第4章半导体器件的基本特性2

第四章半导体器件的基本特性

4.1

4.2

4.3PN结及半导体二极管半导体晶体管半导体基础知识1.三极管的结构及类型

重点：2.

三极管的放大作用第四章半导体器件的基本特性4.3半导体晶体管4.3半导体晶体管晶体管的结构及类型晶体管的放大作用

晶体管的特性曲线晶体管的主要参数3AD102SC20784.3半导体晶体管

晶体管的结构及类型双极型三极管又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。分类：按材料分：硅管、锗管按结构分：NPN型、PNP型按频率分：高频管、低频管按功率分：小功率、大功率4.3半导体晶体管国家标准对半导体三极管的命名如下:第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、

G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管

用字母表示材料

用字母表示器件的种类

用数字表示同种器件型号的序号

用字母表示同一型号中的不同规格

三极管

3

D

G

110B

晶体管的结构及类型4.3半导体晶体管NecNPb二氧化硅集电极

在N型硅片(集电区)氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成P型的基区；再在P型基区上刻窗口，将磷杂质进行扩散形成N型的发射区。引出三个电极即可。发射极基极

晶体管的结构及类型4.3半导体晶体管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

晶体管的结构及类型4.3半导体晶体管

cbe符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c发射极e基极bNNPPN

晶体管的结构及类型4.3半导体晶体管cNNPeb表面看外部所加电源的极性不具备放大作用三极管若实现放大三极管内部结构

晶体管的放大作用bec4.3半导体晶体管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。三极管内部结构要求：1.发射区高掺杂；2.基区做得很薄且掺杂较少；3.集电结面积大。

晶体管的放大作用cNNPeb4.3半导体晶体管

晶体管的放大作用RcRb1.发射

发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区—形成发射极电流IE(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。IEIB2.复合和扩散

电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流IB，复合掉的空穴由VBB补充。多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。4.3半导体晶体管

晶体管的放大作用RcRbIEIB3.收集集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流IC。其能量来自外接电源VCCIC另外，集电区和基区的少子在结电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。ICBO4.3半导体晶体管ICBOIEICIBIBNICN集电极电流：IC=ICN+ICBO基极电流：IB=IBN

-ICBO发射极电流：IE=IC

+IBIE－扩散运动形成的电流IB－复合运动形成的电流IC－漂移运动形成的电流

电流分配关系直流电流放大系数交流电流放大系数4.3半导体晶体管

衡量晶体管放大能力的指标4.3半导体晶体管晶体管外部极间电压与电流的相互关系称为～输入特性：输出特性：iBuCEiCVCCRbVBBcebRCV+V+A++mAuBEiB=f(uBE)UCE=常数iC=f(uCE)iB=常数

晶体管特性曲线4.3半导体晶体管为什么UCE增大曲线右移？

对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。为什么像PN结的伏安特性？为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？1.输入特性iB=f(uBE)UCE=常数

晶体管特性曲线2.输出特性每一个

IB就有一条

iC随

uCE变化的曲线为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？iC=f(uCE)IB=常数4.3半导体晶体管

晶体管特性曲线4.3半导体晶体管iC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321截止区放大区饱和区截止区:uBE

uon

，uCE

≥

uBEiB=0，iC=ICEO0放大区

uBE

uon

，uCE

≥

uBE

iC=iB饱和区uBE

>uon，uCE<uBE

iC≠iB

晶体管的三个工作区4.3半导体晶体管衡量晶体管放大能力的重要指标。ICBOcebA2.集电极和基极之间的反向饱和电流ICBO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e开路时，c和b之间的电流。1.电流放大系数

，

晶体管主要参数ICEOAceb3.集电极和发射极之间的反向饱和电流ICEO当b开路时，c和e之间的电流。4.特征频率fT晶体管的电流放大系数下降到1时的频率。值愈大，则该管的ICEO

也愈大。4.3半导体晶体管

晶体管主要参数5.集电极最大允许电流ICM当iC过大时，三极管的

值要减小。使值下降到额定值的三分之二时的IC

。6.集电极最大允许耗散功率PCM将iC

与uCE

乘积等于规定的PCM

值各点连接起来，可得一条双曲线。7.极间反向击穿电压(V(BR)CEO，V(BR)CBO

)外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。iCvCEOICM过流区过损耗区PCM=iCuCEV(BR)CEO过电压安全

工

作

区4.3半导体晶体管

晶体管主要参数4.3半导体晶体管温度对VBE

的影响当温度升高时，管内载流子运动加剧，三极管发射结的正向电流IE随温度升高而按指数规律增加，在IB相同的条件下，VBE将减小。温度对ICBO的影响当温度升高时，基区和集电区产生的电子空穴对将急剧增加，于是反向饱和电流ICBO、ICEO上升。温度对

