-半导体器件(补充部分).第二章-半导体器件(补充部分).半导体的特性半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。图1.1.1硅原子结构(a)硅的原子结构图(b)简化模型第二章-半导体器件(补充部分).第二章-半导体器件(补充部分69半导体的特性半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。图1.1.1硅原子结构(a)硅的原子结构图价电子+4(b)简化模型半导体的特性半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大70

本征半导体

+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键图1.1.2单晶体中的共价键结构当温度T=0

K时，半导体不导电，如同绝缘体。本征半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯71+4+4+4+4+4+4+4+4+4图1.1.3本征半导体中的自由电子和空穴自由电子空穴若T

，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T

自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图1.1.3本征半导721.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴

2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示，显然ni

=pi

。4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴273杂质半导体N型半导体P型半导体一、N型半导体掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等电子浓度多于空穴浓度，即n>>p。电子为多数载流子，空穴为少数载流子。多余电子磷原子硅原子杂质半导体N型半导体P型半导体一、N型半导体掺入少74+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、P型半导体掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等+3空穴浓度多于电子浓度，即p>>n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。受主原子空穴图1.1.5P型半导体的晶体结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、P型半导体掺75半导体二极管PN结及其单向导电性在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结图1.2.1PN结的形成半导体二极管PN结及其单向导电性在一块76一、PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运动2.扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。——PN结，耗尽层。图1.2.1PN一、PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运773.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差UD

——电位壁垒；——

内电场；内电场阻止多子的扩散——

阻挡层。4.漂移运动内电场有利于少子运动—漂移。少子的运动与多子运动方向相反阻挡层图1.2.1(b)3.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场UD空间电785.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米~几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。电压壁垒UD，硅材料约为(0.6~0.8)V,锗材料约为(0.2~0.3)V。5.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流79二、PN结的单向导电性1.PN外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。图1.2.2PN二、PN结的单向导电性1.PN外加正向电压又称正向偏802.PN结外加反向电压(反偏)不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生非常小的反向电流IS；空间电荷区反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。PN外电场方向内电场方向VRIS2.PN结外加反向电压(反偏)不利于扩散运动，有利于81综上所述：当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。综上所述：82二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I=f

(U

)之间的关系曲线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.02锗管的伏安特性0图1.2.4二极管的伏安特性二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电831.正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管约0.5V左右，锗管约0.1V左右。正向特性死区电压60402000.40.8I/mAU/V当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。1.正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。842.反向特性–0.02–0.040–25–50I/mAU/V反向特性当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；二极管加反向电压，反向电流很小；如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；反向饱和电流这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。击穿电压U(BR)2.反向特性–0.02–0.040–25–50I/85结论：二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。结论：二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的86双极型三极管(BJT)又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。(BipolarJunctionTransistor)三极管的外形如下图所示。三极管有两种类型：NPN和PNP型。主要以NPN型为例进行讨论。图1.3.1三极管的外形双极型三极管(BJT)又称半导体三极管、晶体管，或简称87三极管的结构常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。图1.3.2三极管的结构(a)平面型(NPN)NecNPb二氧化硅e发射极，b基极，c集电极。三极管的结构常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种88图1.3.3三极管结构示意图和符号(a)NPN型ecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c基极b发射极eNNP图1.3.3三极管结构示意图和符号(a)NPN型e89集电区集电结基区发射结发射区集电极c发射极e基极b

cbe符号NNPPN图1.3.3三极管结构示意图和符号(b)PNP型集电区集电结基区发射结发射区集电极c发射极e基极b90三极管的放大作用和载流子的运动以NPN型三极管为例讨论图1.3.4三极管中的两个PN结cNNPebbec表面看三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。不具备放大作用三极管的放大作用以NPN型三极管为例讨论图1.3.491三极管内部结构要求：NNPebcNNNPPP1.发射区高掺杂。2.基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。

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。3.集电结面积大。三极管内部结构要求：NNPebcNNNPPP1.发射区92三极管中载流子运动过程⑴

发射区向基区注入电子，形成电子电流IEn，同时基区向发射区注入空穴，形成空穴电流IEp，因为IEn>>IEp，所以发射极电流IE≈IEn。⑵

注入电子在基区边扩散边复合，形成复合电流IBn。⑶集电区收集扩散来的电子，形成集电极电流IC。⑷集电结两边少子的漂移，形成集电结漂移电流，通常称为反向饱和电流ICBO。电子注入复合少子漂移三极管中载流子运动过程⑴发射区向基区注入电子，形成电子93一、输入特性

