模電1半導(dǎo)體器件

1、1 模擬電子技術(shù) 2 12 20109自動化08/12電信8/1213 7 3 5 6 5 2 4 11 20109電氣08/1234127 3 7 5 4 2 4 20099電氣07/123412 8 4 7 9 5 2 3 J電氣07/12312 9 5 7 9 6 0 3 J自動化07/123129579603 3 第 一 章 半導(dǎo)體器件 5% 理解半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理（概念） 理解溫度變化對半導(dǎo)體導(dǎo)電能力影響的原因 理解二極管結(jié)構(gòu)和伏安特性（4個區(qū)域） 掌握二極管的單向?qū)щ娦詰?yīng)用（通斷） 理解穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理 理解三極管的結(jié)構(gòu)， 掌握三極管的特性放大、飽和、截止區(qū)域， 條件和功能 理解場

2、效應(yīng)管的開啟電壓（絕緣柵） 和夾斷電壓（耗盡型） 學(xué)習(xí)了解、理解、掌握三層次。 4 1.1 1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ) 導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)金屬 絕緣體：物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電的橡皮、陶瓷、 塑料 半導(dǎo)體：導(dǎo)電特性處于之間的鍺、硅、氧化 物等 導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)特點(diǎn) 受光照、熱、電場，磁場的作用，或摻入某些雜質(zhì) （摻雜）導(dǎo)電能力明顯改變。半導(dǎo)體應(yīng)用基礎(chǔ) 從微觀，原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識: 導(dǎo)電本質(zhì)帶電粒子定向移動,粒子數(shù)量決定導(dǎo)電能力 最外層電子決定物理（導(dǎo)電）和化學(xué)性能 5 1.1 .1 1.1 .1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 Si 簡圖 晶體 原子排列整齊,具有某種幾何對稱性的半導(dǎo)體 如：C:碳石

3、墨/鉆石 工業(yè)實(shí)用 本征半導(dǎo)體不含雜質(zhì),晶格完整的半導(dǎo)體 結(jié)合方式（物理過程）示意 6 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 +4+4 +4+4 自由電子 負(fù)電粒 子 移動 激發(fā)/復(fù)合 （成對） 空穴 帶正電粒 子 移動 束縛電子 共價鍵 電子對 八個穩(wěn)定 形成晶體 載流子可以運(yùn)動的帶電粒子，即空穴+和自由電子 載流子的數(shù)量受激發(fā)(熱,光,電,磁場) 影響很大。 載流子的數(shù)量決定導(dǎo)電能力。解釋半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理 （和導(dǎo)體區(qū)別） 溫度影響：溫度越高，激發(fā)作用越強(qiáng)，載流子的濃度越高。半導(dǎo)體 的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素 7 多余電子自由運(yùn) 動 +4+4 +5+4 N(電

4、子)型半導(dǎo)體 5價磷原子 導(dǎo)電以電子為主 +4+4 +3+4 空穴自由運(yùn)動 P(空穴)型半導(dǎo)體 3價硼原子 導(dǎo)電以空穴為主 載流子:多子：電子(摻雜，激發(fā)) 少子：空穴（激發(fā)） 多子：空穴（摻雜，激發(fā)） 少子：電子（激發(fā)） 空間電荷 不可運(yùn)動 摻雜 8 1.1.3 PN1.1.3 PN結(jié)及其特性結(jié)及其特性 P型半導(dǎo) 體 內(nèi)電場 E(0.7Si/0.3Ge 少子漂移運(yùn)動 N型半導(dǎo) 體 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 空間電荷區(qū)，耗盡層，阻擋層 結(jié)合濃差多子擴(kuò)散界面復(fù)合,空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場E方向(NP) 靜電場作用a.阻礙多子擴(kuò)散,

