模电基础常用半导体器件

第一章常用半导体器件模拟电子技术基础1第一章常用半导体器件§1.1半导体基础知识§1.2半导体二极管§1.3双极型晶体管§1.4场效应管§1.5单结晶体管和晶闸管§1.6集成电路中的元件2§1.1半导体基础知识导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。3半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。41.1.1本征半导体一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。5本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：6硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子7共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+48二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴9+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子102.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。11温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。121.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。13一、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。14+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。15二、P型半址导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原萍子P型半篇导体吊中空妻穴是贞多子纤，电波子是洞少子。16三、瞧杂质细半导间体的虎示意串表示付法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半礼导体励多子黑和少嫂子的睡移动裤都能滚形成泼电流驾。但帐由于闲数量雕的关诞系，外起导啊电作贺用的丽主要孕是多斑子。近僵似认亏为多引子与偏杂质捧浓度龄相等颜。171.浙1.掩3PN虽结在同孤一片就半导狐体基闷片上津，分隙别制妹造P型半填导体奋和N型半盆导体带，经光过载警流子庙的扩去散，廉在它愧们的隙交界滥面处选就形抖成了PN结。一、PN结的两形成18P型半快导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半嫌导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散股的结哥果是雁使空倒间电如荷区债逐渐涌加宽粘，空唯间电特荷区庭越宽筒。内电研场越旨强，趁就使拖漂移享运动绸越强序，而孩漂移包使空结间电编荷区兔变薄樱。空间电荷区，也称耗尽层。硼磷19漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以熟扩散烧和漂绩移这歇一对鸡相反照的运昼动最篇终达普到平遥衡，浆相当位于两价个区逗之间抽没有村电荷煎运动柿，空输间电楼荷区创的厚挥度固垫定不禾变。20－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间头电荷堂区N型区P型区电位VV0211、空珍间电趋荷区佳中没乌有载波流子歇。2、空却间电系荷区洲中内挎电场职阻碍P中的善空穴被、N区中的费电子粒（都是性多子）向杨对方树运动叉（扩散学运动）。3、P区中姿的电混子和N区中惨的空臭穴（都是愤少），艘数量坑有限使，因赏此由偷它们寒形成欣的电晚流很歉小。注意:22PN结加上帆正向健电压、正向寸偏置的意哀思都阴是：P区加冰正、N区加汉负电灿压。PN结加上夸反向肢电压、反向滩偏置的意接思都颜是：P区加负胁、N区加诞正电气压。二、PN结的倡单向肺导电涂性23－－－－++++RE1.催P候N结正迈向偏验置内电场外电场变薄PN+_内电攀场被商削弱苦，多绳子的娱扩散闷加强法能够纯形成米较大蔑的扩漆散电补流。242.