模电半导体器件

模电半导体器件第1页/共86页教学目标了解半导体的基本特性，半导体二极管、双极型三极管、场效应管的分类、结构、基本电特性和主要技术参数等。理解本征半导体、杂质半导体、PN结、单向导电性、伏安特性、电容效应、电流放大、击穿、稳压、夹断、开启等基本概念。掌握PN结的工作原理、半导体二极管的伏安特性、双极型三极管的工作原理、电流分配关系、电流放大原理、输入特性曲线、输出特性曲线、场效应三极管的工作原理、转移特性曲线和输出特性曲线。第2页/共86页第一章常用半导体器件§1.1半导体基础知识§1.2半导体二极管§1.3晶体三极管§1.4场效应晶体管第3页/共86页§1.1半导体基础知识导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。（电阻率10-6～10-3㎝）绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。（电阻率109～1020㎝）半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓等。（电阻率10-3～109㎝）。第4页/共86页1、本征半导体定义纯净的晶体结构的半导体叫做本征半导体。无杂质稳定的结构本征半导体的结构及导电机理（以硅Si为例）第5页/共86页第6页/共86页共价键价电子共有化，形成共价键的晶格结构第7页/共86页半导体中有两种载流子:自由电子和空穴自由电子空穴第8页/共86页在外电场作用下，电子的定向移动形成电流++++++++--------第9页/共86页在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流++++++++--------第10页/共86页1.本征半导体中载流子为自由电子和空穴(金属呢？)。2.电子和空穴成对出现,浓度相等。3.由于热激发可产生电子和空穴,因此半导体的导电性和温度有关,对温度很敏感。总结第11页/共86页2杂质半导体2.1N型半导体

在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。电子----多子;空穴----少子.第12页/共86页2杂质半导体2.2P型半导体

在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。空穴----多子;电子----少子.注意杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂原子的浓度；少子的浓度决定于温度。第13页/共86页3PN结3.1PN结的形成P区N区

物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之，包括电子和空穴的扩散！第14页/共86页3.1PN结的形成在交界面，由于两种载流子的浓度差，产生扩散运动。I扩第15页/共86页3.1PN结的形成在交界面，由于扩散运动,经过复合,出现空间电荷区空间电荷区耗尽层(电荷层、势垒层)I漂第16页/共86页3.1PN结的形成当扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡，形成PN结。PN结I扩I漂第17页/共86页1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场;2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移;3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡，形成PN结。总结第18页/共86页3.2PN结的单向导电性

1)PN结外加正向电压时处于导通状态加正向电压是指P端加正电压，N端加负电压，也称正向接法或正向偏置。第19页/共86页

内电场外电场外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变窄，形成较大的扩散电流。第20页/共86页2)PN结外加反向电压时处于截止状态外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变宽，形成很小的漂移电流。第21页/共86页3.3PN结的伏安特性(小结)

正向特性反向特性反向击穿PN结的电流方程为其中，IS

为反向饱和电流，UT≈26mV，第22页/共86页3.4PN结的电容效应1）势垒电容

PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2）扩散电容

PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容：

结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！第23页/共86页§1.2半导体二极管

将PN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P区引出的电极为阳极（A），由N区引出的电极为阴极（K）。二极管的符号：PN阳极阴极

第24页/共86页将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管第25页/共86页

二极管的伏安特性及电流方程材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA开启电压反向饱和电流击穿电压温度的电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。第26页/共86页VT——温度的电压当量，VT=kT/q=T/11600=0.026V，其中k为波耳兹曼常数（1.38×10–23J/K），T为热力学温度，即绝对温度（300K），q为电子电荷（1.6×10–19C）。在常温下，VT≈26mV。第27页/共86页

二极管的伏安特性----单向导电性！

伏安特性受温度影响T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线增大1倍/10℃第28页/共86页

二极管的等效电路理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0导通时△i与△u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！1）将伏安特性折线化第29页/共86页2）微变等效电路Q越高，rd越小。

当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号作用静态电流第30页/共86页二极管直流电阻二极管的直流电阻是其工作在伏安特性上某一点时的端电压与其电流之比。图（a）电路（b）二极管伏安特性和工作点Q（c）二极管的直流电阻：第31页/共86页2.用万用表检测二极管在R100或

R1k

挡测量红表笔是(表内电源)负极，黑表笔是(表内电源)正极。

正反向电阻各测量一次，测量时手不要接触引脚。(1)

用指针式万用表检测

一般硅管正向电阻为几千欧，锗管正向电阻为几百欧；反向电阻为几百千欧。正反向电阻相差不大为劣质管。正反向电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路。1k000第32页/共86页(2)

用数字式万用表检测红表笔是(表内电源)正极，黑表笔是(表内电源)负极。2k20k200k2M20M200在

挡进行测量，当PN结完好且正偏时，显示值为PN结两端的正向压降(V)。反偏时，显示。第33页/共86页

二极管的主要参数1.最大整流电流

IF

二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压U(BR)

二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UR一般是U(BR)的一半。第34页/共86页3.反向电流

IR

指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。4.最高工作频率fM

二极管的上限频率

第35页/共86页1N54xx系列二极管参数第36页/共86页半导体器件的命名方式第一部分数字字母字母(汉拼)数字字母(汉拼)

