模电-第一章常用半导体器件

1、 第第1章章 目录目录第第1章章 第第1章章 1.11.1.1 本征半导体本征半导体n载流子：运载电荷的粒子载流子：运载电荷的粒子n和导体导电的区别：和导体导电的区别：n导体导电只有一种载流子导体导电只有一种载流子自由电自由电子导电子导电n本征半导体导电有两种载流子本征半导体导电有两种载流子自自由电子和空穴均参与导电由电子和空穴均参与导电1.1.2 杂质半导体杂质半导体nN型半导体型半导体电子型半导体电子型半导体n掺入少量的五价元素（磷）掺入少量的五价元素（磷）多子多子电子电子少子少子空穴空穴施主原子施主原子杂质（正离子）杂质（正离子）nP型半导体型半导体空穴型半导体空穴型半导体n掺入少量的三

2、价元素（硼）掺入少量的三价元素（硼）多子多子空穴空穴少子少子电子电子受主原子受主原子杂质（负离子）杂质（负离子）第第1章章 1.1 用不同的参杂工艺将用不同的参杂工艺将P型半导体和型半导体和N型半型半，在这两个区，在这两个区域的交界处就形成了一个域的交界处就形成了一个PN结结。 第第1章章 1.1：2、 当当P极外加负向电压，极外加负向电压，N极外加正向电压时，称极外加正向电压时，称PN结外加负向电结外加负向电压（压（），）， PN结截止。（少子漂移运动形成负结截止。（少子漂移运动形成负向电流，少子数目极少，电流极小）向电流，少子数目极少，电流极小） 1、 当当P极外加正向电压，极外加正向电压

3、，N极外加负向电压时，称极外加负向电压时，称PN结外加正向结外加正向电压（电压（），）， PN结导通。结导通。 （多数载流子的（多数载流子的扩散运动增强，形成正向电流）扩散运动增强，形成正向电流）第第1章章 1.1由理论分析可得由理论分析可得) 1(TUuseIi其中：其中：Is为反向饱和电流；为反向饱和电流； UT为温度电压当量。为温度电压当量。 常温下（常温下（T=300K），）， UT=26mV。第第1章章 1.10i ( mA)u ( V)正向特性正向特性PN结外加正向电压，且结外加正向电压，且 u UT时（时（1可略）可略）TUuseIi 反向反向特性特性UBRsIi当当PN结外加负

4、向电压，结外加负向电压，且且 |u | UT时时( (指数项指数项可略）可略）UBR为反向击穿电压为反向击穿电压IS第第1章章 1.1 在掺杂浓度高的情况下，不大的反向电压在掺杂浓度高的情况下，不大的反向电压可以在耗尽层产生很强的电场，直接破坏共价键，形可以在耗尽层产生很强的电场，直接破坏共价键，形成电子成电子-空穴对，导致电流急剧增加。空穴对，导致电流急剧增加。掺杂浓度低，当反向电压比较大时，耗尽掺杂浓度低，当反向电压比较大时，耗尽层中的少子加快漂移速度，撞击共价键，形成电子层中的少子加快漂移速度，撞击共价键，形成电子-空穴对，新的电子和空穴在电场的作用下加速运动，空穴对，新的电子和空穴在电

5、场的作用下加速运动，撞出新的价电子。载流子雪崩式倍增，导致电流急剧撞出新的价电子。载流子雪崩式倍增，导致电流急剧增加。增加。 1. PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容称为势垒电容，用成的电容称为势垒电容，用 Cb 来表示。来表示。（势垒电容不是常数，与（势垒电容不是常数，与PN结的面积、空间电荷区的宽度结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压的大小有关。）和外加电压的大小有关。） 第第1章章 1.1在一定条件下，在一定条件下，PN结具有电容效应。结具有电容效应。 非平衡少子在扩散过程中存在浓度差，电荷非平衡少子在扩散过程中存在浓度差，电荷量随外加电

6、压变化而变化。所形成的电容效应称量随外加电压变化而变化。所形成的电容效应称为扩散电容，用为扩散电容，用 Cd 与来示。与来示。 (非平衡少子：外加正向电压时，从非平衡少子：外加正向电压时，从P区扩散到区扩散到N区的空穴区的空穴和和N区扩散到区扩散到P区的电子称为非平衡少子。区的电子称为非平衡少子。) PN结正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可以结正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可以忽略不计。忽略不计。2. 第第1章章 1.1第第1章章 1.2 将将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，由成了半导体二极管，由P区引出的电极为阳极，

