第一章：半導(dǎo)體器件

第一章半導(dǎo)體器件§1.1

半導(dǎo)體的基本知識§1.2

PN

結(jié)§1.3

晶體二極管§1.4

半導(dǎo)體三極管§1.5

場效應(yīng)晶體管1緒論模擬信號的特點(diǎn)：在時(shí)間上和幅值上都是連續(xù)的，并且，在一定動態(tài)范圍內(nèi)可以取得任意值。模擬電路：處理模擬信號的電子電路2§1.1半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體基本知識導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的特點(diǎn)：當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯增加。3§1.1.1

本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)GeSi現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。4硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對+4表示除去價(jià)電子后的原子5二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。62.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。7因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子同時(shí)也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達(dá)到一種動態(tài)平衡狀態(tài)。本征激發(fā)和復(fù)合的過程三、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度

8§

1.1.2

雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，因摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加,所以半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。P型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。N型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。9+4+4+5+4多余電子施主原子摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。因此自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。一、N型半導(dǎo)體10二、P型半導(dǎo)體+4+4+3+4空穴受主原子摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度。因此空穴稱為多數(shù)載流子（多子），自由電子稱為少數(shù)載流子（少子）。11三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的濃度（N型半導(dǎo)體）（P型半導(dǎo)體）12§1.2PN結(jié)1－2－1PN

結(jié)的形成將半導(dǎo)體一側(cè)參雜成P型，另一側(cè)參雜成N型，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。漂移運(yùn)動：載流子在電場作用下形成的定向運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動：載流子從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動13P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E漂移運(yùn)動擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。14－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0151、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N區(qū)

中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動（擴(kuò)散運(yùn)動）。3、P

區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:16－－－－++++RE1、PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。1-2-2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?72、PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE18

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴＝Y(jié)論：19

3PN結(jié)伏安特性其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）20

1-2-3、

PN結(jié)的溫度特性正向特性：反向特性：TIVTISIIS的作用遠(yuǎn)大于VTI21

1-2-4

PN結(jié)的反向擊穿根據(jù)擊穿機(jī)理

分類：

雪崩擊穿條件：低摻雜、高

齊納擊穿條件：高摻雜，PN結(jié)的擊穿特性

反壓低反壓時(shí)就會發(fā)生22－－－－－++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P+型區(qū)電位VV0－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－非對稱結(jié)空間電荷區(qū)伸向低摻雜的一側(cè)23+雪崩擊穿:內(nèi)電場外電場NP_RE－－－－－－－－++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)++++++++－－－－－－－－在空間電荷區(qū)產(chǎn)生碰撞電離，有大量載流子參與導(dǎo)電24+齊納擊穿:內(nèi)電場外電場NP_RE空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++25UD>7V發(fā)生雪崩擊穿擊穿特性的好處：發(fā)生擊穿以后，PN結(jié)兩端反壓保持恒定，而流過的電流可以在較大的范圍內(nèi)變動，可以利用這個(gè)性質(zhì)制作穩(wěn)壓二極管。UD<4V發(fā)生齊納擊穿4V<UD<7V兩種擊穿都可能發(fā)生PN結(jié)的擊穿特性26負(fù)載電阻。要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動時(shí)，負(fù)載電壓基本不變。穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax

。求：電阻R和輸入電壓ui

的正常值?！匠?27令輸入電壓降到下限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin

。——方程2uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程1、2，可解得：281勢壘電容CT

勢壘電容的示意圖1-2-5PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)電容分類：勢壘電容、擴(kuò)散電容偏壓改變的時(shí)候，空間電荷區(qū)存在電荷的存儲效應(yīng)29

擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的濃度梯度分布曲線。（發(fā)生在中性區(qū)）2擴(kuò)散電容CD

反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容的示意圖如下頁所示。（只存在于正偏時(shí)）30擴(kuò)散電容示意圖P區(qū)31

§1-3晶體二極管PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線外殼線觸絲線基片點(diǎn)接觸型PN結(jié)面接觸型PN二極管的電路符號：32半導(dǎo)體二極管圖片33

