半导体晶体管和场效应管

半导体晶体管和场效应管第1页/共53页本章小结第3节绝缘栅场效应晶体管第2节晶体三极管与交流放大法电路第1节半导体的基础知识第1章半导体晶体管和场效应管

第2页/共53页1.1半导体的基础知识1.1.1物理基础1.1.2本征半导体1.1.3杂质半导体1.1.4PN结第3页/共53页半导体---导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。与导体的电阻率相比较，半导体的电阻率有以下特点：1．对温度反映灵敏(热敏性)2．杂质的影响显著(掺杂性)极微量的杂质掺在半导体中，会引起电阻率的极大变化。3．光照可以改变电阻率(光敏性)温度、杂质、光照对半导体电阻率的上述控制作用是制作各种半导体器件的物理基础。1.1.1物理基础

第4页/共53页1.1.2本征半导体半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子—自由运动的带电粒子。共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。+4+4+4+4硅(锗)的原子结构Si284Ge28184简化模型+4惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动第5页/共53页本征激发：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。漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。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。1.1.2本征半导体第6页/共53页两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动半导体的导电特征IIPINI=IP+IN+–电子和空穴两种载流子参与导电在外电场的作用下，自由电子逆着电场方向定向运动形成电子电流IN。空穴顺着电场方向移动，形成空穴电流IP。1.1.2本征半导体第7页/共53页

本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很弱。如果有控制、有选择地掺入微量的有用杂质（某种元素），将使其导电能力大大增强，成为具有特定导电性能的杂质半导体。1.1.3杂质半导体第8页/共53页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、光照等外界条件有关。结论第9页/共53页1、N型半导体在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷。N型磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数

电子数+5+4+4+4+4+4正离子多数载流子少数载流子N型半导体的简化图示第10页/共53页P型硼原子空穴空穴

—

多子电子

—

少子载流子数

空穴数2、P型半导体在硅或锗的晶体中掺入三价元素硼。+4+4+4+4+4+3P型半导体的简化图示多数载流子少数载流子负离子第11页/共53页1.1.4PN结二、复合使交界面形成空间电荷区空间电荷区特点:无载流子、阻止扩散进行、利于少子的漂移。(耗尽层)三、扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。内电场扩散运动：由浓度差引起的载流子运动。漂移运动：载流子在电场力作用下引起的运动。1.PN结的形成一、载流子的浓度差引起多子的扩散第12页/共53页一、加正向电压(正向偏置)导通P区N区内电场+

UR外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。I限流电阻扩散运动加强形成正向电流I。I

=I多子I少子

I多子二、加反向电压(反向偏置)截止P

区N

区

+UR内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IPN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。漂移运动加强形成反向电流II

=I少子

02PN结的单向导电性第13页/共53页PN结两端电压和流经PN结的电流之间有如下关系式中，是反向饱和电流，UT=kT/q是温度电压当量，T是热力学温度，q是电子的电量，在T为300K时，UT≈26mV。4．PN结的反向击穿当反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增加，这种现象称为反向击穿。

3PN结方程第14页/共53页1.2晶体二极管1.2.1基本结构1.2.2伏安特性1.2.3主要参数1.2.4特殊二极管第15页/共53页1.2.1基本结构构成：PN结+引线+管壳=二极管

(Diode)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平面型正极

引线负极

引线集成电路中平面型pNP型支持衬底第16页/共53页第17页/共53页1.2.2伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0U

Uth

反向特性U(BR)反向击穿U（BR)

U0iD

<0.1A(硅)几十A

(锗)U<

U（BR）反向电流急剧增大(反向击穿)击穿电压第18页/共53页反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。第19页/共53页1.

IOM—

最大整流电流（最大正向平均电流）2.

URM—

最高反向工作电压，为U(BR)/23.

IRM—

最大反向电流（二极管加最大反向电压时的电流，越小单向导电性越好）1.2.3主要参数1.2.4

特殊二极管1．稳压二极管稳压管的反向击穿是可逆的，只要去掉反向电压，稳压管就会恢复正常。但是，如果反向击穿后的电流太大，超过其允许范围，就会使稳压管的PN结发生热击穿而损坏。第20页/共53页

稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。I/mAUZ/VOUZIZIZM+正向

+反向UZIZ符号工作条件：反向击穿第21页/共53页主要参数1.稳定电压

UZ和稳定电流

IZ

UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。IZ越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。3.最大工作电流

IZMax和最大耗散功率

PZM

如果管子的电流超过最大稳定电流Izmax，将会使管子的实际功率超过最大允许耗散功率，管子将会发生热击穿而损坏。4.动态电阻

rZrZ=UZ/IZ

越小稳压效果越好。第22页/共53页2.发光二极管LED(LightEmittingDiode)特点：驱动电压低、功耗小、寿命长、可靠性高.用途：(1).用于显示电路；(2).将电信号变为光信号，通过光电缆传输，再用光电二极管接收，还原成电信号。发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，七段LED，点阵LED不可见光：红外光符号第23页/共53页第24页/共53页3.光电二极管工作状态-反向偏置将光信号转为电信号的半导体器件第25页/共53页1.3晶体三极管与交流放大电路1.3.1晶体管的基本结构1.3.2电流放大作用1.3.3特性曲线1.3.4主要参数第26页/共53页1.3.1晶体管的基本结构晶体管（三极管）是最重要的一种半导体器件。部分三极管的外型第27页/共53页一、结构N型硅BECN型硅P型硅（a）平面型二氧化硅保护膜N型锗ECBPP（b）合金型铟球铟球第28页/共53页三层半导体材料构成NPN型、PNP型NNP发射极

