第二章常用半导体器件基础剖析

1、1 主讲主讲 孟孟 秀秀 玲玲 2EDAEDA实验库使用说明实验库使用说明 本课件嵌入电子自动化设计本课件嵌入电子自动化设计EDAEDA实验库实验库( (Muitisim 2001或或EWB5.12) )，用于对电路进行，用于对电路进行仿真实验。仿真实验。 安装方法：安装方法：插入插入EDA光盘，安装程序后，将图形光盘，安装程序后，将图形月牙月牙( (或苹果或苹果) )超级链接到超级链接到C盘的盘的Muitisim exe或或 将将EDA实验库置于根目录下，实验库置于根目录下，便于查找。便于查找。操作方法：操作方法：课件课件在放映状态下，单击月牙尖在放映状态下，单击月牙尖(或或苹果苹果) ，进

2、入，进入EDA软件，按软件，按“打开打开”选项，在选项，在根目录下，找到根目录下，找到EDAEDA实验库，再寻找对应的实实验库，再寻找对应的实验项目。验项目。6Muitisim 2001EWB5.1234567独特的导电特性独特的导电特性 3.3.掺入微量元素掺入微量元素导电能力导电能力814 +硅原子结构硅原子结构 4+简化模型简化模型纯净的具有晶体结构的半导体。纯净的具有晶体结构的半导体。价电子价电子9 4 4 4 4 4 410 4 4 4 4 4 411 4 4 4 4 4 412 4 4 4 4 4 4自由自由电子电子空穴空穴13 4 4 4 4 4 4自由自由电子电子空穴空穴14

3、4 4 4 4 4 4自由自由电子电子电电 场场电子流电子流15 4 4 4 4 4 4电子递补电子递补空穴流空穴流电电 场场16 4 4 4 4 4 4电电 场场空穴流空穴流电子流电子流1718 4 4 4 4 4 5+5 19 4 4 4 4 4 5+5 4N型半导体示意图型半导体示意图20 4 4 4 4 4 3+3 21 4 4 4 4 4 3+3 P型半导体示意图型半导体示意图22232425N区区P区区负离子负离子空穴空穴正离子正离子电子电子一、一、PN结的形成结的形成26空间电荷区空间电荷区（耗尽层）（耗尽层）内电场内电场P区区N区区扩散运动扩散运动浓度差造成运动。浓度差造成运动

4、。复合复合自由电子填补空穴，两者同时消失的现象。自由电子填补空穴，两者同时消失的现象。漂移运动漂移运动载流子在电场力作用下的运动。载流子在电场力作用下的运动。27 空间电荷区空间电荷区（耗尽层）（耗尽层）内电场内电场P区区N区区浓度差浓度差多子多子扩散运动扩散运动复合复合产产生生内电场内电场阻碍阻碍多子扩散多子扩散有利有利少子少子漂移运动漂移运动扩散运动和漂移运扩散运动和漂移运动达到动达到动态平衡动态平衡形成一定宽度形成一定宽度PN结结28NPP N结结内电场内电场29NPP N结结内电场内电场30内电场内电场RE外电场外电场P区区N区区IDPN结结31REP区区N区区I反反PN结结内电场内电

5、场外电场外电场32由半导体物理可推出由半导体物理可推出：1)(eTS UUIITeSUUII SII 33CjPN+Rui34353637 的导电特性的导电特性 二、二、PNPN结的形成结的形成五、五、PNPN结的结电容结的结电容四、四、PNPN结的电流方程结的电流方程三、三、PNPN结的单向导电性结的单向导电性六、六、PNPN结的反向击穿结的反向击穿38第三节第三节半导体二极管半导体二极管394041阳极阳极阴极阴极PN符号符号42 ：43 外壳外壳阴极引线阴极引线N N型锗片型锗片N N型硅型硅二氧化硅保二氧化硅保护层护层底座底座N型硅型硅金锑合金锑合金金铝合金铝合金小球小球PNPN结结4

6、4ID电流不电流不为零为零RVIDVI反反R45i(mA)u(V)O) 1(TDSD UueIi46i(mA)u(V)O死区死区UOn47i(mA)u(V)OISUBR死区死区UOn48i(mA)u(V)OISUBRUOn归纳归纳)1(TDSD UueIi49i(mA)u(V)Oc20c80I反反UD1UD25051QQDIUR QDDQDDDddiuiur QmVQTD26IIUr 52uitOuOtOui+-uO-+RL53。其值越小，单向导电性越。其值越小，单向导电性越好，好，IR与温度有关。与温度有关。i(mA)u(V)OIRUBR硅硅几几 A锗锗几十几十几百几百 A 54CPN+Ru

