第一章：半导体器件

第一章半导体器件§1.1

半导体的基本知识§1.2

PN

结§1.3

晶体二极管§1.4

半导体三极管§1.5

场效应晶体管1绪论模拟信号的特点：在时间上和幅值上都是连续的，并且，在一定动态范围内可以取得任意值。模拟电路：处理模拟信号的电子电路2§1.1半导体的基本知识半导体基本知识导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。半导体的特点：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增加。3§1.1.1

本征半导体一、本征半导体的结构特点GeSi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。4硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子5二、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，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、自由电子和空穴这一现象称为本征激发，也称热激发。62.本征半导体的导电机理+4+4+4+4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。7因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子同时也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示。本征激发和复合在一定温度下会达到一种动态平衡状态。本征激发和复合的过程三、本征半导体中载流子的浓度

8§

1.1.2

杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，因掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加,所以半导体的导电性能发生显著变化。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）。9+4+4+5+4多余电子施主原子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。因此自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。一、N型半导体10二、P型半导体+4+4+3+4空穴受主原子掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，空穴浓度远大于自由电子浓度。因此空穴称为多数载流子（多子），自由电子称为少数载流子（少子）。11三、杂质半导体的浓度（N型半导体）（P型半导体）12§1.2PN结1－2－1PN

结的形成将半导体一侧参杂成P型，另一侧参杂成N型，经过载流子的扩散和漂移运动，在它们的交界面处就形成了PN结。漂移运动：载流子在电场作用下形成的定向运动扩散运动：载流子从浓度高的地方向浓度低的地方运动13P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。14－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0151、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区

中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P

区中的电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:16－－－－++++RE1、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。1-2-2PN结的单向导电性172、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE18

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

结论：PN结具有单向导电性。结论：19

3PN结伏安特性其中IS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）20

1-2-3、

PN结的温度特性正向特性：反向特性：TIVTISIIS的作用远大于VTI21

1-2-4

PN结的反向击穿根据击穿机理

分类：

雪崩击穿条件：低掺杂、高

齐纳击穿条件：高掺杂，PN结的击穿特性

反压低反压时就会发生22－－－－－++++++++++++空间电荷区N型区P+型区电位VV0－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－非对称结空间电荷区伸向低掺杂的一侧23+雪崩击穿:内电场外电场NP_RE－－－－－－－－++++++++空间电荷区N型区P型区++++++++－－－－－－－－在空间电荷区产生碰撞电离，有大量载流子参与导电24+齐纳击穿:内电场外电场NP_RE空间电荷区N型区P型区－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++25UD>7V发生雪崩击穿击穿特性的好处：发生击穿以后，PN结两端反压保持恒定，而流过的电流可以在较大的范围内变动，可以利用这个性质制作稳压二极管。UD<4V发生齐纳击穿4V<UD<7V两种击穿都可能发生PN结的击穿特性26负载电阻。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax

。求：电阻R和输入电压ui

的正常值。——方程127令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin

。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：281势垒电容CT

势垒电容的示意图1-2-5PN结的电容效应PN结电容分类：势垒电容、扩散电容偏压改变的时候，空间电荷区存在电荷的存储效应29

扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的浓度梯度分布曲线。（发生在中性区）2扩散电容CD

反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如下页所示。（只存在于正偏时）30扩散电容示意图P区31

§1-3晶体二极管PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：32半导体二极管图片33

1-3-1伏安特性UI导通压降:硅管0.6~0.8V,锗管0.1~0.3V。反向击穿电压UB二极管特性曲线VrUIVB理想二极管特性曲线34RLuiuo二极管的应用二极管半波整流uiuott35发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。36基本结构PNP型§1.4晶体三极管NPN型BECNN+P基极发射极集电极发射结集电结参杂浓度低、面积大较薄、中参杂浓度参杂浓度高、面积较集电区小集电极发射极PNP+基极BCEBBECBEC371-4-1三极管工作原理载流子传输过程一、载流子的传输过程1、发射区向基区注入电子2、电子在基区扩散与复合3、集电极收集电子从外部看:VCCVEERCECBIBNNN+PIENIEPICNICBOICIEIBRE①②③④⑤38二、共基极的电流分配关系共基极直流电流传输系数：一般因此IE可控，受控于正偏的发射结；共基极电流传输方程改变正偏电压时，和正偏电压有关的电流都会成比例的增加；39BJT的控制作用：40总结：（1）BJT的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。保证传输过程需要内部条件和外部条件。（2）BJT内各个电流之间有确定的分配关系，所以，只要输入电流（IE）给定，输出电流和电压便基本确定。输入信号首先通过发射结的电压变化改变输入电流（IE），再利用（IE）的变化去控制（IC）。41共射极的电流分配关系VCCVEEECBIBNNN+PIENIEPICNICBOICIEIB①②③④⑤共射放大器＋IB＋△