7、区引出的电极为阳极，N区区引出的电极为阴极。引出的电极为阴极。点接触型二极管 阳极引线金属丝N型锗外壳阴极引线PN结二极管的符号阳极阴极 阳极引线SiO2保护层P型硅型硅阴极引线 平面型二极管N型硅型硅第第1章章 1.20I / mAU / V正向特性正向特性反向击反向击穿特性穿特性反向特性反向特性UON 和和PN结相比，二极管具有半导体结相比，二极管具有半导体体电阻和引线电阻，外加电压相同时，体电阻和引线电阻，外加电压相同时，二极管的电流比二极管的电流比PN结的电流小。因结的电流小。因存在表面漏电流，二极管的反向电流存在表面漏电流，二极管的反向电流比比PN结大。）结大。） UBR材材料料开启

8、电压开启电压UON （V）导通电压导通电压（V）反向饱和电流反向饱和电流（ A）硅硅0.50.6 0.8 0,Ubc Vb Ve对于对于PNP型三极管应满足型三极管应满足: : Ube 0，即，即 Vc Vb ICBO， 1，所以，所以： IC IB IE （ 1+ ）IB第第1章章 1.3ECNII可得：可得：有：有：11CBOECIII，共基极基本放大电路共基极基本放大电路基极接地基极接地, ,发射极电流为输入发射极电流为输入, ,集电极电流为输出。集电极电流为输出。BCiiECii在一定范围内可认为在一定范围内可认为 ， 。通常，通常， 的取值在的取值在几十几十一百多倍之间为好。一百多倍

9、之间为好。iB = f (uBE )UC E = 常数常数第第1章章 1.3iBuBE0UCE 1V0V 0.5V UCE=0，特性曲线与，特性曲线与PN结的结的伏安特性类似。伏安特性类似。 UCE 增大，电场的作用使曲线增大，电场的作用使曲线右移。右移。 当当UCE 增大到一定值增大到一定值(1V)后，后，曲线右移将不再明显。曲线右移将不再明显。IB =40AIB =60AIB增加增加0uCE iC IB 减小减小IB = 20AIB = 常数常数IC = f (uCE )第第1章章 1.3 对于每个确定的对于每个确定的IB均有一条曲线，均有一条曲线，输出特性是一组曲线族。输出特性是一组曲线

10、族。 对于一条固定的曲线，随着对于一条固定的曲线，随着UCE的的增加，增加，iC逐渐增加，当逐渐增加，当UCE增大到一定增大到一定的程度，的程度， iC 几乎不变，几乎不变， iC仅仅决定于仅仅决定于ib。第第1章章 1.3 uCE = uBE第第1章章 1.3( (以共射电路为例以共射电路为例） ( (发射结正向偏置且集发射结正向偏置且集电结反向偏置电结反向偏置) )工作区域工作区域外部条件外部条件特点特点IB=0， iC0 (iCICEO)uBE Uon 且且uCE uBE（发射结电压小于开启（发射结电压小于开启 电压且集电结反偏）电压且集电结反偏） iC = IB(i(iC C仅仅由仅仅

11、由I IB B决定决定) )uBE Uon 且且uCE uBE（发射结和集电结均（发射结和集电结均 正向偏置）正向偏置）uBE Uon 且且uCE uBE iC IB(i(iC C随随uCE的增大而增大的增大而增大) )uCE = uBE即即uCB = 0iCS = IBS第第1章章 1.3 。其数。其数值一般为：值一般为：小功率管约小功率管约0.2 0.3V;大功率管常为大功率管常为1V或或1V以以上。上。 第第1章章 1.3共射交流电流系数共射交流电流系数 2.共基交流电流系数共基交流电流系数特征频率特征频率fT因存在结电容，交流电流放大系数是输入信号频率的因存在结电容，交流电流放大系数是

12、输入信号频率的 函数函数 下降且产生相移下降且产生相移。)使使 的数值下降为的数值下降为1时输入时输入 信号频率称为信号频率称为 = iC iE = iC iB 共射直流电流系数共射直流电流系数 2.共基直流电流系数共基直流电流系数ICEO， ICBO， ICEO=（1+ ）ICBO IC IB IC IE PCM= iC uCE=常数常数 （ 决定于温升。决定于温升。T硅硅 150、 T锗锗 70性能明显变坏）性能明显变坏）第第1章章 1.3 UCBO UCEO UEBO使使 明显下降的明显下降的iC即为即为ICM （合金小功率管选（合金小功率管选uCE=1v,由由PCM定义定义ICM)高（

