第2章+半导体器件

第2章

半导体器件2023/2/11模拟电子学基础这一章，我们要讨论什么?本章研究半导体器件：半导体材料的特点半导体材料是如何构成的半导体电子元器件的？半导体电子元器件有怎样的电路特性？2023/2/12模拟电子学基础历史简述19世纪末期，无线电通信被发明，当时采用金属粉末作为检波器件20世纪上半叶，电真空器件成为电子学器件的主力1948年，巴丁、布莱顿和肖克利发明晶体三极管JohnBardeen,WilliamShockley,andWalterBrattain(lefttoright)2023/2/13模拟电子学基础半导体基础知识

半导体材料的结构与特点载流子及其运动PN结2023/2/14模拟电子学基础半导体材料Si,Ge,GaAs,...4价元素或化合物电阻率介于导体与绝缘体之间具有类似的结构2023/2/15模拟电子学基础本征半导体4价元素，外层有4个电子每个原子与周围4个原子形成共价键本征激发：价电子受热（或光照）获得能量→脱离共价键→载流子（电子与空穴）由于本征激发的载流子浓度不高，所以本征半导体材料的电阻率较高由于本征激发受温度与光照的影响较大，所以本征半导体材料的电阻率对于温度和光照敏感2023/2/16模拟电子学基础杂质半导体施主杂质V族元素共价键多余1个电子材料中电子多于空穴N型半导体受主杂质III族元素共价键缺少1个电子材料中空穴多于电子P型半导体2023/2/17模拟电子学基础杂质半导体中的载流子浓度多数载流子（简称多子）基本上由掺杂形成，所以多子浓度接近掺杂浓度少数载流子（简称少子）由本征激发形成多子浓度远大于少子浓度若在一块半导体材料中同时掺入施主杂质和受主杂质，则产生杂质补偿作用，杂质半导体的特性由掺杂浓度高的杂质所决定2023/2/18模拟电子学基础载流子的运动扩散载流子浓度梯度作用下载流子定向运动扩散电流的大小取决于载流子浓度梯度以及载流子的扩散系数扩散系数随温度升高而加大，迁移率高的载流子扩散系数也大漂移电场作用下的载流子定向运动电子与空穴的漂移速度(迁移率，记为

μn和μp)不同，电子的迁移率大于空穴的，迁移率随温度升高也随掺杂浓度上升而下降2023/2/19模拟电子学基础PN结利用杂质补偿原理，在P型和N型半导体的界面上形成PN结在PN结的界面上发生载流子的扩散由于复合作用，界面上载流子被耗尽（耗尽层）2023/2/110模拟电子学基础耗尽层内由于离子带电形成空间电荷区空间电荷形成内建电场内建电场引起的漂移运动与扩散运动方向相反，最终阻止载流子的进一步移动内建电场空间电荷区2023/2/111模拟电子学基础PN结的势垒高度由于空间电荷区存在内建电场，电子在各处的电势能不同，形成势垒2023/2/112模拟电子学基础正向偏置的PN结外电场与内建电场方向相反势垒宽度减小，势垒高度降低少子漂移削弱，多子扩散加强产生很大的正向电流2023/2/113模拟电子学基础反向偏置的PN结外电场与内建电场方向相同势垒宽度增加，势垒高度增加多子扩散削弱，少子漂移有加强趋势由于少子数目有限，反向电流很小2023/2/114模拟电子学基础PN结的伏安特性Is是PN结的反向饱和电流Is正比于PN结的面积、电子和空穴的扩散系数、平衡载流子浓度，反比于载流子扩散长度对于硅PN结来说，Is≈(10-14~10-15)A

2023/2/115模拟电子学基础PN结的伏安特性的特点正向电流基本上服从指数规律。当V>4VT后，有反向电流基本上是恒值，等于－Is单向导电特性2023/2/116模拟电子学基础PN结的击穿特性反向电压增加到达某个极限时，流过PN结的反向电流突然增加，称为PN结的击穿2023/2/117模拟电子学基础雪崩击穿反向电压增加→势垒区内的电场强度增加→势垒区内的载流子动能增加→碰撞加剧→原子电离→新产生载流子（电子和空穴）→进一步增加碰撞