E基极

B集电极

C发射结集电结—基区—发射区—集电区emitterbasecollectorNPN型ECB各区主要作用及结构特点：发射区：作用：发射载流子特点：掺杂浓度高基区：作用：传输载流子特点：薄、掺杂浓度低集电区：作用：接收载流子特点：面积大第29页/共53页PPNEBC按材料分：硅管、锗管按结构分：

NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管ECBPNP型二、类型第30页/共53页1.3.2电流放大作用一、晶体管放大的条件1.内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大2.外部条件发射结正偏集电结反偏二、晶体管的电流分配和放大作用实验电路mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6A电路条件:EC>EB发射结正偏集电结反偏第31页/共53页mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6A1.测量结果IB/mA00.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.501.001.602.202.90IE/mA0.0010.511.021.632.242.95IC/IB5050535558IC/

IB50606070(1)符合KCL定律(2)

IC和IE比IB大得多(3)

IB

很小的变化可以引起

IC很大的变化。

即：基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是晶体管的放大作用。第32页/共53页2.晶体管内部载流子的运动规律(1)发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流IE。ICE多数向BC结方向扩散形成ICE。IE少数与空穴复合，形成IBE。IBE基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBE

IB+ICBO即：IB=IBE–ICBO

(3)集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流ICICIC=ICE+ICBO(2)电子到达基区后(基区空穴运动因浓度低而忽略)第33页/共53页3.晶体管的电流分配关系当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB=I

BN

ICBOIC=ICN+ICBO(直流电流放大倍数）总结：

1.晶体管在发射结正向偏置、集电结反向偏置的条件下具有电流放大作用。

2.晶体管的电流放大作用，实质上是基极电流对集电极电流的控制作用。第34页/共53页1.3.3特性曲线1.输入特性输入回路输出回路与二极管特性相似RCECiBIERB+uBE+uCEEBCEBiC+++iBRB+uBEEB+O特性基本重合(电流分配关系确定)特性右移(因集电结开始吸引电子)导通电压UBESi管:(0.60.8)VGe管:(0.20.3)V取0.7V取0.2VEB+RB第35页/共53页2.输出特性

1.调整RB使基极电流为某一数值。

2.基极电流不变，调整EC测量集电极电流和uCE电压。输出特性曲线50µA40µA30µA10µAIB=020µAuCE

/VO2468

4321iC

/mAmAICECIBRBEBCEB3DG6ARCV+uCE第36页/共53页iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321（1）截止区：

IB0

IC=ICEO0条件：两个结反偏（2）放大区：（3）饱和区：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0条件：两个结正偏特点：IC

IB临界饱和时：uCE=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)UCE为：0.1V(锗管)放大区截止区饱和区条件：发射结正偏集电结反偏特点：水平、等间隔ICEO输出特性曲线第37页/共53页iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0024684321一般为几十几百Q2.穿透电流是指基极开路(IB=0)时，集电极到发射极间的电流。1.3.4主要参数1.放大系数交流电流放大系数直流电流放大系数第38页/共53页3.ICM—集电极最大允许电流，超过时值明显降低。5.PCM—集电极最大允许功率损耗PC

=IC

UCE。4.U(BR)CEO—基极开路时C、E极间反向击穿电压。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区第39页/共53页

1.4场效应管场效应管也称做MOS管，按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道FET分类：绝缘栅场效应管结型场效应管场效应管（FieldEffectTransistor简称FET）是一种电压控制器件(uGS~iD)，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。

FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。第40页/共53页1.4.1绝缘栅场效应管绝缘栅型场效应管(MetalOxideSemiconductorFET)，简称MOSFET。分为：增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道

1.增强型绝缘栅场效应管（1）结构

4个电极：漏极D，源极S，栅极G和衬底B。符号：第41页/共53页当uGS＞0V时→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→耗尽层。（2）工作原理当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。再增加uGS→纵向电场↑→将P区少子电子聚集到P区表面→形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。①栅源电压uGS的控制作用第42页/共53页定义：开启电压（UT）——刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。

N沟道增强型MOS管的基本特性：

uGS＜UT，管子截止，

uGS＞UT，管子导通。

uGS越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。第43页/共53页②漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用当uGS＞UT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。（设UT=2V，uGS=4V）

（a）uds=0时，id=0。（b）uds↑→id↑；同时沟道靠漏区变窄。（c）当uds增加到使ugd=UT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。（d）uds再增加，预夹断区加长，uds增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，id基本不变。第44页/共53页输出特性曲线

第45页/共53页转移特性曲线第46页/共53页一个重要参数——跨导gm：

gm=iD/uGSuDS=const(单位mS)gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。第47页/共53页

2．耗尽型绝缘栅场效应管特点：当