的影响当温度升高后，加快了基区注入载流子的扩散速度，在基区电子与空穴的复合数目减小，因而

增大温度对V(RB)CBO、V(RB)CEO

的影响当温度升高时，V(RB)CBO

和V(RB)CEO

有所提高。

温度对晶体管参数的影响4.3半导体晶体管对输入特性的影响

当温度升高时,共射极连接时的输入特性曲线将向左移动,在IB相同的条件下，VBE

将减小。对输出特性的影响当温度升高时，ICBO、ICEO、

都将增大，输出特性曲线将向上移动，而且各条曲线间的距离加大。

温度对晶体管特性的影响4.3半导体晶体管利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的半导体器件场效应管紧靠多数载流子导电，又称单极型晶体管体积小、重量轻、寿命长输入内阻高：107～1012Ω噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强耗电省

单极型晶体管—场效应管4.3半导体晶体管场效应管分类结型绝缘栅型N沟道P沟道N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型结型绝缘栅型

单极型晶体管—场效应管4.3半导体晶体管

结型场效应管4.3半导体晶体管N沟道结型场效应管是在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区。将它们连接在一起引出电极栅极G。N沟道结构示意图SiO2N源极S栅极G漏极D

NNP＋P＋N型半导体两端加上一定的电压，便在沟道中形成电场，在此电场作用下，形成由多数载流子(自由电子)产生的漂移电流。我们将电子发源端称为源极S，接收端称为漏极D。源极S栅极G漏极D

N沟道结型场效应管4.3半导体晶体管dsgP+N导电沟道N沟道结型结构示意图P+这样既保证了栅-源之间的电阻很高，又实现了UGS对沟道电流ID的控制。正常工作时：在栅-源之间加负向电压，(保证耗尽层承受反向电压)漏-源之间加正向电压，(以形成漏极电流）P区和N区的交界面形成耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层称为导电沟道。耗尽层

N沟道结型场效应管4.3半导体晶体管当uGS=0时，耗尽层很窄,导电沟道宽。随|uGS|增大，耗尽层增宽,沟道变窄,电阻增大。|uGS|增加到某一数值,耗尽层闭和,沟道消失,沟道电阻趋于无穷大。夹断电压UGS(off)

N沟道结型场效应管4.3半导体晶体管当

uDS=0时，虽有导电沟道，但iD为零。当uDS0时，产生iD，随着uDS增加，

iD增加。注意，此时产生了一个沿沟道的电位梯度，靠近漏极附近的电位高于源极附近的电位。导电沟道呈楔形。uGS为UGS(off)～0中某一固定值，uDS对漏极电流iD的影响uGSDSGiDuDS4.3半导体晶体管只要栅漏电压

uGD

小于夹断电压UGS(off)，iD就随uDS的增大而增大。uGS为UGS(off)～0中某一固定值，uDS对漏极电流iD的影响uGSDSGiDuDS4.3半导体晶体管当uGD=UGS(off)，漏极一边的耗尽层就会出现夹断区。此时称为预夹断。此时的

iD称为“饱和漏极电流iDSS”uGS为UGS(off)～0中某一固定值，uDS对漏极电流iD的影响uGSDSGiDuDS4.3半导体晶体管当uGD=UGS(off)，漏极一边的耗尽层就会出现夹断区。此时称为预夹断。此时的

iD称为“饱和漏极电流iDSS”若uDS继续增大，即uGD<UGS(off)，夹断区下移，此时若uDS继续增加，

iD几乎不变。uGS为UGS(off)～0中某一固定值，uDS对漏极电流iD的影响uGSDSGiDuDS4.3半导体晶体管此时iD的值由uGS

决定，iD表现为恒流特性。注意iD是载流子通过电场效应被漏极吸收形成的

。当uGD<UGS(off)时，若uDS

为常量，此时可通过改变uGS的大小来控制

iD。可以把iD近似看成uGS控制的电流源uGS为UGS(off)～0中某一固定值，uDS对漏极电流iD的影响uGSDSGiDuDS4.3半导体晶体管iD=f(uDS)uGS

=

常数

N沟道结型场效应管输出特性曲线：当栅源电压不变时，漏极电流iD与漏源电压uDS之间的关系。描述场效应管电流电压关系：转移特性曲线：当漏源电压不变时，漏极电流iD与栅源电压uGS之间的关系。iD=f(uGS)uDS