7、iM55Oiu S56OiuUOnUOn57IOUO-+UD-+RUVIDOIO = V / R = 6 / 6 = 1 (mA)UO = V UD = 6 0.7 = 5.3 (V)IO = UO / R = 5.3 / 6 = 0.88 (mA)解解:6 V6K58IUr DOuUTUTrD59IDuR-+UD-+ui+-OiDuDQiDuDIDuDiD60iDuR-+uD-+ui+-OiDuDQiDuDID iD uD+rjrSCj61 阳极阳极阴极阴极UZ iuiOIZmanIZmin uDz62UBRZUZ iuiOIZmanIZmin uZZZIUr 63变压整整流流滤滤波波稳稳压

8、压64uLtOui+-uitOuL-+RL65 uL 负半周，负半周，Ua Ub 二极管二极管VD 截止截止 。+u2abVDRLu tOiDOt U2 +uLiDuLOt 2202DC45. 022)(sin21UUttdUUm 220V50Hz UDC66VD1VD2VD4VD3RLRL习惯画法习惯画法VD1VD4u2uL220V50Hz67l交流正半周时交流正半周时:D1、D3导通导通,输出正半周输出正半周l交流负半周时交流负半周时:D2、D4导通，输出正半周导通，输出正半周l交流周期性变化时：交流周期性变化时：输出连续半波输出连续半波+-+-+-u2uL220V50Hz+-+-VD1V

9、D2VD4VD3RLuL t068uL+-u2RLVD1VD2VD4VD3220V50Hz2220DC9 . 022)(sin21UUttdUU +Cu2t 0uL t0uL t069uL+-u2RLVD1VD2VD4VD3220V50Hz+CT2Tt0u2 uL= uCu2uC=uL关键看关键看V VD1两两端电位大小端电位大小70uL+-u2RLVD1VD2VD4VD3220V50Hz+CT2Tt0u2 uL= uCu2uC=uL2715uitouOto3+-+-uiuO-+372+-+-uiuO-+uououiuRuitt73EDA实验实验74二极管限幅电路EDA实验实验75限幅作用。限

10、幅作用。无限幅电路无限幅电路去掉去掉1V限幅电路限幅电路去掉去掉2V限幅电路限幅电路EDA实验实验76CRVD+_ui+_uO+_uCt1t2otot-2Um+_uiUm+_uO77ui1ui2uo已知已知: 求：求： +5VRD导通开关合导通开关合D截止开关断截止开关断78 ui1与与ui2为相同电平时，为相同电平时，D1、D2均导通均导通分析思路分析思路ui1ui2uo1V0.3V0.3V3V3V3.7V+5VR79ui1ui2uo0.3V3V1Vui1与与ui2为不同电平时为不同电平时二极管钳位作用二极管钳位作用+5VR分析思路分析思路80变压整整流流滤滤波波稳稳压压 180240V整流

11、设备有内阻，负载变，整流设备有内阻，负载变，uO变变81复习复习阳极阳极阴极阴极UZ iuiOIZMIZ uDz82 +Ui-UoUZ+-RVDzRL限流作用限流作用调节作用调节作用RiLiZiR83EDA实验实验84稳压管稳压电路EDA实验实验85R uO1K5%7.024V 1K80%6.916VEDA实验实验8687半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名国家标准对半导体器件型号的命名88归纳归纳二极管二极管8990 二极管的单向导电性二极管的单向导电性 二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性二极管的应用二极管的应用二极管二极管91P83 2 6、28 29、

12、210 211 92第五节第五节半导体三极管半导体三极管93阳极阳极阴极阴极PNPNN是什么是什么?949596bceNPN型型NNP97PPNPNP型型98几百微米几百微米几微米几微米ebc99归纳归纳100101 102放大区放大区饱和区饱和区截止区截止区e结结正向偏置正向偏置 正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置c结结反向偏置反向偏置 正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置103三种组态三种组态共射放大器共射放大器CE共基放大器共基放大器CC共集放大器共集放大器CB输出端口输出端口输入端口输入端口ebebeb104+-UCB+-UCE+-UBENNPbecNPbceRbUBB+-RC+-UCCRC