袋P币N结反灯向偏伶置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电魔场被代被加辜强，哥多子睛的扩援散受愉抑制近。少奶子漂生移加茫强，糟但少惊子数钱量有涝限，纺只能荒形成质较小殖的反狠向电漆流。RE25一、赶基本醒结构PN结加般上管乐壳和亡引线撤，就受成为烧半导温体二亩极管甘。引线外壳线触丝线基片点接狗触型PN结面接夏触型PN二极管的电路符号：§1香.2半导进体二耗极管26二、浸伏安键特性UI死区墓电压之硅坚管0.刊6V找,锗管承0.2摊V。导通眠压降:硅管0.买6~压0.部7V胁,锗管0.帜2~0.惹3V。反向撕击穿息电压UBR电流俭方程狡：27三、讨主要集参数1.最大惰整流萌电流IF二极浇管长墨期使揪用时所，允途许流翅过二权极管灿的最接大正灭向平除均电翅流。2.最高票反向价工作恶电压UR二极很管工洒作是例允许液外加呜的最惕大反祝向电磁压值尾。超彼过此槐值时酸，二饱极管盆有可洽能因戏反向右击穿附而损振坏。享手册棕上给甜出的凡最高普反向蝴工作看电压UR一般仙是击怒穿电碗压U（BR）的一供半。283.反向享电流IR指二认极管阻加反偏向峰猎值工慨作电股压时旋的反松向电尖流。边反向兰电流也大，祥说明丧管子疤的单像向导睛电性际差，交因此笔反向尽电流枕越小趁越好进。反哥向电彼流受烛温度厘的影凳响，抢温度虹越高吴反向冈电流期越大节。硅鸡管的厦反向炒电流半较小冬，锗窝管的佛反向弱电流音要比意硅管备大几符十到壤几百反倍。以上扭均是畅二极隔管的方直流沉参数级，二趟极管跌的应叫用是蒜主要谈利用邻它的搂单向愿导电帅性，酱主要歌应用赵于整装流、坏限幅结、保偶护等戒等。孔下面蔑介绍帜两个饮交流棕参数渡。294.微变任电阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二招极管击特性鸽曲线悄上工临作点Q附近奥电压目的变罗化与贩电流婚的变欠化之歌比：显然驱，rD是对Q附近抛的微肃小变继化区肆域内鱼的电品阻。305.最高捡工作愤频率fM和二极纯管的斗极间示电容二极扶管的豆两极骗之间职有电达容，熄此电泥容由典两部赴分组轮成：势垒寸电容CB和扩散军电容CD。势垒士电容野：势垒废区是抛积累拼空间储电荷妻的区务域，毁当电馅压变糕化时茧，就谜会引舱起积例累在示势垒灵区的拜空间松电荷华的变秒化，尾这样政所表驳现出新的电迁容是势垒迟电容。扩散动电容喝：为了红形成燃正向酿电流功（扩融散电陈流）轮，注吸入P区的迟少子析（电蔬子）序在P区有浸浓度秋差，钢越靠宏近PN结浓教度越少大，驱即在P区有继电子柳的积辉累。锻同理喷，在N区有冬空穴吼的积贯累。侵正向撞电流未大，老积累英的电莫荷多滨。这样种所产烘生的揉电容幼就是煮扩散斑电容CD。P+-N31CB在正页向和商反向炮偏置亩时均皇不能夕忽略培。而认反向躲偏置悦时，跑由于尝载流泉子数阀目很拢少，您扩散吹电容墨可忽剪略。PN结高露频小否信号歉时的肤等效至电路宇：势垒笑电容击和扩距散电匹容的凳综合丽效应rd32二极露管的链应用拒举例tttuiuRuoRRLuiuRuo331.闸2.摊5稳压耳二极俊管UIIZIZmaxUZIZ稳压尽误差曲线田越陡跪，电尘压越盗稳定恨。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。34（4）稳定当电流IZ、最大圣、最正小稳喷定电海流Izm撞ax、Izm霜in。（5）额棋定功询耗稳压也二极出管的刘参数:（1）稳定坟电压UZ（2）电压温度系数U（%/℃）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动测态电绣阻35稳压纽奉二极拔管的钩应用民举例uoiZDZRiLiuiRL稳压淹管的踢技术爷参数:负载着电阻。要求当输佩入电校压由戒正常残值发粉生20屋%波动雷时，绑负载燃电压璃基本亭不变娱。解：深令输踩入电祖压达袖到上绪限时进，流兽过稳戏压管胀的电亡流为Izma晌x。求：电阻R和输齐入电嚼压ui的正常凝值。——方程136令输入烫电压逗降到叫下限颠时，愤流过卵稳压牺管的赴电流朝为Izmi滋n。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立抚方程1、2，可罢解得恢：371.馅2.落6其他充类型敌二极芒管反向缎电流夜随光奏照强益度的可增加冶而上蠢升。IU照度增加一、截光电劲二极穗管38二、爆发光北二极比管有正医向电惭流流行过时猜，发妹出一朱定波养长范隙围的柔光，遗目前遵的发童光管网可以慰发出劈燕从红休外到菠可见诸波段使的光绳，它遭的电觉特性狸与一雄般二赶极管夺类似血。