=

常数4.3半导体晶体管

N沟道结型场效应管输出特性曲线iD=f(uDS)uGS

=

常数输出特性曲线4.3半导体晶体管当uGD=UGS（off）时，漏源之间预夹断当uGD>UGS（off）

时，对于不同的uGS，漏源之间等效成不同阻值的电阻，iD随uDS的增加线性增加。可变电阻区预夹断轨迹输出特性曲线

N沟道结型场效应管4.3半导体晶体管

N沟道结型场效应管当uGD<UGS（off）时，

iD几乎只决定于uGS，而与uDS

无关，可以把iD近似看成uGS控制的电流源。（对应恒流区）当uGS<UGS（off）时，导电沟道被夹断，iD0恒流区夹断区击穿区当

uDS增加到一定程度，电流急剧增大，管子会被击穿4.3半导体晶体管iD=f(uGS)uDS

=

常数转移特性曲线30–1–2–3

UGS

/

VUGS(off)ID

/mA–4IDSS12

N沟道结型场效应管UGS=0时产生预夹断，对应的漏极电流。N沟结型场效应管，栅源之间加反向电压。P沟结型场效应管，栅源之间加正向电压。转移特性曲线与输出特性曲线的对应关系？4.3半导体晶体管

N沟道结型场效应管输出特性432104812UGS

=0V–3V–4V–1V–2V

uDS/ViD/mA转移特性UGS(off)1230–1–2–3

uGS

/

ViD/mA–44

(1)对于不同的uDS，相应的转移特性曲线不同。(2)当管子工作于恒流区时，转移特性曲线基本重合。4.3半导体晶体管栅-源电压为零时漏极电流也为零的管子称为增强型。栅-源电压为零时漏极电流不为零的管子称为耗尽型。MOS管分类：

N沟道（NMOS）增强型耗尽型

P沟道（PMOS）增强型耗尽型绝缘栅型场效应管采用sio2绝缘层隔离（输入电阻更大），栅极为金属铝，又称为MOS管。

绝缘栅型场效应管4.3半导体晶体管

N沟道增强型MOS管4.3半导体晶体管通常衬底和源极连接在一起使用1.结构栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。栅-源电压改变时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。P型硅衬底衬底引线BN+N+源极S栅极G漏极D

SiO2

N沟道增强型MOS管4.3半导体晶体管1)uGS

=0时：D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，iD=0。

N沟道增强型MOS管2.工作原理P衬底BN+SGDN+4.3半导体晶体管

N沟道增强型MOS管2.工作原理2)uGS

>0,uDS

=0：P衬底BN+SGDN+耗尽层由于绝缘层SiO2的存在，栅极电流为零。栅极金属层将聚集大量正电荷，排斥P型衬底靠近SiO2绝缘层的空穴;便剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层。4.3半导体晶体管

N沟道增强型MOS管2.工作原理P衬底BN+SGDN+3)

uGS继续增加，uDS=0：使导电沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压uGS(th)

。一方面：耗尽层增宽；另外：将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成N型薄层，称为反型层。这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。uGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。

反型层4.3半导体晶体管

N沟道增强型MOS管2.工作原理4)uGS>uGS(th)

，uDS>0：P衬底BN+SGDN+将产生一定的漏极电流iD

。

iD随着的uDS增加而线性增大。此时导电沟道的宽度不再处处相等。4.3半导体晶体管

N沟道增强型MOS管2.工作原理P衬底BN+SGDN+5)uGS

>uGS(th),uGD

=uGS(th)

：随着uDS的增大，uGD减小，当uDS增大到uGD=uGS(th)时，导电沟道在漏极一端产生夹断，称为预夹断。此时继续增加uDS，夹断区会继续左移。但仍然有iD。此时沟道两端电压保持不变，因此漏电流iD几乎不变化，管子进入恒流区。4.3半导体晶体管

N沟道增强型MOS管2.工作原理P衬底BN+SGDN+5)uGS

>uGS(th),uGD

=uGS(th)

：iD几乎仅仅决定于uGS

。此时可以把iD

近似看成uGS

控制的电流源。4.3半导体晶体管恒流区击穿区可变电阻区4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V0123246UGS

/VUGs(th)输出特性转移特性UDS/VID/mA夹断区

N沟道增强型MOS管4.3半导体晶体管制造时,在sio2绝缘层中掺入大量的正离子,即使uGS

=0，在正离子的作用下，源-漏之间也存在导电沟道。只要加正向uDS

，就会产生iD。结构示意图P源极S漏极D

栅极GBN+N+正离子反型层SiO2只有当uGS小于某一值时，才会使导电沟道消失，此时的uGS称为夹断电压uGS(off)

。

N沟道耗尽型MOS管4.3半导