雪崩击穿电压较高（大致高于5~

6伏）雪崩击穿具有正温度系数2023/2/118模拟电子学基础齐纳击穿高掺杂→势垒区薄→足够高的场强→价电子获得足够的能量→脱离共价键的束缚成为自由电子→反向电流急剧增加→击穿高掺杂的PN结的击穿电压比较低，大致低于5~6V具有负温度系数2023/2/119模拟电子学基础PN结的扩散电容正向偏置情况下，空间电荷区两侧由对方区域注入的非平衡少数载流子的堆积只存在于正向偏置情况扩散电容的大小与流过PN结的正向电流成正比2023/2/120模拟电子学基础PN结的势垒电容势垒两侧空间电荷数目以及空间电荷区宽度的改变，类似平板电容偏置电压越负，势垒电容量越小。非线性电容

g为结电容梯度因子。线性缓变结，g=1/3；突变结，g=1/2；超突变结，g=1~6VD≈VB：VD<<VB：CB0是偏置电压为零时的势垒电容

2023/2/121模拟电子学基础半导体二极管结构与伏安特性等效模型主要特性参数其他类型的二极管2023/2/122模拟电子学基础二极管的结构与电路符号结构符号2023/2/123模拟电子学基础二极管的伏安特性击穿电压导通电压硅二极管的导通电压(VD(on)

)大致为0.6~0.8V2023/2/124模拟电子学基础理想二极管模型只考虑二极管的单向导电性，忽略所有其他因素适用于定性分析二极管电路的功能2023/2/125模拟电子学基础理想二极管模型的应用半波整流电路2023/2/126模拟电子学基础半波整流电路的平均输出电压2023/2/127模拟电子学基础带导通阈值的理想二极管模型考虑了二极管导通时的正向压降，可以用于一般的定量估算。通常在估算时，硅二极管的正向导通电压取0.7V2023/2/128模拟电子学基础考虑二极管导通阈值的半波整流电路2023/2/129模拟电子学基础二极管工作于交流小信号情况交流小信号条件：二极管上有两个信号叠加，其中一个是直流电压VDQ，它使得流过二极管的直流电流保持为IDQ，称为静态工作点电流；另一个是交流电压DVD

，它以VDQ为中心振动，但是振幅很小2023/2/130模拟电子学基础交流小信号线性近似模型近似条件：DVD的振幅很小，忽略非线性因素DID＝gDDVD

2023/2/131模拟电子学基础应用小信号近似模型的注意点只适合于线性近似，在必须考虑非线性效应的场合（例如大信号）不适用只适合于低频，在高频场合不适用（要考虑PN结电容等作用）仅考虑二极管对于交流信号的影响时，理想二极管和阈值电压不起作用（即可以等效成仅有一个动态电阻）2023/2/132模拟电子学基础二极管的主要特性参数直流电阻RD

动态内阻rD

极间电容额定电流IM

反向击穿电压VBR

最高工作频率fmax

——直流参数交流参数}}极限参数2023/2/133模拟电子学基础部分半导体二极管实物图片2023/2/134模拟电子学基础二极管应用电路之一桥式整流电路2023/2/135模拟电子学基础带电容滤波的桥式整流电路2023/2/136模拟电子学基础二极管应用电路之二限幅电路2023/2/137模拟电子学基础二极管应用电路之三钳位电路(a)电路(b)无钳位之输出(c)带钳位之输出2023/2/138模拟电子学基础稳压二极管工作原理：利用PN结反向击穿后二极管两端电压基本保持不变的特点工作状态：总是工作在反向击穿状态反向击穿状态2023/2/139模拟电子学基础工作在反向击穿状态下的稳压二极管的等效电路稳定电压VZ：稳压管正常工作时两端的击穿电压动态内阻rZ：稳压管正常工作时的交流电阻，等于DVZ

/D

IZ稳定电流IZ：稳压管正常工作时的参考电流值实际电路等效电路2023/2/140模拟电子学基础稳压管电路估算的例子(1)稳压管的主要参数：VZ=6V、IZ=10mA、rZ

=5Ω负载电阻RL=600Ω，限流电阻R=330Ω估算输入电压Vi从12V变化到16V时输出电压的变化估算流过稳压管的电流2023/2/141模拟电子学基础等效电路将Vi=12V及16V代入上式，得到输入电压从12V变化到16V，相对变化量是33%，而输出电压变化59mV，相对变化量为1%2023/2/142模拟电子学基础Vi