39§1革.3双极腹型晶胳体管1.茂3.蜘1基本息结构BECNNP基极发射讯极集电捉极NP示N型PNP集电极基极发射极BCEPN支P型40BECNNP基极发射极集电极基区起：较贿薄，南掺杂乞浓度晃低集电弱区：悬面积绒较大发射乒区：怖掺杂浓昏度较塔高41BECNNP基极发射极集电极发射狼结集电合结421.敢3.情2电流芦放大闲原理BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE1进入P区的困电子询少部完分与蒸基区翼的空茎穴复爹合，机形成映电流IBE，多数权扩散诊到集更电结诸。发射德结正绸偏，逗发射逝区电瞒子不野断向宁基区诸扩散烤，形弱成发衰射极土电流IE。43BECNNPEBRBECIE集电恢结反崇偏，割有少吹子形滔成的药反向大电流ICB固O。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBE2ICE从基乳区扩伍散来脱的电舌子作例为集呢电结经的少动子，侧漂移腥进入微集电弃结而觉被收樱集，主形成ICE。44IB=IBE-ICB糖OIBEIB3BECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBE454ICE与IBE之比夹称为肤电流冷放大猛倍数要使挎三极帖管能嗽放大营电流鼠，必脑须使想发射厉结正悉偏，架集电膏结反寄偏。46BECIBIEICNP催N型三腥极管BECIBIEICPN地P型三挠极管471.椅3.哀3特性膨曲线ICmAAVVUCEUBERBIBECEB实验支线路48一、输入笼特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作凶压降吴：径硅问管UBE0卵.6您~0盗.7躲V,锗管UBE0沿.2原~0翁.3耗V。UCE=0VUCE=0.5V死区贼电压江，硅笋管0.品5V，锗管0.提2V。49二、输出颠特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区旋域满州足IC=IB称为熄线性虾区（抽放大狱区）市。当UCE大于悲一定澡的数悼值时清，IC只与IB有关嗽，IC=IB。50IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区最域中UCEUBE,集电谅结正昆偏，他IB>IC，UCE0哨.3趋V称为尊饱和聚区。51IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区赵域中:IB=0绕,IC=ICE凤O,UBE<死区武电压丽，称封为截简止区气。52三、贤主要凉参数前面卡的电绣路中聋，三喜极管护的发起射极女是输跳入输配出的基公共排点，蓝称为壁共射宿接法嘉，相置应地偷还有贪共基府、共烂集接童法。共射直流施电流马放大极倍数：工作无于动级态的握三极婚管，浩真正烤的信伯号是胆叠加沿在直蜡流上宾的交狼流信贝号。区基极观电流席的变梨化量娃为IB，相应弦的集纽奉电极论电流抗变化辛为IC，则交流贞电流烤放大汇倍数为：1.电流放大倍数和53例：UCE=6肆V时：IB=诊40A赚,IC=1姿.5mA；IB=徒60贩盖A,IC=2挎.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：=542.集-基极兆反向价截止渠电流ICB梅OAICBOICB禁O是集暖电结误反偏扎由少粮子的楼漂移嚼形成荐的反酬向电桐流，宏受温天度的离变化姻影响葛。55BECNNPICBOICEO=

IBE+ICBO

IBEIBEICB结O进入N区，齐形成IBE。根据盈放大吴关系怪，由融于IBE的存插在，欢必有要电流IBE。集电揭结反动偏有ICB劈燕O3.集-射极酱反向尘截止表电流ICE迟OICE统O受温泡度影福响很贸大，飞当温搁度上颠升时屿，ICE怕O增加井很快仪，所覆以IC也相老应增狸加。三极声管的牢温度渐特性筐较差。564.集电钓极最扇大电衔流ICM集电辩极电戚流IC上升杠会导均致三晌极管书的值语的下异降，削当颗值下理降到黎正常年值的柔三分蓬之二程时的脖集电袖极电欺流即借为ICM。5.集-射极末反向秤击穿归电压当集--极-射极弦之间蓄的电敞压UCE超过营一定齿的数述值时厦，三宣极管贴就会夹被击阴穿。红手册向上给损出的属数值供是25C、基极探开路张时的辱击穿稠电压U(B吵R)首CE极O。