(1)UCE=0时的输入特性曲线RbVBBcebIB+UBE_VBBIB+UBE_bceOIB/A当UCE=0时，基极和发射极之间相当于两个PN结并联。所以，当b、e之间加正向电压时，应为两个二极管并联后的正向伏安特性。1.3.3三极管的特性曲线一、输入特性(1)UCE=0时的输入特94(2)

UCE>0时的输入特性曲线

当UCE>0时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。UCE>UBE，三极管处于放大状态。

*特性右移(因集电结开始吸引电子)OIB/AUCE≥1时的输入特性具有实用意义。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV+V+A++mAUBE*UCE

≥1V，特性曲线重合。图1.3.6三极管共射特性曲线测试电路图1.3.8三极管的输入特性(2)UCE>0时的输入特性曲线当UCE95二、输出特性图1.3.9NPN三极管的输出特性曲线划分三个区：截止区、放大区和饱和区。截止区放大区饱和区放大区1.截止区IB≤0的区域。两个结都处于反向偏置。IB=0时，IC=ICEO。

硅管约等于1A，锗管约为几十~几百微安。截止区截止区IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321二、输出特性图1.3.9NPN三极管的输出特性曲线962.放大区：条件：发射结正偏集电结反偏

特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。二、输出特性放大区集电极电流和基极电流体现放大作用，即放大区放大区对NPN管UBE>0，UBC<0图1.3.9NPN三极管的输出特性曲线IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O5101543212.放大区：条件：发射结正偏特点：各条输出特性曲线比较973.饱和区：条件：两个结均正偏IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321对NPN型管，UBE>0UBC>0。

特点：IC基本上不随IB而变化，在饱和区三极管失去放大作用。IC

IB。当UCE=UBE，即UCB=0时，称临界饱和，UCE

<

UBE时称为过饱和。饱和管压降UCES<0.4V(硅管)，UCES<

0.2V(锗管)饱和区饱和区饱和区3.饱和区：条件：两个结均正偏IC/mAUCE/V98判断BJT工作状态的关键知识Je零偏或反偏，Jc也反偏BJT截止Je正偏放大还是饱和？先假设饱和求IBSIBS

=ICS/

再求IB比较IB与IBSIB<IBSBJT放大IB>IBS饱和管压降BJT饱和进而确定IC和UCE

判断BJT工作状态的关键知识Je零偏或反偏，Jc也反偏BJT99VCCVBBRbRc10V2V2KΩ20KΩ+UBE—+UCE—IBIC题1－14（a）：已知三极管β=50，UBE

0.7V。试估算电路中的IC、UCE，判断工作状态。解:(1)Je正偏，假设BJT饱和导通.饱和导通条件：(2)求IB(3)IB<IBS放大(4)求IC和UCEIC

＝

IB＝3.25mAVCCVBBRbRc10V2V2KΩ20KΩ++IBIC题11001.3.4三极管的主要参数一、电流放大系数是表征管子放大作用的参数。有以下几个：1.共射电流放大系数

2.共射直流电流放大系数3.共基电流放大系数

4.共基直流电流放大系数1.3.4三极管的主要参数一、电流放大系数是表征管子放大作101二、反向饱和电流1.集电极和基极之间的反向饱和电流ICBO2.集电极和发射极之间的反向饱和电流ICEO小功率锗管ICBO约为几微安；硅管的ICBO小，有的为纳安数量级。当b开路时，c和e之间的电流——穿透电流。值愈大，则该管的ICEO也愈大。二、反向饱和电流1.集电极和基极之间的反向饱和电流ICB102三、极限参数1.集电极最大允许电流ICM在IC=ICM时，值下降到额定值的三分之二。2.集电极最大允许耗散功率PCM过损耗区安全工作区ICUCE<PCM为安全工作区ICUCE>PCM为过损耗区ICUCEOPCM=ICUCE安全工作区安全工作区过损耗区过损耗区三、极限参数1.集电极最大允许电流ICM在IC=1033.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。