=16V时，流过稳压管的电流ID＝19.8mA

当Vi=12V时，运用节点电压法可得到流过稳压管的电流等效电路2023/2/143模拟电子学基础稳压电路的性能指标(1)稳压系数S(电压调整率)前面的例子，稳压系数S

＝1%÷33%＝0.032023/2/144模拟电子学基础稳压管电路估算的例子(2)稳压管的主要参数：VZ=6V、IZ=10mA、rZ

=5Ω输入电压Vi=12V，限流电阻R=330Ω试估算负载电阻RL从600Ω变化到1200Ω时的负载电流和输出电压的变化2023/2/145模拟电子学基础将RL=600Ω和1200Ω代入上式，Vo=6.040V和6.065V所以DVO

＝25(mV)负载电流分别为

IRL1=6.040/600≈10mA，IRL2=6.065/1200≈5mA负载电流变化5mA，电压变化25mV等效电路2023/2/146模拟电子学基础稳压电路的性能指标(2)动态内阻ro

（电流调整率）前面的例子，动态内阻

ro＝25mV÷5mA=5W2023/2/147模拟电子学基础发光二极管单向导电，流过正向电流时发光阈值电压1.5V~3.6V不等实际使用时根据需要选择合适的工作电流常见的接法：串联电阻限制电流2023/2/148模拟电子学基础部分发光二极管实物图片2023/2/149模拟电子学基础双极型晶体管结构与工作原理伏安特性等效模型与性能参数2023/2/150模拟电子学基础晶体管的结构2023/2/151模拟电子学基础晶体管的结构2023/2/152模拟电子学基础晶体管的电流传输过程发射区的掺杂浓度远远高于基区，所以IEP

<<IEN

由于晶体管的基区一般都非常薄，所以IBN<<IEN

电流ICBO是基区少子和集电区少子形成的电流，所以很小正向偏置2023/2/153模拟电子学基础晶体管正向偏置下的电流关系外部电流关系集电极电流与发射极电流的关系

恒小于1但十分接近于1，常见值为0.98～0.995

集电极电流与基极电流的关系，通常为几十到几百

2023/2/154模拟电子学基础晶体管共发射极伏安特性输入特性2023/2/155模拟电子学基础晶体管共发射极伏安特性输出特性2023/2/156模拟电子学基础晶体管输出特性的3个区域放大区发射结正偏，集电结反偏，晶体管具有放大作用饱和区发射结正偏，集电结正偏饱和压降很低，晶体管饱和导通截止区发射结反偏，集电结反偏电流很小，晶体管近似开路2023/2/157模拟电子学基础晶体管的放大作用晶体管处于放大区，集电极电流与基极电流的关系近似线性共发射极交流电流放大系数b

实际低频运用中大致有存在基区宽度调制效应2023/2/158模拟电子学基础晶体管的开关作用在饱和区，晶体管3个电极接近于短路在截止区，晶体管3个电极接近于开路适当组成电路，可以输出2个电平：0和12023/2/159模拟电子学基础晶体管等效模型为什么要用等效模型？数学模型，目的是用数学方法分析电路怎样运用等效模型？实际晶体管特性非线性，模型及其复杂手工估算采用简化模型简化模型突出基本物理概念，忽略次要的因素，有利于对于电路功能的分析，可以指导设计进行的方向2023/2/160模拟电子学基础晶体管直流与交流大信号模型发射结正向偏置，等效成正向导通的二极管集电极电流受控于发射极或基极电流，等效为受控电流源2023/2/161模拟电子学基础根据大信号模型得到晶体管的转移特性晶体管发射结正向偏置时的特性近似一个正向导通的二极管其中IES是集电结短路时的发射极反向饱和电流定义IS=aIES，则有2023/2/162模拟电子学基础根据直流模型计算晶体管直流工作点晶体管直流工作点计算的例1