576.集电类极最胆大允忌许功博耗PCM集电摔极电超流IC流过蜡三极励管，所发描出的认焦耳热为岸：PC=ICUCE必定坚导致丘结温上升呢，所惧以PC有限沸制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全料工作行区58温度匀对UBE的影路响iBuBE25ºC50ºCTUBEIBIC四、砖温度项对晶葵体管筒特性厨及参勤数的对影响59温度等对值叛及ICE浮O的影悄响T、ICEOICiCuCEQQ´总的肢效果左是：温度上升时，输出特性曲线上移，造成IC上移。60五、是光电秃三极脉管61§1匆.4场效找应管场效哗应管拘与双枪极型吐晶体衰管不对同，境它是盘多子泪导电补，输欺入阻删抗高拿，温逼度稳纷定性践好。结型澡场效叙应管JF神ET绝缘伶栅型灿场效版应管MO虹S场效贫应管卸有两义种:62N基底范：N型半途导体PP两边伟是P区G(栅极)S源极D漏极一、晌结构1.护4.绢1结型萄场效灶应管:导电什沟道63NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道耐结型疾场效爆应管DGSDGS64PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道文结型舟场效肝应管DGSDGS65二、抵工作毫原理依（以P沟道豆为例床）UDS=0狗V时PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反磁偏，UGS越大叹则耗界尽区恶越宽仪，导都电沟偏道越老窄。66PGSDUDSUGSNNIDUDS=0罚V时NNUGS越大高耗尽隙区越纪宽，鄙沟道牛越窄杯，电戒阻越支大。但当UGS较小鹅时，路耗尽丈区宽方度有奇限，因存在烫导电列沟道判。DS间相允当于翻线性活电阻弟。67PGSDUDSUGSNNUDS=0糖时UGS达到暑一定失值时嫩（夹断伪电压UGS耍(o五ff烛)）,耗尽冠区碰溉到一固起，DS间被奖夹断均，这时犁，即饭使UDS0V，漏极风电流ID=0及A。ID68PGSDUDSUGSUGS<UGS惧(o围ff溜)且UDS>0、UGD<千UGS仙(o买ff质)时耗战尽区耗的形罩状NN越靠恰近漏凯端，PN结反订压越碍大ID69PGSDUDSUGSUGS<UGS减(o与ff爸)且UDS较大搂时UGD<UGS冰(o修ff某)时耗娘尽区献的形削状NN沟道命中仍疤是电旁阻特天性，滤但是落是非遍线性械电阻笑。ID70GSDUDSUGSUGS<UGS拘(o由ff思)UGD=UGS盼(o申ff味)时NN漏端泄的沟嘴道被婚夹断调，称罢为预夹牢断。UDS增大者则被掏夹断云区向缘瑞下延泽伸。ID71GSDUDSUGSUGS<UGS眯(o程ff并)UGD=UGS协(o辫ff释)时NN此时客，电本流ID由未猾被夹今断区嚷域中猛的载省流子含形成鲜，基崭本不刺随UDS的增织加而厕增加爸，呈祖恒流丧特性誉。ID72三、爬特性状曲线UGS0IDIDSSUGS(off)饱和漏极电流夹断电压转移输特性畏曲线一定UDS下的ID-UGS曲线73预夹断曲线IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流稻区输出积特性凭曲线074N沟道沾结型兵场效谈应管虫的特步性曲首线转移烦特性采曲线UGS0IDIDSSUGS(off)75输出愉特性呆曲线IDUDS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN沟道群结型约场效杠应管阻的特寸性曲不线76结型丽场效白应管分的缺洲点：1.栅源景极间疗的电芦阻虽蜜然可孝达107以上保，但射在某肢些场软合仍适嫌不攻够高伟。3.栅源盯极间情的PN结加戚正向椒电压垒时，票将出哭现较迎大的辽栅极鸟电流览。绝缘若栅场旦效应交管可点以很询好地柱解决畜这些烫问题顾。2.在高累温下雪，PN结的售反向坏电流术增大花，栅建源极峰间的辉电阻爷会显攀著下贞降。771.牛4.池2绝缘勒栅场训效应饲管:一、影结构续和电丙路符圈号PNNGSDP型基乒底两个N区Si耽O2绝缘店层导电凡沟道金属树铝GSDN沟道为增强据型78N沟道亦耗尽辨型PNNGSD预埋联了导议电沟季道GSD79NPPGSDGSDP沟道赖增强基型80P沟道水耗尽助型NPPGSDGSD预埋节了导菊电沟非道81二、MO钟S管的哥工作汁原理以N沟道开增强拍型为悼例PNNGSDUDSUGSUGS=0时D-S间相当于两个反接的PN结ID=0对应携