13、Rb+-UCCUBB+-共射放大器接法共射放大器接法105+-UCB+-UCE+-UBEPPNbecRbRC+-UCCRCRbbceUBB+-+-UCCUBB+-106VCVbVe VCVbVeUBE硅硅0.60.8V锗锗0.10.3VUCB UCEUCB UBE UCEbce+-UCB+-UCE+-UBEUBB+-UCC+-RCRb1073.5V 2.8V 12V类型：类型：材料：材料：电极：电极：bceUBE解题思路+-UCB+-UCE+-UBE+-UCC+-RCRbUBB108NNPbecNPRCRe共基放大器接法共基放大器接法IBICIEUBE+-UCB+-RCReUBE+-UCB+-

14、109NPN型：型：IC、 IB流入，流入， IE流出流出PNP型：型：IC、 IB流出，流出， IE流入流入IBIEICRCRB+-UCCUBB+-共基放大器接法共基放大器接法共射放大器接法共射放大器接法IBICIERCReUBE+-UCB+-110输出端口输出端口输入端口输入端口ebebeb共射放大器共射放大器共基放大器共基放大器共集放大器共集放大器111ECBOECIIII ECII 199.095.0 eb IC IE输出端口输出端口输入端口输入端口BCBOBC)1(IIII BCII IC输出端输出端口口输入端口输入端口eb IBIB112BCEOBE)1 ()1 ()1 (IIII

15、 IE输出端口输出端口输入端口输入端口 IBebIC113114115ECc极极b极极e极极NPNc结结e结结RB BEB BRC116载流子运动载流子运动形成的电流形成的电流BCCBOBNCBOCNEIIIIIII 117ECc极极b极极e极极NPNc结结e结结RB BEB BRCICBOICIBIEI CNI BNI EN118ui uBE变变 iE变变 iB小变化小变化iC大变化大变化 uRC变变 将小信号放大将小信号放大iBiEiCuBEuiUCC+-RCUBB+-RbuO119ECRCEBRBc极极b极极e极极NPNc结结e结结IBICIEI ENI CNICBOI BNuoui+-

16、120ECRCRBc极极b极极e极极NPNc结结e结结IENICNICBOIBNICIEIBuoui+-121BCEIII 复合复合收集收集发射发射BCII 122 内部条件内部条件放大的条件放大的条件外部条件外部条件iBiEiCuBEVCC+-RCVBB+-Rbui归纳归纳uO123归纳归纳（共共集集）（共共基基）共共射射BCBOBEECEOECBCBOBCBCE)1()1()()1(IIIIIIIIIIIIIII ECII BCII 124)1()1(TBCTBECSESFC UuUueIeIi )1()1(TBCTBECSESE UuRUueIeIi BCEiFiRiCiERiRFiFi

17、BuBCuBE125U2I2U1I1分析方法：分析方法：126IBICUCE+-+-UBERBRCRW+-UCCUBB+-AmAVV实验数据描绘实验数据描绘127常常数数 CE)(BEBUufiIBICUCE+-+-UBERBRCRW+-UCCUBB+-AmAVVUCE=3VUCE=0ViB(mA)uBE(V)OUCE 1ViB(mA)uBE(V)Oe结相当一个二结相当一个二极管极管,但要受输但要受输出出UCE的影响的影响128ubeuce=3Vib(mA)uBE(V)0uce=1VibNNPbecRbUBB+-RC+-UCC129常数B)(CECIufiIBICUCE+-+-UBERBRCR

18、W+-UCCUBB+-AmAVVIB1=0IB2=20AIB3=40IB4=60IB5=80IB6=1000uCE(V)iC(mA)1234369121300IB=0A10A20A30AuCE(V)iC(mA) uCE iCNNPbecRbUBB+-RC+-UCC131IB1=0IB2=20AIB3=40IB4=60IB5=80IB6=1000uCE(V)iC(mA)123436912+-UCB+-UCE+-UBE+-UCC+-RCRbUBB132 IB IC uCE IC40A4060A2 . 23BC mII0IB=0A20A40A60AuCE(V)iC(mA)3691212341330I

19、B=0A20A40A60AuCE(V)iC(mA)369121234UA134IC1IB1IC2IB2 IB IC0uCE(V)iC(mA)135放大区放大区饱和区饱和区截止区截止区e结结正向偏置正向偏置 正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置c结结反向偏置反向偏置 正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置+-UCB+-UCE+-UBE+-UCC+-RCRbUBB136UCE0.1V时：时：EM方程方程:141EM方程方程:TBCTBECSESFCUuUueIeIi CSCIi CSESFC)1(TBEIeIiUu uBE0 、uBC0uBE 0 、uBC0 、uBC0)1()1(TBCTBECSESFC