通常在计算晶体管直流工作点时采用带阈值的理想二极管模型去等效晶体管的B-E结VBE(on)2023/2/163模拟电子学基础晶体管直流工作点计算的例2等效当IBRB<<VRE时，有重要近似2023/2/164模拟电子学基础晶体管直流工作点计算的例32023/2/165模拟电子学基础晶体管低频交流小信号模型晶体管的输入信号中既包含直流成分，又包含交流成分有效信号只是其中的交流部分将电路分成两个模型：直流模型（前面已经讨论）用来解决工作点问题；交流模型用来解决信号放大问题交流模型中不包含直流信号2023/2/166模拟电子学基础晶体管共基极交流模型输入交流小信号时，发射结二极管可用交流小信号近似模型取代不考虑其中直流成分，二极管的交流小信号近似模型仅是一个动态电阻直流与大信号模型交流小信号模型大信号模型交流小信号模型2023/2/167模拟电子学基础共基极交流模型参数的计算re是发射结的动态内阻流过发射结的直流电流为IEQ可以将发射结看成一个二极管，所以......因为gmvbe=aie所以......2023/2/168模拟电子学基础晶体管共发射极交流模型将共基极电路的模型变形，可以得到共发射极电路的交流模型2023/2/169模拟电子学基础共发射极交流模型参数的计算与共基极电路比较：由于在相同的vbe输入时应该有相同的输出，所以因为vbe=ibrbe，所以2023/2/170模拟电子学基础直流项线性项非线性项晶体管小信号线性化近似的条件在Q点作级数展开线性近似条件：DVBE

=

vbe

<

0.1VT（非线性误差小于5%）大信号模型：小信号模型中的gmvbe2023/2/171模拟电子学基础晶体管模型的进一步讨论为什么要进一步讨论晶体管模型？前面介绍的是最基本的晶体管模型，只能处理最基本的电路希望讨论晶体管电路的一些较深入的内容，需要进一步完善的晶体管模型如何进一步讨论晶体管模型？本课程只讨论最必要的一些模型参数及其影响2023/2/172模拟电子学基础考虑晶体管基区宽度调制效应2023/2/173模拟电子学基础考虑基区调宽效应的共射模型又称低频混合p模型模型参数具有明确的物理意义——晶体管中受控电流源的内阻只适用于低频电路2023/2/174模拟电子学基础高频混合p模型考虑晶体管极间电容Cb'e，Cb'c考虑晶体管基区材料的体电阻rbb'2023/2/175模拟电子学基础晶体管b随频率变化的规律由高频混合p

模型写出节点方程（输出短路）得到b

与频率的关系2023/2/176模拟电子学基础截止频率与特征频率2023/2/177模拟电子学基础晶体管的主要特性参数(1)直流参数ICBO——集电结反向饱和电流ICEO——穿透电流

——共发射极直流电流放大系数交流参数b——共发射极短路交流电流放大系数fb

——截止频率fT

——特征频率Cob

——发射极开路时的集电结电容

2023/2/178模拟电子学基础晶体管的主要特性参数(2)极限参数PCM

——集电极最大允许功耗ICM

——集电极最大电流BVCBO

——发射极开路时，集电结的反向击穿电压BVCEO

——基极开路时，集电极与发射极之间（集电结反偏）的反向击穿电压BVEBO

——集电极开路时，发射结的反向击穿电压

温度系数（硅晶体管）ICBO——大致为每8℃增大一倍VBE

——大致为每1℃降低2～2.5mV2023/2/179模拟电子学基础部分晶体管实物图片2023/2/180模拟电子学基础场效应晶体管

结构与工作原理伏安特性等效模型2023/2/181模拟电子学基础绝缘栅场效应管结构S——源极，G——栅极，D——漏极，B——衬底金属－氧化物－半导体——MOS结构2023/2/182模拟电子学基础在没有加电压时，由于S和D之间相当于两个背靠背的二极管，所以不可能导通导电沟道的形成(1)2023/2/183模拟电子学基础栅极加上正电压，栅极下面的衬底中感应出自由电子，与P型材料中空穴复合后形成耗尽区，S与D之间仍然没有导通导电沟道的形成(2)2023/2/184模拟电子学基础加大栅极电压，当增加到某一个阈值电压VTH后，栅极下面的衬底中形成反型层（N型），从而形成导电沟道导电沟道的形成(3)2023/2/185模拟电子学基础进一步加大栅极电压，导电沟道开始加深由于导电沟道是N型的，所以称为N沟道场效应管由于导电沟道是由栅极加上一定电压以后产生的，所以称为增强型MOS场效应管(E-MOSFET)

