第一章半导体器件的特性(new)

第一章

基本半导体器件1.1半导体的导电特性和PN结1.2二极管1.3双极型晶体管（BJT）1.4场效应管（FET）主要内容及要求基础，必须掌握：基本概念，原理，特征曲线、参数，应用等。了解原理，掌握特征曲线、参数。半导体材料：物质根据其导电能力(电阻率)的不同，可划分导体、绝缘体和半导体。导体：ρ<10－4Ω·cm

绝缘体：ρ>109Ω·cm

半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。典型的元素半导体有硅Si和锗Ge，此外，还有化合物半导体砷化镓GaAs等。1.1半导体的导电特性和PN结半导体的原子结构和简化模型元素半导体硅和锗共同的特点：原子最外层的电子（价电子）数均为4。图1.1.1硅和锗的原子结构和简化模型1.1.1本征半导体本征半导体：纯净的且具有完整晶体结构的半导体。图1.1.2硅单晶共价键结构稳定的晶体结构空穴自由电子图1.1.3本征激发产生电子－空穴对共价键由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴本征激发：在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。空穴：共价键中的空位。复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。动态平衡：当温度T一定时，单位时间内产生的自由电子空穴对数目与单位时间内因复合而消失掉的自由电子空穴对数目相等，称为载流子的动态平衡。载流子：物资内部运载电荷的粒子。半导体中的两种载流子：自由电子，空穴。两种载流子导电的差异：●自由电子在晶格中自由运动●空穴运动即价电子填补空穴的运动，始终在原子的共价键间运动。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，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2．半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3．本征半导体导电能力弱，并与温度有关。

1.1.2杂质半导体+5+4+4+4+4+4载流子数

电子数一、N型半导体图1.1.4N型半导体正离子磷原子自由电子多数载流子少数载流子空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？电子为多数载流子空穴为少数载流子+3+4+4+4+4+4电子

—

少子载流子数

空穴数二、P型半导体空穴

—

多子图1.1.5P型半导体硼原子空穴负离子多数载流子少数载流子杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？半导体的导电特性小结基本概念：本征半导体本征激发、空穴、载流子杂质半导体

P型半导体和N型半导体受主杂质、施主杂质、多子、少子1.1.3PN结的形成载流子的扩散运动PN结的形成过程：1.载流子的浓度差引起多子的扩散；2.复合使交界面形成空间电荷区；3.空间电荷区阻止多子扩散，引起少子漂移；4.扩散和漂移达到动态平衡。一、外加正向电压

外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄，扩散运动加强，形成了一个流入P区的正向电流

IF

。二、外加反向电压外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。漂移运动加强形成反向电流IR。1.1.4PN结的特性

PN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。PN结小结

PN结形成：扩散、复合、空间电荷区（耗尽层、势垒区、阻挡层、内建电场）、漂移、动态平衡

PN结的单向导电性：正偏导通、反偏截止1.2.1二极管的结构及符号构成：PN结+引线+管壳=二极管符号：＋－分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型1.2二极管1.2二极管点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金正极

引线负极

引线集成电路中平面型PNP型支持衬底1.2.2二极管的伏安特性一、PN结的伏安特性1.2二极管：温度的电压当量:玻耳兹曼常数：热力学温度:电子的电量室温时：正向特性反向特性反向击穿击穿电压反向饱和电流二、实际二极管的伏安特性1.2二极管：门限电压（开启电压）实际二极管伏安特性和PN结伏安特性略有差别三、理想二极管的特性

若二极管的正向压降远小于和它串联的电压，反向电流远小于和它并联的电流，可用理想二极管来等效二极管。理想二极管的门限电压和正向压降均为零，反偏时反向电流也为零。1.2二极管二极管的理想等效模型1.2.3二极管的主要参数1、最大正向电流IFM：二极管长期工作运行通过的最大正向平均电流。2、反向峰值电压VRM：为保证管子安全工作，通常取为击穿电压的一半。3、反向直流电流IR(sat)：是管子未击穿时反向直流电流的数值。4、最高工作频率fM：是二极管具有单向导电性的最高工作频率。1.2二极管1.2.4稳压二极管 一、稳压二极管的稳压特性

具有陡峭的反向击穿特性，工作在反向击穿状态。1.2二极管符号和特性曲线VZ：反向击穿电压，即稳压管的稳定电压。

rZ=ΔVZ/ΔIZ：稳压管的动态电阻，越小稳压性能越好。二、稳压管的参数1、稳定电压VZ2、稳定电流IZ：3、动态电阻rZ

：4、最大稳定电流IZmax和最小稳定电流IZmin1.2二极管1.2.5二极管电路一、限幅电路1.2二极管1.2二极管二、稳压电路当负载RL不变而输入电压增加时，

当输入电压不变而负载RL减小时，

稳压管控制电流，使总电流改变或保持不变，并通过限流电阻产生调压作用，使输出电压稳定。稳压条件：例1.2.1题：当负载最小时，输出电流最大。这时稳压管的电流也应大于其最小工作电流，可求得最大限流电阻。当负载最大时，输出电流最小，这时稳压管的电流也应小于其最大工作电流，可求得最小限流电阻。1.2二极管1.2二极管小结