13、几十高（几十上千伏）上千伏） 较高较高 低（零点几伏低（零点几伏几伏）几伏）第第1章章 1.3 温度每升高温度每升高10，ICBO约增加约增加一倍。一倍。硅管比锗管受温度影响小得多。硅管比锗管受温度影响小得多。 由于半导体材由于半导体材 料存在热敏性，晶体管的所有参数几乎料存在热敏性，晶体管的所有参数几乎均与温度有关，使用中必须解决温度稳定性问题。均与温度有关，使用中必须解决温度稳定性问题。 温度升高正向特性左移。温度每温度升高正向特性左移。温度每升高升高1， |uBE|约下降约下降22.5mV.第第1章章 1.3 温度升高时，温度升高时， 增加增加。 （iC的变化量增大。的变化量增大。 iC

14、 iC）IB1、IB2、IB3=IB1、IB2、IB3第第1章章 1.3 。 其功能可以等效一个光电其功能可以等效一个光电二极管和一只晶体管相连。二极管和一只晶体管相连。ec符号符号ce等效电路等效电路第第1章章 1.3光电三极管的输出特性与光电三极管的输出特性与普通三极管的输出特性曲普通三极管的输出特性曲线类似，只是用入射光强线类似，只是用入射光强度度E取代基极电流取代基极电流I IB B。 第第1章章 1.4场效应管输入回路内阻很高场效应管输入回路内阻很高(1071012 )，热稳定性好，噪，热稳定性好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。声低，比晶体管耗电小，应用广泛。：第第1章章 1.4

15、 N沟道结型场效应管是在沟道结型场效应管是在同一块同一块N型半导体上制作两个型半导体上制作两个高掺杂的高掺杂的P区，将它们连接在区，将它们连接在一起引出电极一起引出电极。N型半型半导体分别引出导体分别引出、，P区和区和N区的交界面形成耗尽区的交界面形成耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层称为导电沟。层称为导电沟。N沟道结构示意图沟道结构示意图SiO2N源极源极S栅极栅极G漏极漏极D NNPPN沟道符号沟道符号dsg第第1章章 1.4dsgP沟道符号沟道符号第第1章章 1.4(保证耗尽层承受反向电压保证耗尽层承受反向电压) (以形成漏极电流）以形成漏极电流）这样既保证了栅源

16、之间的电阻这样既保证了栅源之间的电阻很高，又实现了很高，又实现了ugs对沟道电流对沟道电流iD的控制。的控制。dsgP耗尽层耗尽层N导电沟道导电沟道结构示意图结构示意图(以以N沟道为例加以说明沟道为例加以说明)当当uGS=0时，耗时，耗尽层很窄尽层很窄,导电导电沟道宽。沟道宽。当当| uGS |增大时，耗增大时，耗尽层增宽，沟道变尽层增宽，沟道变窄，电阻增大。窄，电阻增大。| uGS |增加到某一数值增加到某一数值,耗耗尽层闭和尽层闭和,沟道消失沟道消失,沟道沟道电阻趋于无穷大。电阻趋于无穷大。定义此时定义此时uGS的值为的值为UGS（off） 第第1章章 1.4 当当 uDS =0时，虽有导

17、电时，虽有导电沟道，但沟道，但iD为零。为零。 当当uDS 0时时，产生，产生iD，从，从而使而使沟道中各点和栅极电沟道中各点和栅极电压不再相等压不再相等，近漏极电压，近漏极电压最大，近源极电压最小。最大，近源极电压最小。 导电沟道宽度不再相等，导电沟道宽度不再相等，近漏极沟道窄，近源极沟近漏极沟道窄，近源极沟道宽。道宽。dsgVDD(uDS)VGG(uGS)iD第第1章章 1.4dsgVDD(uDS)VGG(uGS)iD 随着随着uDS增加，栅增加，栅-漏电压漏电压uGD绝对值增加绝对值增加（uGD=uGS-uDS），近），近漏端沟道进一步变窄。漏端沟道进一步变窄。 随着随着uDS 的的增加

18、，增加， iD线性线性增加增加,。 第第1章章 1.4dsgVDD(uDS)VGG(uGS)iD当当uGD = uGS - uDS = UGS（off）时时,靠近漏极出现夹断点靠近漏极出现夹断点。 称称uGD= UGS（off）为为。第第1章章 1.4dsgVDD(uDS)VGG(uGS)iD 若若uDS 继续增加，当继续增加，当uGD UGS（off） 时（未夹断前）时（未夹断前）,对于不同的对于不同的uGS ，漏源之间等，漏源之间等效成不同阻值的电阻，效成不同阻值的电阻， iD随随uDS 的增加的增加 线性线性增加增加。（对应可。（对应可变电组区）变电组区）uGD= UGS（off） 时，