导电沟道的形成(4)2023/2/186模拟电子学基础VDS=0，导电沟道是均匀的，此时漏极与源极之间的沟道类似一个阻值很小的电阻加上VDS后沟道形状的变化(1)2023/2/187模拟电子学基础VDS>0，流过漏极的电流随VDS的增加而增加，但是由于栅极与漏极附近的电位差下降，导致导电沟道开始倾斜，漏源之间的电阻开始增加加上VDS后沟道形状的变化(2)2023/2/188模拟电子学基础VDS进一步增加，当栅极与漏极之间的电位差等于导通阈值时，漏极附近的导电沟道深度接近于0，漏源之间的电阻几乎达到最大值加上VDS后沟道形状的变化(3)2023/2/189模拟电子学基础VDS继续增加，由于电流连续性，沟道不会夹断，但漏极附近的导电窄缝变长，流过漏极的电流几乎不再增加（接近恒流）加上VDS后沟道形状的变化(4)2023/2/190模拟电子学基础E-MOS场效应管的输出特性2023/2/191模拟电子学基础场效应管在截止区和可变电阻区的特性截止区漏极电流近似为0，三个电极之间均无电流可变电阻区源－漏之间的沟道无夹断区，接近于一个电阻。且沟道深度正比于栅极电压，相当于电阻值可变与恒流区的界限（预夹断线）：VDS=VGS－VTH

可以用作模拟信号的通断切换（模拟开关）可实现数字逻辑功能2023/2/192模拟电子学基础场效应管在恒流区的特性漏极电流受控于栅极电压，其表达式（转移特性）为其中，mn是沟道材料的自由电子迁移率，COX是单位面积栅极的MOS电容量，W是沟道宽度，L是沟道长度

平方律特征，电流与栅极宽长比有关存在沟道长度调制效应，类似晶体管的基区调宽效应。也可用厄尔利电压VA表述此效应2023/2/193模拟电子学基础场效应管的直流与大信号模型栅极近似开路。漏极电流受控于栅极电压，是一个压控电流源，其值由场效应管的转移特性确定该压控电流源是一个非线性电流源可用于工作点确定等大信号场合2023/2/194模拟电子学基础计算场效应管工作点的例1如图电路，已知VDD=6V，RD=30kW，RG1=100kW，RG2=50kW。晶体管参数为VTH=1.5V，，求静态工作点电流IDQ。2023/2/195模拟电子学基础注意：在实际计算中最后要核实电路确实工作在恒流区，否则上述计算无效2023/2/196模拟电子学基础计算场效应管工作点的例2如图电路，已知VDD=6V，RD=5kW，RS=1kW，RG1=100kW，RG2=100kW，RG3=1MW。晶体管参数为VTH=1.5V，求静态工作点电流IDQ。2023/2/197模拟电子学基础分析：由于场效应管无栅极电流，所以RG3无压降列联立方程：解之，得二次方程（其中）：2023/2/198模拟电子学基础解此二次方程得：代入具体数据：代回电路中验算：舍去增根，IDQ=0.5mA2023/2/199模拟电子学基础场效应管的交流小信号模型转移特性交流小信号线性化近似的实质，是以工作点附近的切线代替原来的特性曲线，以工作点附近的小信号DI、DV作为有效的输入输出信号2023/2/1100模拟电子学基础对转移特性求导（切线斜率），并记为gm对交流信号有漏极电流可用压控电流源（线性电流源）等效沟道长度调制效应可以用电阻rds等效等效模型：2023/2/1101模拟电子学基础场效应管小信号线性化近似的条件直流工作点线性项非线性项1、只有二阶非线性项2、非线性误差为2023/2/1102模拟电子学基础场效应管的高频小信号模型高频时需考虑极间电容的影响常见的小功率场效应管，Cgs和Cgd的数值大致为1～10pF，Cds的数值大致为0.1～1pF

2023/2/1103模拟电子学基础p沟道增强型场效应管用n型衬底材料，并将所有电极的导电类型反过来，就形成p沟道增强型场效应管2023/2/1104模拟电子学基础两种不同沟道场效应管的异同极性不同，导致直流偏置不同n沟道：VGS>0，VDS>0；衬底接最低电位p沟道：V