5、但是擴(kuò)散愈多Er愈強(qiáng);b.利于少子飄移,但飄移愈多E 愈弱動態(tài)平衡,穩(wěn)定.耗盡,阻擋層,空間電荷區(qū)PN結(jié) PN 結(jié) 多子擴(kuò)散運(yùn)動 9 理想理想PNPN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?正向偏置PN結(jié)導(dǎo)通反向偏置PN結(jié)截止 少子漂移電 流(微) (P區(qū)高電位、N區(qū)低電位) (P區(qū)低電位、N區(qū)高電位) 多子擴(kuò)散電流（ 大） 10 實(shí)際實(shí)際PNPN結(jié)伏安特性結(jié)伏安特性 u i 導(dǎo)通壓降: 硅管 0.7V 鍺管0.3V 。 反向擊穿電 壓U(BR) 線性工作 區(qū) 門坎區(qū) 死區(qū) 反向飽和 區(qū) 反向擊 穿區(qū) 死區(qū)電壓 硅管0.5V 鍺管0.2V 理想PN結(jié)伏安特性 11 PNPN結(jié)結(jié) 伏安特性溫度影響，曲線變

6、化趨勢伏安特性溫度影響，曲線變化趨勢 ) 1( T U U S eIi T U U Se Ii )300(26KTmVUT u i 反向飽和電流Is 溫度升高 1、反向飽和電流成倍增加很多，單向?qū)щ娦宰儾睿?2、死區(qū)電壓 降低； UT 溫度電壓當(dāng)量 12 PNPN結(jié)結(jié) 的雪崩擊穿和齊納擊穿。的雪崩擊穿和齊納擊穿。 PN結(jié) 的電容效應(yīng)。 13 1.2 1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 引 線 外殼 線 觸絲 線 基 片 點(diǎn)接觸型（小電流， 高頻） PN結(jié) 面接觸型（大電流， 低頻） PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管 。 PN 14 1.2.3 1.2.3 主要參數(shù)主要參數(shù) 1）最大整流電

7、流IF 二極管長期使用時，允許流過的最大正向平均 電流。2）反向擊穿電壓UBR最高反向工作電壓UR 二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管 的單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工 作電壓UR一般是UBR的一半。 3）反向電流IR 指二極管加反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明 管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫?的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的 反向電流要大幾十到幾百倍。 4）最高工作頻率f M 15 1.2.6 1.2.6 主要應(yīng)用主要應(yīng)用 二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?。?括整流、限幅、保護(hù)、檢波

8、、開關(guān)、信號處理等等 。 例1：二極管的應(yīng)用 16 例2：二極管的應(yīng)用 (電路分析） 假設(shè)截止法(反證,定二 極管通斷) 1.斷開V, 2.繪V+,V-波形, 3.比較, V+V-二級管導(dǎo)通(短路 處理) V+IC， UCES0.3V稱為 飽和區(qū)。 條件： 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)正偏 功能： RCE 0 近似電子開關(guān)接通 飽和區(qū) 29 IC(mA) 1 2 3 4 UCE(V)3 6912 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此區(qū)域中: IB=0,IC=ICEO UBE死區(qū)電壓 ，稱為截止區(qū) 。 條件： 發(fā)射結(jié)反偏 集電結(jié)反偏 功能： RCE 近似電子開關(guān)斷開 截止區(qū) 30 1 1

9、.3.4 .3.4 主要參數(shù)主要參數(shù) 1 性能參數(shù) 1）共基電流放大系數(shù) =Ic/Ie=IC/IE 2）共射電流放大系數(shù) =Ic/Ib=IC/IB(一 般40-200) 3）.集-基反向飽和電流ICBO(CB之間PN結(jié)反向 電流，A級) 4）.穿透電流ICEO=(1+) ICBO溫度.噪聲 IC=+ICBO 5） 特征頻率fT 三極管的下降帶1時的頻率 31 IC UCE ICUCE=PCM ICM U(BR)CEO 安全工作區(qū) 2 ）極限參數(shù) 4.集電極最大電流ICM 5.集射反向擊穿電壓UCEO。UEBO。 。UCBO 6.集電極最大耗散功率PCM 32 溫度對三極管參數(shù)影響 33 1.4