本讲主要介绍了以下基本内容：半导体二极管的构成和类型：点接触型、面接触型、平面型；硅管、锗管。半导体二极管的特性：与PN结基本相同。半导体二极管的参数稳压二极管二极管电路1.3.1晶体管的结构及符号结构：三个区：发射区、基区和集电区三个极：发射极、基极和集电极 两个结：发射结、集电结1.3双极型晶体管晶体管结构示意图晶体管符号生成类型：合金型和平面型要实现电流放大作用，要求： 发射区掺杂浓度高； 基区薄且掺杂浓度低； 集电结面积大。1.3双极型晶体管1.3.2晶体管的电流放大作用晶体管正常工作的外部条件：发射结外加正向电压VBE，集电结加上较大的反向偏压VCB。1.3双极型晶体管管内载流子的传输过程传输过程可分三步：1）发射区向基区注入载流子，形成发射结电流IE

；2）电子在基区扩散和与基区空穴复合，形成基极电流IB

；3）集电结收集电子，形成集电极电流ICE

晶体管直流电流传输方程一、共基极直流电流传输方程共基极电流放大系数：

1.3双极型晶体管共基极直流电流传输方程：

三个极之间电流关系：1.3双极型晶体管二、共发射极直流电流传输方程定义共发射极直流放大系数：

共发射极直流电流传输方程：

穿透电流：三、共集电极直流电流传输方程1.3双极型晶体管共集电极直流电流传输方程：1.3.3晶体管的共射组态特性曲线一、输入特性曲线分析：时：集电结正偏，相当于两个二极管并联的正向特性。时：曲线右移，集电结由正偏向反偏过渡，开始收集电子。后，曲线基本不变，电流分配关系确定。

1.3双极型晶体管特性曲线测量电流输入特性曲线二、输出特性曲线1.3双极型晶体管输出特性曲线三个区：放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。饱和区：vCE减小到一定程度，集电结吸引电子能力削弱。iB失去对iC控制作用，失去放大作用，饱和。饱和压降VCE(sat)很小。饱和时集电结、发射结都正偏。截止区：发射极和集电结均反偏。反向饱和电流存在。1）共发射极电流放大系数1.3.4晶体管的主要参数一、电流放大系数1.3双极型晶体管直流电流放大系数：1）共发射极电流放大系数直流电流放大系数：2）共基极电流放大系数直流电流放大系数：交流电流放大系数：

交流电流放大系数：

二、极间反向电流

1）集电极－基极反向饱和电流ICBO

2）穿透电流ICEO三、频率参数

1）共发射极截止频率

1.3双极型晶体管2）共基极截止频率3）特征频率1.3双极型晶体管四、极限参数1）集电极最大允许电流ICM：2）集电极最大允许耗散功率PCM3）反向击穿特性：

V(BR)CBO——发射极开路，集电极－基极间的反向击穿电压。

V(BR)CEO——基极开路，集电极－发射极间的反向击穿电压。

V(BR)EBO——集电极开路，发射极－基极间的反向击穿电压。

小结本讲主要介绍了以下基本内容：双极性晶体管的结构和类型：NPN、PNP

晶体管的电流放大作用和电流分配关系晶体管具有放大作用的内部条件晶体管具有放大作用的外部条件晶体管直流电流传输方程三种不同的连接方式：共基极、共发射极和共集电极晶体管的共射组态曲线特性晶体管的主要参数1.3双极型晶体管特点：

利用输入回路的电场效应控制输出回路的电流；仅靠半导体中的多数载流子导电（单极型晶体管）；输入阻抗高（107~1012），噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，功耗小。分类：1.4场效应管1.4.1结型场效应管一、结构1.4场效应管N沟道结型场效应管结构示意图N沟道管符号P沟道管符号二、工作原理1.4场效应管vDS=0时，

vGS

对沟道的控制作用当vGS＜0时，PN结反偏，|vGS|耗尽层加厚沟道变窄。vGS继续减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP

（或VGS(off)

）。对于N沟道的JFET，VP<0。若在漏源极间加上适当电压，沟道中有电流iD流过。vGS＝0时，iD较大；vGS＝VGS(off)时，iD近似为零，这时管子截止。三、特性曲线1输出特性2转移特性1.4场效应管输出特性：分为三个区可变电阻区恒流区（放大工作区）击穿区输出特性曲线和转移特性曲线1.4.2绝缘栅型场效应管1.4场效应管增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道特性曲线1.4.3主要参数1.4场效应管（一）直流参数①开启电压VGS(th)：对增强型MOS管，当VDS为定值时，使ID刚好大于0时对应的VGS值。②夹断电压VGS(off)

（或VP）：对耗尽型MOS管或JFET，当VDS为定值时，使ID刚好大于0时对应的VGS值。③饱和漏极电流IDSS：对耗尽型MOS管或JFET，VGS=0时对应的漏极电流。④直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，RGS大于107Ω，MOS管的RGS大于109Ω

。（二）交流参数①低频跨导gm：低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得。1.4场效应管②

极间电容：Cgs和Cgd约为1~3pF，和Cds约为0.1~1pF。高频应用时，应考虑极间电容的影响。（三）极限参数①最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流的上限值。②

击穿电压V(BR)DS、V(BR)GS：管子漏-源、栅-源击穿电压。③

最大耗散功率PDM：决定于管子允许的温升。1.4.4使用注意事项1.4场效应管1对于MOS管，应将衬底引线于源极引线连在一起。2场效应管的源极和漏极可以互换，但若产品源极已接衬底，则不能互换。3对于MOS管，栅-衬之间的电容容量很小，RGS很大，感生电荷的高压容易使很薄的绝缘层击穿，造成管子的损坏。因此，无论是工作中还是存放的MOS管，都应为栅-源之间提供直流通路，避免栅极悬空；同时，在焊接时，要将烙铁良好接地。1.4.5