IB△UiVCCRCVEE△UoIC＋△

IC－因为可以得到：42四、共射接法的电流分配及放大作用共射放大器＋IB＋△

IB△UiVCCRCVEE△UoIC＋△

IC－43一、共射输入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.60.8UCE=0VUCE=0.5V1.4.3三极管的伏安特性曲线1、UCE=0:发射结集电结都正偏2、UCE=0~0.6V:发射结正偏、集电结正偏电压逐渐减小3、UCE>1V:发射结正偏、集电结正偏44共射放大器UoVCC＋IBRCVEEIC－＋－UCE＋－UBE45二、共射输出特性uCE(V)36912iC(mA)1234IB=020A40A60A80A100A此区域满足iC=iB称为线性区（放大区）此区域为饱和区，此区域为截止区，5uCE=uBE461、饱和区：两个结均为正偏，随着的减小，将迅速减小,电流传输方程已经不满足。2、放大区：发射结正偏、集电结反偏，仅仅决定于，而与无关3、截止区：两个PN结均为反偏，放大的线性很差，管子没有了放大能力。

471-4-3、主要参数一.极限参数1.集电极最大允许电流ICM：2.集电极最大允许功耗PCM：3.击穿电压：二.直流参数1.共基直流电流放大系数2.共射直流电流放大系数3.极间反向电流：481.共基交流放大倍数三.交流参数2.共射交流放大倍数491.对集-基极反向截止电流ICBO的影响AICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。1-4-4三极管的温度特性一般可以近似认为：每升温10°，

ICBO增大一倍。50温度升高时，对于正向偏置的发射结，如果保持正向电流iE不变，那么正偏电压必须要减小。无论硅管还是锗管，每升温1°，减小2～2.5mV/℃，可以表示为：3、温度对的影响：温度升高会使晶体管的增大，工程上面可以表示为：也就是说，温度每升高一度，值增加

2.温度对发射结正偏电压的影响51场效应晶体管(FET)分类:N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)§1-5场效应管场效应管(FET)与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。52结构1-5-1结型场效应管:DGSN基底：N型半导体P+两边是P区G(栅极)S源极D漏极导电沟道P+53GSDuGSNPPiDuGSGSDNPPiDuGS＝0uGS＝2V一、工作原理（以N沟道为例）1、uDS＝0,iD与uGS的关系54GSDuGSNPPiDuDS=0uGS达到一定值时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使uDS

0V，漏极电流iD=0A。uGS＝4V55iD2、uGS＝0,iD与uDS的关系NGSDuDSNPPiDuDS＝0uDS＝-VP56ID负栅压时（uGS<0）,iD与uDS的关系N57二、伏安特性曲线1.输出特性(1)可变电阻区（uDS<uGS

-VP）uGS-

uDS=VP形成预夹断轨迹，所以可变电阻区没有夹断发生（uDS<uGS–VP）58(2)放大区（uDS>uGS

-VP）（uDS>uGS

-VP）(3)截止区（uGS

<VP）2.转移特性VP59三、结型场效应管的参数

1.直流参数

(1)夹断电压

VP(或VGS(off))

当VGS=VGS(off)时，管子全部夹断，漏极电流iD为零。（2）饱和漏极电流IDSS

当VGS=0，并且uDS>

uGS

–VP＝–VP所对应的漏极电流iD，也就是刚刚被全部夹断时的iD（3）直流输入电阻RGS

反偏PN结的电阻，反偏时RGS约大于107Ω60

（1）低频跨导gm

跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用

2.微变参数

因为

61（2）漏极输出电阻rds

（3）极间电容

3、极限参数

（1）

最大漏极电流IDM：（2）

最大允许功耗PDM：（3）

击穿电压：漏源击穿电压栅源击穿电压62小结：（1）JFET是利用uGS

所产生的电场变化来改变沟道电阻的大小，即利用电场效应控制沟道中流通的电流大小。（2）场效应管为一个电压控制型的器件。（3）在N沟道JFET中，VP为负值。在P沟道JFET中，VP为正值。63例在图示电路中，已知场效应管的；问在下列三种情况下，管子分别工作在那个区？(a)uGS=-8V,uDS=4V,(b)uGS=-3V,uDS=4V,(c)uGS=-3V,uDS=1V,解（a）因为uGS<VP,管子工作在截止区。GDSVDD＋iGRDVGGiD－＋－uDS＋－uGSRGuDGGDS64（b）因为uDG=