10、 1.4 場效應(yīng)管場效應(yīng)管 FET 特點(diǎn)：（1）場效應(yīng)管只有一種極性的載流子（電子或者空穴）參 與導(dǎo)電，所以場效應(yīng)管有時又稱為單極型晶體管。 （2）場效應(yīng)管是電壓控制器件，它的輸入阻抗高達(dá)1071014，基 本不需信號源提供輸入電流。 場效應(yīng)管的主要缺點(diǎn)是放大能力較低。 場效應(yīng)管具有三極管體積小、重量輕、耗電省 、壽命長的優(yōu)點(diǎn)、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻 射能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)， 效應(yīng)管類型較多，電壓極性要求和特性曲線各 不相同，工程上可方便靈活選用 34 場效應(yīng)管場效應(yīng)管 分類分類 N溝道MOS管 結(jié)型 P溝道MOS管 場效應(yīng)管 增強(qiáng)型N溝道MOS管 絕緣柵型P溝道MOS管 耗盡型N溝道MOS管 P溝

11、道MOS管 35 1.2.6 1.2.6 結(jié)型結(jié)型?/ 36 1.4 絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管 1.4.1基本結(jié)構(gòu) N溝道 P溝道 增強(qiáng)型N溝道 耗盡型N溝道 增強(qiáng)型P溝道 耗盡型P溝道 耗盡/增強(qiáng)型；N/P溝道 區(qū)分： 37 1.4 . 2 工作原理工作原理-1-1 在漏極和源極之間加上電壓UDS， 由于N+漏區(qū)和N+源區(qū)與P型襯底 之間形成兩個PN結(jié)，無論UDS極 性如何，兩個PN結(jié)中總有一個因 反向偏置而處于截止?fàn)顟B(tài)， 漏極和源極沒有導(dǎo)電通道， 漏極電流ID為零。 UDS 導(dǎo)電通道形成-場效應(yīng) 38 1.4 . 2 工作原理工作原理-2-2 正向電壓UGS，由于柵極鋁片與P型襯底

12、 之間為二氧化硅絕緣體，它們構(gòu)成一個 電容器，UGS在二氧化硅絕緣體產(chǎn)生一個 垂直于襯底表面的電場，電場方向向下， 由于二氧化硅絕緣層很薄，產(chǎn)生的電場 強(qiáng)度很大（V/M）在電場作用下，P襯 底中的電子被吸引到表面層。當(dāng)UGS較小 時，吸引到表面層中的電子很少，而且 立即被空穴復(fù)合，只形成不能導(dǎo)電的耗 盡層。 當(dāng)UGSUGSON時，吸引到表面層中的電子， 除填滿空穴外，多余的電子在原為P型半 導(dǎo)體的襯底表面形成一個自由電子占多數(shù) 的N型層，故稱為反型層。反型層溝通了 漏區(qū)和源區(qū)，成為它們之間的導(dǎo)電溝道。 開啟電壓UGS(TH)使增強(qiáng)型場效應(yīng)管剛開始形成導(dǎo)電溝道的臨界電壓 。 夾斷電壓UGS(OF

13、F)耗盡型場效應(yīng)管導(dǎo)電溝道剛開始斷開的臨界電壓 39 1.4 . 2 工作原理工作原理-3-3 如果加上柵源電壓UGSUGSON后， 在漏區(qū)和源區(qū)形成了導(dǎo)電溝道，同 時再加上漏源電壓UDS0，導(dǎo)電溝 道形狀會變成逐漸減小的楔形形狀. 這是因?yàn)閁DS使得柵極與溝道不同位 置間的電位差變得不同，靠近源極一 端的電位差最大為UGS；靠近漏極一 端的電位差最小為UGD=UGSUDS， 反型層為楔型的不均勻分布。 40 1.4 . 2 工作原理工作原理-4-4 改變柵極電壓UGS，就能改變導(dǎo)電溝道的厚薄和 形狀，即改變導(dǎo)電溝道的電阻值，實(shí)現(xiàn)對漏極 電流ID的控制作用。與三極管的不同之處是： 三極管是由I