20、UuUueIeIi IE1=0IE2=-1mAIE3=-2mAIE4=-3mAIE5=-4mAIE6=-5mAuCB(V)0iC(mA)5101520142IE1=0IE2=-1mAIE3=-2mAIE4=-3mAIE5=-4mAIE6=-5mAuCB(V)0iC(mA)5101520143( (一一) )直流参数直流参数1.共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数_BCII 可通过器件手册查找可通过器件手册查找 ECII 2.共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数 1 1443.极间反向电流极间反向电流ICBO，ICEO衡量衡量ICBO+-VCC+-VCCICEOCBOCEO)1(II 1

21、45常数 CEBCUii 常数 CBECUii ( (二二) ) 交流参数交流参数0 01 1fTo of146+-UCB+-UCE+-UBE+-UCC+-RCRbUBB PCM=iC.uCE ， m m 321473.级间反向击穿电压级间反向击穿电压i(mA)u(V)oU(BR)+-UCB+-UCE+-UBE+-UCC+-RCRbUBB三极管有两三极管有两个个PN结结 148OIB=0A102030UCE(V)IC(mA)最大集电最大集电极电流极电流最大集电极最大集电极耗散功率耗散功率U(BR)CEO级间反向击穿电压级间反向击穿电压安安全全工工作作区区安全工作区安全工作区149参参 数数型型

22、 号号 PCM mW ICM mAUCBO,B V V V ICBO A f T MHz3AX31D 125 125 20 126* * 83BX31C 125 125 125 125 40 40 24 246 6* * 8 83CG101C 100 100 30 30 45 450.10.1 100 1003DG123C 500 500 50 50 40 40 30 300.350.353DD101D 5A 5A 5A 5A 300 300 250 2504 42 2mA3DK100B 100 100 30 30 25 25 15 150.10.1 300 3003DKG23250250W

23、30A 30A 400 400 325 325 8 8UCEO,BUEBO,B150Q点变化点变化10/ )(1CBOCBO12)()(TTooCTICTI 151CmTUo/V5 . 2BEO CTo/%)1%5 . 0(1 152tuiOtuOO1.1.放大放大VBB10VRCRbVCCui+-+-uCE(uo)153+-uCE(uo)ui+-RCRb10VUCC154tuiOtuoO截截 饱饱 截截 饱饱 截截+-uCE(uo)ui+-RCRb10VUCC155 EDA实验实验156单管放大电路EDA实验实验157EDA实验实验158159 三极管的三极管的二、三极管的伏安特性曲二、三极

24、管的伏安特性曲线及工作区域线及工作区域三极管的电流关系三极管的电流关系 IEIBIC ICIB（1）ICBOIB160P83 2 12、214 215 161162 三极管缺点：三极管缺点：421010 场效应管优点：场效应管优点：1271010 结型结型 绝缘栅型绝缘栅型场效应管场效应管JFETMOSFETFET。163164PD铝铝SN N+ +N N+ + 简称简称MOS管管由金属、由金属、氧化物、半导体组成。氧化物、半导体组成。BG三个电极三个电极 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管栅极和其它电极隔着栅极和其它电极隔着绝缘层绝缘层SiO2 。165PD铝铝P P型硅衬底型硅衬底SN N+ +

25、N N+ +耗尽层耗尽层绝缘层绝缘层衬底引线衬底引线BG166衬底衬底GDSB衬底衬底GDSBN N沟道沟道P P沟道沟道167PD铝铝SN N+ +N N+ +BGNPN168金属板金属板绝绝缘层缘层P P型衬底型衬底耗尽层耗尽层反型层反型层 金属层金属层聚集正电荷，排斥衬聚集正电荷，排斥衬底里的空穴，剩下负底里的空穴，剩下负离子，形成耗尽层。离子，形成耗尽层。 电场将电电场将电子吸引到半导体表面，子吸引到半导体表面，形成反型层，即构成导形成反型层，即构成导电沟道。电沟道。衬底衬底GB169UGS,th开启电压（阈值开启电压（阈值电压、门限电压电压、门限电压DGSP P型硅衬底型硅衬底N N

26、+ +N N+ +衬底衬底GDS170两种导电沟道两种导电沟道N沟道沟道P沟道沟道两种类型两种类型P P型硅衬底型硅衬底DGSN N+ +N N+ +171+ +- -UGSP P型硅衬底型硅衬底DGSN N+ +N N+ +IDUDS172+ +- -UGSP P型硅衬底型硅衬底DGSN N+ +N N+ +IDUDS 173预夹断状态。此时预夹断状态。此时UGD等等于于UGS,th。+ +- -UGSP P型硅衬底型硅衬底DGSN N+ +N N+ +IDUDS174栅漏极电流栅漏极电流（栅流）为（栅流）为0，输入输入电阻电阻RGS很高。很高。衬底衬底GDS+ +- -UGSP P型硅衬底