U(BR)CEO：基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。

U(BR)CBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。

安全工作区同时要受PCM、ICM和U(BR)CEO限制。过电压ICU(BR)CEOUCEO过损耗区安全工作区ICM过流区图1.3.11三极管的安全工作区3.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1041.3.5PNP型三极管放大原理与NPN型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与NPN正好相反。图1.3.13三极管外加电源的极性(a)NPN型VCCVBBRCRb~NNP++uoui(b)PNP型VCCVBBRCRb~++uoui1.3.5PNP型三极管放大原理与NPN型基本相105PNP三极管电流和电压实际方向。UCEUBE++IEIBICebCUCEUBE(+)()IEIBICebC(+)()PNP三极管各极电流和电压的规定正方向。PNP三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。电压(UBE、UCE)实际方向与规定正方向相反。计算中UBE、UCE为负值；输入与输出特性曲线横轴为(-UBE)、(-UCE)。PNP三极管电流和电压实际方向。UCEUB106

三极管的三种工作状态工作状态NPNPNP特点截止状态E结、C结反偏;VB<

VE;

VB<

VCE结、C结反偏;VB>VE;VB>VCC≈0

放大状态E结正偏、C结反偏；VC>VB>VEE结正偏、C结反偏;VC<VB<VEC≈B饱和状态E结、C结正偏;VB>VE;

VB>VCE结、C结正偏;VB<VE;VB<VCVCE=VCES三极管的三种工作状态工作状态107+0.7V0V+5V题1－13判断三极管的工作状态(a)+2V+12V+12V(b)+0.3V0V-5V(e)+11.7V+12V+8V(h)E结正偏，c结反偏——放大E结反偏，c结反偏——截止E结反偏，c结反偏——截止E结正偏，c结反偏——放大+0.7V0V+5V题1－13判断三极管的工作状态108题1－15（a）测得放大电路中BJT的各极电位如图所示，试识别管脚，并判断是NPN型，还是PNP型，硅管还是锗管。123(+3V)(+9V)(+3.2V)解:(1)

电位居中的是b极3：是b极

(2)

与b极电位差将近0.3V或0.7V的是e极c1：是e极电位差将近0.3V——锗管电位差将近0.7V——硅管是锗管

(3)2：是c极c极电位最高——NPN型c极电位最低——PNP型NPN型题1－15（a）测得放大电路中BJT的各极电位如图所109本章作业题1－13（c）（d）（f）（g）题1－14（b）（c）题1－15（b）本章作业题1－13（c）（d）（f1101.4场效应三极管只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管绝缘栅场效应管特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。1.4场效应三极管只有一种载流子参与导电，且利用电场效111DSGN符号1.4.1结型场效应管一、结构图1.4.1N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。DSGN符号1.4.1结型场效应管一、结构图1.4.1112P沟道场效应管图1.4.2P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSDP沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDSP沟道场效应管图1.4.2P沟道结型场效应管结构图N113二、工作原理

N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。

*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。二、工作原理N沟道结型场效应管用改变UG1141.设UDS=0，在栅源之间加负电源VGG，改变VGG大小。观察耗尽层的变化。ID=0GDSN型沟道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽UGS由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。当UGS=UP，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压UP为负值。ID=0GDSP+P+N型沟道

(b)

UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS=UPVGG1.设UDS=0，在栅源之间加负电源VGG，改1152.在漏源极间加正向VDD，使UDS>0，在栅源间加负电源VGG，观察UGS变化时耗尽层和漏极ID。UGS=0，UDG<，ID较大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0，UDG<，ID较小。GDSNISIDP+P+VDD注意：当UDS>0时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)2.在漏源极间加正向VDD，使UDS>0，在栅116GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UDG=|UP|,ID更小,预夹断UGS≤UP,UDG>|UP|,ID0,夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)改变UGS，改变了PN结中电场，控制了ID，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)(d)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UD117三、特性曲线1.转移特性(N沟道结型场效应管为例)O

UGSIDIDSSUP图1.4.6转移特性UGS=0，ID最大；UGS愈负，ID愈小；UGS=UP，ID0。两个重要参数饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的ID)夹断电压UP

(ID=0时的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图1.4.5特性曲线测试电路+mA三、特性曲线1.转移特性(N沟道结型场效应管为例)O1181.转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP图1.4.6转移特性2.漏极特性当栅源之间的电压UGS不变时，漏极电流ID与漏源之间电压UDS的关系，即结型场效应管转移特性曲线的近似公