19、漏源之间预夹断。时，漏源之间预夹断。uGD UGS（off） 时，时， iD几乎只决定于几乎只决定于uGS，而与而与uDS 无关，可以无关，可以把把iD近似看成近似看成uGS控制的电流源。控制的电流源。 （对应恒流区，即放大区）（对应恒流区，即放大区）GSDmuig 场效应管动态的栅场效应管动态的栅-源电压对漏极电流的控制作用采源电压对漏极电流的控制作用采用用gm表示。表示。第第1章章 1.4iD = f (uDS )uGS = 常数常数、此外还有击穿区。（电流突然增大）此外还有击穿区。（电流突然增大）第第1章章 1.4：预夹断：预夹断轨迹轨迹右右 边区域。边区域。 条件：条件： uGD UG

20、S（off）。）。 特点：可通过改变特点：可通过改变uGS大大 小来改变漏源间电阻值。小来改变漏源间电阻值。第第1章章 1.4： 导电沟道被夹断。导电沟道被夹断。 条件：条件：uGS UGS（off） 特点：特点： iD= 0当当uDS增加到一定程度，电流突然增大，管子将被击穿。增加到一定程度，电流突然增大，管子将被击穿。一般将使一般将使iD等于某一个很小等于某一个很小值（如值（如5 A)时的时的uGS定义为定义为UGS（off）。）。第第1章章 1.4iD = f (uGS )UDS = 常数常数 由半导体物理分析可得恒流区由半导体物理分析可得恒流区iD近似表达式为：近似表达式为：2)()1

21、 (offGSGSDSSDUuIi （管子工作在可变电阻区时，不同的（管子工作在可变电阻区时，不同的uDS ，转移特性曲线有很大差别。），转移特性曲线有很大差别。）30123 uGS / VUGS(off)iD /mA4IDSS12432104812UGS =0V3V4V输出特性输出特性转移特性转移特性123 1V20123 uGS / VUGs(off) uDS / V第第1章章 1.4iD /mAiD /mA44第第1章章 1.4 N沟道（沟道（ N MOS） 增强型增强型 耗尽型耗尽型 P沟道（沟道（ P MOS） 增强型增强型 耗尽型耗尽型第第1章章 1.4 通常通常衬底和源极连接在一

22、衬底和源极连接在一起使用。起使用。 栅极和衬底各相当于一个栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成极板，中间是绝缘层，形成电容。电容。 栅栅-源电压改变时，将改变源电压改变时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的多少，从而控制漏极电流的大小。的大小。P型硅衬底型硅衬底源极源极S 栅极栅极G漏极漏极D 衬底引线衬底引线BN+N+SiO2DBSGN沟道符号沟道符号第第1章章 1.4DBSGP沟道符号沟道符号第第1章章 1.4D与与S之间是两个之间是两个PN结反向串联，结反向串联，无论无论D与与S之间加什么极性的电之间加什么极性的电压，压， iD =

23、0。P耗尽层耗尽层衬底衬底BN+N+SGD由于绝缘层由于绝缘层SiO2的存在，栅极电流为零。的存在，栅极电流为零。栅极金属层将聚集大量正电栅极金属层将聚集大量正电荷，排斥荷，排斥P型衬底靠近型衬底靠近SiO2的的空穴，形成耗尽层。空穴，形成耗尽层。第第1章章 1.4耗尽层增宽耗尽层增宽,同时将衬底的自同时将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间。形成间。形成N型薄层，称为反型层。型薄层，称为反型层。这个反型层就构成了漏源之间的这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。导电沟道。 uGS越大，反型层越厚，导电越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。沟道电阻越小。 P衬底衬底B

24、N+N+SGD反型层反型层。 第第1章章 1.4将产生一定的漏极电流将产生一定的漏极电流iD 。沟道中各点对栅极电沟道中各点对栅极电压不再相等，导电沟道宽压不再相等，导电沟道宽度不再相等，沿源度不再相等，沿源-漏方向漏方向逐渐变窄。逐渐变窄。 iD随着的随着的增加而线性增增加而线性增大。大。P衬底衬底BN+N+SGD第第1章章 1.4随着随着uDS的增大，的增大， uGD减小，减小，当当uDS增大到增大到uGD 时时 ，导电沟道在漏极一端产生夹导电沟道在漏极一端产生夹断，称为断，称为。 P衬底衬底BN+N+SGD 若若uDS继续增大，夹断区延长。继续增大，夹断区延长。漏电流漏电流iD几乎不变化