27、型硅衬底DGSN N+ +N N+ +IDUDS175预夹断轨迹预夹断轨迹对应的对应的:uDS=uGS- UGS,thiD(mA)uDS(V)o oUGS= 2VUGS= 3VUGS= 4VUGS= 5V176预夹断轨迹预夹断轨迹iD(mA)uDS(V)o oUGS= 2VUGS= 3VUGS= 4VUGS= 5V2thGS,GSD)(uuKi W/L沟道的宽长比沟道的宽长比LWKLWCK22OXn 其其中中：177预夹断轨迹预夹断轨迹iD(mA)uDS(V)o oUGS= 2VUGS= 3VUGS= 4VUGS= 5V2offGS,GS1DSSD UUII)1()(DS2thGS,GSDuu

28、uKi 178可变电阻区可变电阻区: 预夹断轨迹预夹断轨迹iD(mA)uDS(V)o oUGS= 2VUGS= 3VUGS= 4VUGS= 5VLWKLWCK22OXn 其其中中：GSthGS,GSD)(2uuuKi 曲线近似为直线曲线近似为直线,iD随随uDS线性变化，等效为线性变化，等效为漏漏-源电阻，改变源电阻，改变改改179夹断区夹断区: iD=0,失去放大作用。失去放大作用。预夹断轨迹预夹断轨迹iD(mA)uDS(V)o oUGS= 2VUGS= 3VUGS= 4VUGS= 5V击穿区击穿区: 180归纳归纳预夹断轨迹预夹断轨迹iD(mA)uDS(V)o oUGS= 2VUGS= 3

29、VUGS= 4VUGS= 5V181OiD（mA）uGS（V）UGS（th）无沟道无沟道有沟道有沟道UDS为常为常数数预夹断轨迹预夹断轨迹iD(mA)uDS(V)o oUGS= 2VUGS= 3VUGS= 4VUGS= 5V182P P型硅衬底型硅衬底DGSN N+ +N N+ +183uGS=0时时,有导电沟道有导电沟道P P型硅衬底型硅衬底DGSN N+ +N N+ + + + + + +衬底衬底gdsBN N沟道沟道衬底衬底gdsBP P沟道沟道184P P型硅衬底型硅衬底DGSN N+ +N N+ + + + + + +1850iD（mA）uGS（V）IDSS漏极饱和电流漏极饱和电流U

30、GS=0UGS0UDS为常数为常数UGS（off）16 201248u DS（V）0iD（mA）481216186GSDGSDGSDGSD187结构结构符号符号GDS结型结型N沟道沟道GDS结型结型P沟道沟道188栅极栅极G基极基极B三个电极三个电极源极源极S发射极发射极E漏极漏极D集电极集电极CGDS189GDSUDD 栅源间加反压：栅源间加反压：UGS0，形成漏流，形成漏流iDigidUGG190GDSUDDigid1.1.导电沟道呈楔形分布导电沟道呈楔形分布: :s端最厚端最厚,d端最薄。端最薄。UGG 191GDSUDDigidUGG1920iD（mA）uGS（V）-4 -3 -2 -

31、1IDSS漏极饱漏极饱和电流和电流UDS为常数为常数UGS(off）iD(mA)uDS(V)O预夹断轨迹预夹断轨迹UGS= -4VUGS= -3VUGS= -2VUGS= -1VUGS= 0V2off,GSGSDSSD)1(uuIi offGS,2OXnDSSL2WUCI 其其中中：193194 195 196( (一一) ) 1.1.直流参数直流参数 0iD（mA）uGS（V）UGS（off）IDSS衬底衬底GDS197 2. 2.交流参数交流参数)2K(gthGS,GSmUU 常常数数 )(mBSDSGSDUUUIggdsUDS=UDSQOiD（mA）uGS（V）iDuGSIDQUGSQQ198常数常数 )(BSDmbGSDSddgUUUImmggb 常数常数常数常数 GSBSDDSdsddUUIUriD(mA)uDS(V)o oUGS= 2VUGS= 3VUGS= 4VUGS= 5VuDSiD199衬底衬底GDS200 3. 3.极限参数极限参数衬底衬底GDS20