1-3-1伏安特性UI導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.8V,鍺管0.1~0.3V。反向擊穿電壓UB二極管特性曲線VrUIVB理想二極管特性曲線34RLuiuo二極管的應(yīng)用二極管半波整流uiuott35發(fā)光二極管有正向電流流過時(shí)，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。36基本結(jié)構(gòu)PNP型§1.4晶體三極管NPN型BECNN+P基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)參雜濃度低、面積大較薄、中參雜濃度參雜濃度高、面積較集電區(qū)小集電極發(fā)射極PNP+基極BCEBBECBEC371-4-1三極管工作原理載流子傳輸過程一、載流子的傳輸過程1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子2、電子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合3、集電極收集電子從外部看:VCCVEERCECBIBNNN+PIENIEPICNICBOICIEIBRE①②③④⑤38二、共基極的電流分配關(guān)系共基極直流電流傳輸系數(shù)：一般因此IE可控，受控于正偏的發(fā)射結(jié)；共基極電流傳輸方程改變正偏電壓時(shí)，和正偏電壓有關(guān)的電流都會成比例的增加；39BJT的控制作用：40總結(jié)：（1）BJT的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達(dá)集電極而實(shí)現(xiàn)的。保證傳輸過程需要內(nèi)部條件和外部條件。（2）BJT內(nèi)各個(gè)電流之間有確定的分配關(guān)系，所以，只要輸入電流（IE）給定，輸出電流和電壓便基本確定。輸入信號首先通過發(fā)射結(jié)的電壓變化改變輸入電流（IE），再利用（IE）的變化去控制（IC）。41共射極的電流分配關(guān)系VCCVEEECBIBNNN+PIENIEPICNICBOICIEIB①②③④⑤共射放大器＋I(xiàn)B＋△

IB△UiVCCRCVEE△UoIC＋△

IC－因?yàn)榭梢缘玫剑?2四、共射接法的電流分配及放大作用共射放大器＋I(xiàn)B＋△

IB△UiVCCRCVEE△UoIC＋△

IC－43一、共射輸入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.60.8UCE=0VUCE=0.5V1.4.3三極管的伏安特性曲線1、UCE=0:發(fā)射結(jié)集電結(jié)都正偏2、UCE=0~0.6V:發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)正偏電壓逐漸減小3、UCE>1V:發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)正偏44共射放大器UoVCC＋I(xiàn)BRCVEEIC－＋－UCE＋－UBE45二、共射輸出特性uCE(V)36912iC(mA)1234IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足iC=iB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）此區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)，此區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)，5uCE=uBE461、飽和區(qū)：兩個(gè)結(jié)均為正偏，隨著的減小，將迅速減小,電流傳輸方程已經(jīng)不滿足。2、放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，僅僅決定于，而與無關(guān)3、截止區(qū)：兩個(gè)PN結(jié)均為反偏，放大的線性很差，管子沒有了放大能力。

471-4-3、主要參數(shù)一.極限參數(shù)1.集電極最大允許電流ICM：2.集電極最大允許功耗PCM：3.擊穿電壓：二.直流參數(shù)1.共基直流電流放大系數(shù)2.共射直流電流放大系數(shù)3.極間反向電流：481.共基交流放大倍數(shù)三.交流參數(shù)2.共射交流放大倍數(shù)491.對集-基極反向截止電流ICBO的影響AICBOICBO是集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。1-4-4三極管的溫度特性一般可以近似認(rèn)為：每升溫10°，

ICBO增大一倍。50溫度升高時(shí)，對于正向偏置的發(fā)射結(jié)，如果保持正向電流iE不變，那么正偏電壓必須要減小。無論硅管還是鍺管，每升溫1°，減小2～2.5mV/℃，可以表示為：3、溫度對的影響：溫度升高會使晶體管的增大，工程上面可以表示為：也就是說，溫度每升高一度，值增加

2.溫度對發(fā)射結(jié)正偏電壓的影響51場效應(yīng)晶體管(FET)分類:N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)§1-5場效應(yīng)管場效應(yīng)管(FET)與雙極型晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。52結(jié)構(gòu)1-5-1結(jié)型場效應(yīng)管:DGSN基底：N型半導(dǎo)體P+兩邊是P區(qū)G(柵極)S源極D漏極導(dǎo)電溝道P+53GSDuGSNPPiDuGSGSDNPPiDuGS＝0uGS＝2V一、工作原理（以N溝道為例）1、uDS＝0,iD與uGS的關(guān)系54GSDuGSNPPiDuDS=0uGS達(dá)到一定值時(shí)（夾斷電壓VP）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時(shí)，即使uDS