25、，管子几乎不变化，管子进入恒流区，进入恒流区，iD几乎仅仅决几乎仅仅决定于定于uGS 。此时可以把此时可以把iD近似近似看成看成uGS控制的电流源。控制的电流源。第第1章章 1.40uGS = UGS(th)iD /mA0恒流区恒流区击穿区击穿区可变电阻区可变电阻区uGS / V2UGS(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 uDS / ViD /mA MOS管工作区域：可变电阻区，恒流区、夹断区管工作区域：可变电阻区，恒流区、夹断区(及击穿及击穿区）区）。UGS(th)IDOuGS = 2UGS(th)夹断区夹断区IDO第第1章章 1.42)()1(thGSGSDODUuIiIDO是是uG

26、S = 2UGS(th)时的时的iD。第第1章章 1.4结构示意图结构示意图P源极源极S漏极漏极D 栅极栅极GB耗尽层耗尽层N+N+正离子正离子反型层反型层SiO2 制造时制造时, ,在在sio2绝缘层中绝缘层中掺入大量的正离子掺入大量的正离子, ,即使即使uGS=0=0，在正离子的作用下，源，在正离子的作用下，源- -漏之间也存在导电沟道。只要漏之间也存在导电沟道。只要加正向加正向 ，就会产生，就会产生iD。 只有当只有当小于某一值时，小于某一值时，才会使导电沟道消失，此时的才会使导电沟道消失，此时的称为夹断电压称为夹断电压 。第第1章章 1.4dBsgN沟道符号沟道符号dBsgP沟道符号沟

27、道符号N型硅衬底型硅衬底N+BSGD。耗尽层耗尽层PMOS管结构示意图管结构示意图P沟道沟道PMOS管与管与NMOS管互管互为对偶关系，使用时为对偶关系，使用时VGS 、VDS的极性也与的极性也与NMOS管相反。管相反。 P+P+VGSVDSID第第2 2章章 2. 6DBSG增强型符号增强型符号dBsg耗尽型符号耗尽型符号第第1章章 1.4结型结型N沟道沟道结型结型P沟道沟道NMOS增强型增强型NMOS耗尽型耗尽型PMOS增强型增强型PMOS耗尽型耗尽型 在一定的在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的最小栅下，开始出现漏极电流所需的最小栅- -源电压。源电压。 它是增强型它是增强型MOS管

28、的参数。（管的参数。（NMOS管管为正，为正，PMOS管管为负）为负） 在一定的在一定的uDS下，使漏极电流近似等于零时所需的栅下，使漏极电流近似等于零时所需的栅-源电压。源电压。 是结型场效应管和耗尽型是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数（管的参数（NMOS管为负，管为负， PMOS管为正）。管为正）。栅栅- -源电压与栅极电流的比值，其值很高源电压与栅极电流的比值，其值很高, ,一般为一般为107-1010左右。左右。第第1章章 1.4对于耗尽型对于耗尽型MOS管管,在在uGS =0情况下产生情况下产生 预夹断时的漏极电流。预夹断时的漏极电流。gm= iD / uGS UDS =常数常数

29、gm是衡量场效应管栅是衡量场效应管栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重要源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。参数。 第第1章章 1.6管子工作在恒流区并且管子工作在恒流区并且 UDS为常数时，漏极电流的微变量与引为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅起这个变化的栅-源电压的微变量之比称为低频跨导源电压的微变量之比称为低频跨导,即即场效应管三个极之间均存在极间电容。通常，栅场效应管三个极之间均存在极间电容。通常，栅-源和栅源和栅-漏电容漏电容约为约为1-3pF，而源，而源-漏电容约为漏电容约为0.1-1pF (高频电路应考虑）。高频电路应考虑）。第第1章章 1.4管子正常工作时漏极电流的上限值。管子正常工作时漏极电流的上限值。管子进入恒流区后，使漏极电流骤然增加的管子进入恒流区后，使漏极电流骤然增加的UDS称为漏称为漏-源源击穿电压击穿电压U(BR)DS。 (对于结型场效应管，使栅极与沟道间反向击穿的对于结型场效应管，使栅极与沟道间反向击穿的UGS称称为栅为栅-源击穿电压源击穿电压U(BR)GS。) ( 对于绝缘栅型场效应管，使绝缘栅层击穿的