uDS–uGS=7VuDG>∣VP∣管子工作在放大区（c）因为uDG=

uDS–uGS=4VuDG<∣VP∣管子工作在可变电阻区65

结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。66绝缘栅型场效应管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)。分为增强型N沟道、P沟道uGS=0时iD=0耗尽型N沟道、P沟道uGS=0时iD=01-5-2绝缘栅场效应管（MOS)一N沟道增强型MOSFET结构

:67GSDN沟道增强型PNNGSD＋＋GSDP沟道增强型NPPGSD＋＋68PN+SGDN+以P型半导体作衬底形成两个PN结SiO2保护层引出两个电极引出两个电极引出栅极Al从衬底引出电极69二、

工作原理

uDS

电路连接图PN+SGDN+–++–uGS

701．uGS

>0,uDS

=0PN+SGN+iD=0D–++–产生垂直向下的电场uDS

uGS

71PN+SGN+iD=0D–+–电场排斥空穴形成耗尽层吸引电子uGSuDS+72当uGS

=uGS(th)时PN+SGN+iD=0D–++–形成导电沟道出现反型层uDSuGS73PN+SGN+iD>0D–++–uDS(d)沟道反型层呈楔形(b)沿沟道有电位梯度当uGS

>uGS(th）

,uDS>0时(c)不同点的电场强度不同,左高右低(a)漏极电流iD>0uDS增大，iD增大。74a.uDS升高沟道变窄PN+SGN+iD>0D–+–uDS反型层变窄uGSuDS75b.当uGD

=uGS-uDS=uGS(th）时uDSPN+SGN+iD>0D–++–uDS沟道在漏极端夹断管子预夹断uGS76c.当uDS进一步增大iD基本保持恒定uDSPN+SGN+D–++–uDS沟道夹断区延长(b)管子进入恒流区uDSuGSiD>077N沟道增强型MOS管的特性曲线转移特性曲线

iD=f(uGS)uDS=const输出特性曲线iD=f(uDS)uGS=const78N沟道耗尽型GSDGSDP沟道耗尽型PNNGSD予埋了导电沟道++NPPGSD予埋了导电沟道++79二、耗尽型N沟道MOS管耗尽型的MOS管uGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断，uGS=VP。(a)结构示意图(b)转移特性曲线80输出特性曲线iDuDS0uGS=0uGS<0uGS>0区别：N沟道结型管工作在负栅压，耗尽型MOS管在零栅压就可以工作。81三、P沟道MOSFET

P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。

☆不论增强型还是耗尽型，对于P沟道器件，ID为空穴电流。因而uDS必为负值，为了保证PN结反偏，衬底必须接在电路的高电位上；对于N沟道器件，ID为电子电流。因而uDS必为正值，为了保证PN结反偏，衬底必须接在电路的低电位上。

☆就uGS而言，增强型是单极性的，N沟道为正，P沟道为负，而耗尽型可正可负；不论增强型还是耗尽型，N沟道器件，uGS越向正值方向增大，ID越大；P沟道器件，uGS越向负值方向增大，ID越大；82总结（一）半导体的基本知识

1、本征半导体2、本征激发与复合3、空穴4、杂质半导体(1)N型半导体(2)P型半导体（二）PN结的基本特性

1、PN结是由P型半导体和N型半导体相结合形成的空间电荷区，又叫耗尽区。2、PN结的单向导电性：PN结外加正向电压时，耗尽区变窄，有电流流过；外加反压时，耗尽区变宽，没有电流流过或电流很小。833、PN结的V－I特性4、PN结方向击穿：雪崩击穿：发生在低掺杂的PN结，击穿电压较高；齐纳击穿：发生在高掺杂的PN结，击穿电压较低；5、PN结电容：势垒电容：发生在势垒区，正偏和反偏时都会发生，扩散电容：发生在P区和N区，反偏时发生，84正偏时主要是扩散电容，反偏时主要是势垒电容（三）半导体二极管

1、二极管正向V—I特性模型

(1)理想模型：正偏时压降为0，反偏时电阻为无穷大，流过的电流为0