0V，漏極電流iD=0A。uGS＝4V55iD2、uGS＝0,iD與uDS的關(guān)系NGSDuDSNPPiDuDS＝0uDS＝-VP56ID負(fù)柵壓時(shí)（uGS<0）,iD與uDS的關(guān)系N57二、伏安特性曲線1.輸出特性(1)可變電阻區(qū)（uDS<uGS

-VP）uGS-

uDS=VP形成預(yù)夾斷軌跡，所以可變電阻區(qū)沒有夾斷發(fā)生（uDS<uGS–VP）58(2)放大區(qū)（uDS>uGS

-VP）（uDS>uGS

-VP）(3)截止區(qū)（uGS

<VP）2.轉(zhuǎn)移特性VP59三、結(jié)型場效應(yīng)管的參數(shù)

1.直流參數(shù)

(1)夾斷電壓

VP(或VGS(off))

當(dāng)VGS=VGS(off)時(shí)，管子全部夾斷，漏極電流iD為零。（2）飽和漏極電流IDSS

當(dāng)VGS=0，并且uDS>

uGS

–VP＝–VP所對應(yīng)的漏極電流iD，也就是剛剛被全部夾斷時(shí)的iD（3）直流輸入電阻RGS

反偏PN結(jié)的電阻，反偏時(shí)RGS約大于107Ω60

（1）低頻跨導(dǎo)gm

跨導(dǎo)反映了柵壓對漏極電流的控制作用

2.微變參數(shù)

因?yàn)?/p>

61（2）漏極輸出電阻rds

（3）極間電容

3、極限參數(shù)

（1）

最大漏極電流IDM：（2）

最大允許功耗PDM：（3）

擊穿電壓：漏源擊穿電壓柵源擊穿電壓62小結(jié)：（1）JFET是利用uGS

所產(chǎn)生的電場變化來改變溝道電阻的大小，即利用電場效應(yīng)控制溝道中流通的電流大小。（2）場效應(yīng)管為一個(gè)電壓控制型的器件。（3）在N溝道JFET中，VP為負(fù)值。在P溝道JFET中，VP為正值。63例在圖示電路中，已知場效應(yīng)管的；問在下列三種情況下，管子分別工作在那個(gè)區(qū)？(a)uGS=-8V,uDS=4V,(b)uGS=-3V,uDS=4V,(c)uGS=-3V,uDS=1V,解（a）因?yàn)閡GS<VP,管子工作在截止區(qū)。GDSVDD＋iGRDVGGiD－＋－uDS＋－uGSRGuDGGDS64（b）因?yàn)閡DG=

uDS–uGS=7VuDG>∣VP∣管子工作在放大區(qū)（c）因?yàn)閡DG=

uDS–uGS=4VuDG<∣VP∣管子工作在可變電阻區(qū)65

結(jié)型場效應(yīng)管的缺點(diǎn)：1.柵源極間的電阻雖然可達(dá)107以上，但在某些場合仍嫌不夠高。3.柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時(shí)，將出現(xiàn)較大的柵極電流。絕緣柵場效應(yīng)管可以很好地解決這些問題。2.在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。66絕緣柵型場效應(yīng)管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)。分為增強(qiáng)型N溝道、P溝道uGS=0時(shí)iD=0耗盡型N溝道、P溝道uGS=0時(shí)iD=01-5-2絕緣柵場效應(yīng)管（MOS)一N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)

:67GSDN溝道增強(qiáng)型PNNGSD＋＋GSDP溝道增強(qiáng)型NPPGSD＋＋68PN+SGDN+以P型半導(dǎo)體作襯底形成兩個(gè)PN結(jié)SiO2保護(hù)層引出兩個(gè)電極引出兩個(gè)電極引出柵極Al從襯底引出電極69二、