14、B來控制IC的，是電流控制元件。 場效應(yīng)管是由UGS來控制ID的，故為電壓控制元件， UGS對ID的控制能力可通過跨導(dǎo)gm來表示。 gm=UDS=常數(shù) 當(dāng)UDS繼續(xù)增加，UGD=UGSUDS減小，溝道在接近漏極 處消失，結(jié)果楔形導(dǎo)電溝道如圖所示，這時的狀態(tài) 稱為預(yù)夾斷。預(yù)夾斷不是完全將導(dǎo)電溝道夾斷，而是 允許電子在導(dǎo)電溝道的窄縫中以高速流過，保證溝道 電流的連續(xù)性。管子預(yù)夾斷后，UDS在較大范圍內(nèi)變化 時，ID基本不變，進(jìn)入恒流區(qū)。 增強(qiáng)型場效應(yīng)NMOS管導(dǎo)通的條件為：UGSUGS(TH) UDS UGS0 | GS D U I GS D U I 41 1.4.3 1.4.3 場效應(yīng)管特性曲線

15、場效應(yīng)管特性曲線 1轉(zhuǎn)移特性 在UDS一定時，漏極電流ID與柵源電壓 UGS之間的關(guān)系ID=f(UGS) 當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓時， 漏極電流為零 （0UGSUGS(TH)，ID=0） 開啟電壓增強(qiáng)型場效應(yīng)管剛開始形成導(dǎo)電溝道的臨界電壓UGS(TH) 夾斷電壓耗盡型場效應(yīng)管導(dǎo)電溝道剛開始斷開的臨界電壓UGSOFF 開啟和夾斷電壓的極性！ 當(dāng)柵源電壓大于開啟電壓時（UGSUGS(TH)），漏極與柵極之間有了導(dǎo)電溝 道，產(chǎn)生漏極電流ID，隨著UGS增加，導(dǎo)電溝道加寬，溝道電阻減小，漏極 電流ID隨著UGS增加而迅速增加。反映了柵源電壓UGS的對漏極電流ID控制作用 42 1 1.4.6 .4.6

16、輸出特性（漏極特性）輸出特性（漏極特性） （1）可變電阻區(qū)（）： UGS控制著場效應(yīng)管的溝道寬度，UGS一定時，溝 道電阻基本不變。 隨著UDS的增加，ID近似線形地增加。D、S間可等效成一個由UGS 控制的可變電阻。 （2）恒流區(qū)（）：場效應(yīng)管已經(jīng)進(jìn)入預(yù)夾斷狀態(tài)，UDS增加，ID只略有增 加，ID的大小主要受UGS控制，可以把ID近似等效成一個受UGS控制 的電流源，且ID隨著UGS線形增長，故又稱為線形放大區(qū)。 （3）擊穿區(qū)（）：隨著UDS進(jìn)一步增加到一定的數(shù)值時，漏極與襯底的 反向PN結(jié)被擊穿，ID突然迅速上升，功耗急劇增大。 ID=f(UDS)|UGS= 常數(shù) 43 1.4.3 1.4

17、.3 直流直流主要參數(shù)主要參數(shù) 1開啟電壓UGS(TH)：增強(qiáng)型MOS管的UDS為一定 值時，產(chǎn)生某 一微小電流ID所需要|UGS|的最小值 。 2夾斷電壓UGSOFF：耗盡型MOS管的UDS為一定 值時，使ID 等于某一微小電流所對應(yīng)的|UGS|值 。 3飽和漏極電流IDSS：耗盡型，UGS=0，管子發(fā) 生預(yù)夾斷 時的漏極電流。 （測試條件： UGS=0，U DS=10V時的ID= IDSS） 4直流輸入電阻RGS：表示柵極和源極的直流電阻 。 絕緣柵型的柵、源極之間是二氧化硅的絕緣 層， RGS可高達(dá)1091017。 44 1.4.3 1.4.3 交流主要參數(shù)交流主要參數(shù) 1跨導(dǎo)gm：表示柵源電壓UGS對漏極電流ID控制作 用的大小的 參數(shù)。在UDS在一定數(shù)值的條件下，UGS的微 小變化量引 起的I D微小變化量的比值。單位為A/V或 mA/V。 gm=UDS=常數(shù) 2.交流輸出電阻： | GS D U I