工作原理

uDS

電路連接圖PN+SGDN+–++–uGS

701．uGS

>0,uDS

=0PN+SGN+iD=0D–++–產(chǎn)生垂直向下的電場uDS

uGS

71PN+SGN+iD=0D–+–電場排斥空穴形成耗盡層吸引電子uGSuDS+72當(dāng)uGS

=uGS(th)時(shí)PN+SGN+iD=0D–++–形成導(dǎo)電溝道出現(xiàn)反型層uDSuGS73PN+SGN+iD>0D–++–uDS(d)溝道反型層呈楔形(b)沿溝道有電位梯度當(dāng)uGS

>uGS(th）

,uDS>0時(shí)(c)不同點(diǎn)的電場強(qiáng)度不同,左高右低(a)漏極電流iD>0uDS增大，iD增大。74a.uDS升高溝道變窄PN+SGN+iD>0D–+–uDS反型層變窄uGSuDS75b.當(dāng)uGD

=uGS-uDS=uGS(th）時(shí)uDSPN+SGN+iD>0D–++–uDS溝道在漏極端夾斷管子預(yù)夾斷uGS76c.當(dāng)uDS進(jìn)一步增大iD基本保持恒定uDSPN+SGN+D–++–uDS溝道夾斷區(qū)延長(b)管子進(jìn)入恒流區(qū)uDSuGSiD>077N溝道增強(qiáng)型MOS管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線

iD=f(uGS)uDS=const輸出特性曲線iD=f(uDS)uGS=const78N溝道耗盡型GSDGSDP溝道耗盡型PNNGSD予埋了導(dǎo)電溝道++NPPGSD予埋了導(dǎo)電溝道++79二、耗盡型N溝道MOS管耗盡型的MOS管uGS=0時(shí)就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓才能夾斷，uGS=VP。(a)結(jié)構(gòu)示意圖(b)轉(zhuǎn)移特性曲線80輸出特性曲線iDuDS0uGS=0uGS<0uGS>0區(qū)別：N溝道結(jié)型管工作在負(fù)柵壓，耗盡型MOS管在零柵壓就可以工作。81三、P溝道MOSFET

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。

☆不論增強(qiáng)型還是耗盡型，對于P溝道器件，ID為空穴電流。因而uDS必為負(fù)值，為了保證PN結(jié)反偏，襯底必須接在電路的高電位上；對于N溝道器件，ID為電子電流。因而uDS必為正值，為了保證PN結(jié)反偏，襯底必須接在電路的低電位上。

☆就uGS而言，增強(qiáng)型是單極性的，N溝道為正，P溝道為負(fù)，而耗盡型可正可負(fù)；不論增強(qiáng)型還是耗盡型，N溝道器件，uGS越向正值方向增大，ID越大；P溝道器件，uGS越向負(fù)值方向增大，ID越大；82總結(jié)（一）半導(dǎo)體的基本知識

1、本征半導(dǎo)體2、本征激發(fā)與復(fù)合3、空穴4、雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體（二）PN結(jié)的基本特性

1、PN結(jié)是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體相結(jié)合形成的空間電荷區(qū)，又叫耗盡區(qū)。2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕篜N結(jié)外加正向電壓時(shí)，耗盡區(qū)變窄，有電流流過；外加反壓時(shí)，耗盡區(qū)變寬，沒有電流流過或電流很小。833、PN結(jié)的V－I特性4、PN結(jié)方向擊穿：雪崩擊穿：發(fā)生在低摻雜的PN結(jié)，擊穿電壓較高；齊納擊穿：發(fā)生在高摻雜的PN結(jié)，擊穿電壓較低；5、PN結(jié)電容：勢壘電容：發(fā)生在勢壘區(qū)，正偏和反偏時(shí)都會發(fā)生，擴(kuò)散電容：發(fā)生在P區(qū)和N區(qū)，反偏時(shí)發(fā)生，84正偏時(shí)主要是擴(kuò)散電容，反偏時(shí)主要是勢壘電容（三）半導(dǎo)體二極管

1、二極管正向V—I特性模型

(1)理想模型：正偏時(shí)壓降為0，反偏時(shí)電阻為無窮大，流過的電流為0