电极数材料和极性器件类型序号规格号2—二极管3—

三极管第二部分第三部分A—锗材料N型B—锗材料P型C—硅材料N型D—硅材料P型A—锗材料PNPB—锗材料NPNC—硅材料PNPD—硅材料NPNP—普通管W—稳压管Z—整流管K—开关管U—光电管X—低频小功率管G—高频小功率管D—低频大功率管A—高频大功率管第四部分第五部分例：

2CP2AP2CZ2CW

普通硅二极管普通锗二极管硅整流二极管硅稳压二极管第37页/共86页

二极管的典型应用ttuo0ui0Dui＋－uo＋－RL应用一：画出二极管电路的输出波形（设UD=0）。整流二极管！第38页/共86页应用二：画出二极管电路的输出波形（设UD=0.7V）。0.7V0.7V-3V钳位二极管！第39页/共86页稳压二极管1）伏安特性进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流

由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。2）主要参数稳定电压UZ、稳定电流IZ最大功耗PZM＝IZMUZ动态电阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ

若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！限流电阻斜率？第40页/共86页应用三：RL为负载电阻，R限流电阻当UI变化时，由于稳压管的作用，输出UO不变。第41页/共86页特殊二极管1.光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件，其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。第42页/共86页2.发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN结构成,当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。第43页/共86页§1.3晶体三极管

一、三极管的结构和符号NPN型基区发射区集电区发射结集电结发射极基极集电极bec发射极箭头的方向为电流的方向晶体管有三个极、三个区、两个PN结。第44页/共86页小功率管中功率管大功率管第45页/共86页二、晶体管的电流放大原理

放大是对模拟信号最基本的处理。晶体管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真的放大输出，放大的对象是变化量。

晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流。共射放大电路第46页/共86页

扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散第47页/共86页IBBECNNPVBRBVccIEICIC晶体管实质上是一个电流控制器！穿透电流集电结反向电流直流电流放大系数交流电流放大系数电流分配关系:第48页/共86页三极管具有电流放大作用的条件：内部条件

发射区多数载流子浓度很高；基区很薄，掺杂浓度很小；集电区面积很大，掺杂浓度低于发射区。外部条件

发射结加正向偏压（发射结正偏）；集电结加反向偏压（集电结反偏）。思考题：三极管发射极和集电极能否互换？第49页/共86页三、晶体管的共射特性曲线UCEIC+-UBEIB+-

实验线路mAAVVRBECEBRC第50页/共86页1.输入特性IB(A)UBE(V)20406080工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。

死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。第51页/共86页2.输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。IC只与IB有关，IC=IB。第52页/共86页IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。2.输出特性第53页/共86页IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。2.输出特性第54页/共86页输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<开启电压，IB=0，IC=ICEO

0

第55页/共86页iCiBRBRCVCCvOvi++--三极管工作状态判断方法：①当vBE＜0.7V时，截止≥0.7V时，放大或饱和第56页/共86页iCiBRBRCVCCvOvi++--三极管工作状态判断方法（续）：②当vBC＜0时，放大≥0时，饱和第57页/共86页0.7V4V00.7V0.3V004V0【例1】判断以下三极管的工作状态。放大饱和截止四、典型题第58页/共86页【例2】现已测得某电路中几只晶体管三个极的直流电位如下，各晶体管开启电压均为0.5V。试判断各管的工作状态。放大放大饱和截止第59页/共86页五、温度对晶体管特性的影响晶体管对温度的变化敏感！第60页/共86页六、主要参数

直流参数：、、ICBO、ICEOc-e间击穿电压最大集电极电流最大集电极耗散功率，PCM＝iCuCE安全工作区

交流参数：β、α、fT（使β＝1的信号频率）

极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO第61页/共86页

场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。1.结型场效应管符号结构示意图栅极漏极源极导电沟道特点：单极型管、噪声小、抗辐射能力强、低电压工作§1.4场效应管第62页/共86页Ugs作用于整个沟道沟道最宽沟道变窄沟道消失称为夹断UGS（off）此时，Uds=0栅-源电压Ugs对导电沟道宽度的控制作用：第63页/共86页漏-源电压Uds对漏极电流的影响：uGS＞UGS（off）且不变，VDD增大，iD增大。预夹断uGD＝UGS（off）VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。uGD>UGS（off）uGD<UGS（off）此时，Ugs≠0第64页/共86页第65页/共86页g-s电压控制d-s的等效电阻输出特性：预夹断轨迹，uGD＝UGS（off）可变电阻区恒流区iD几乎仅决定于uGS击穿区夹断区（截止区）夹断电压IDSSΔiD

不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。低频跨导：第66页/共86页夹断电压漏极饱和电流转移特性：场效应管工作在恒流区，有uGS＞UGS（off）且uGD＜UGS（off）。uDG＞－UGS（off）有夹断有沟道第67页/共86页2绝缘栅型场效应管

由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达109以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0

时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。第68页/共86页2.1N沟道增强型MOS场效应管1.结构P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引线B栅极G2.工作原理

绝缘栅场效应管利用UGS

来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。SGDB第69页/共86页工作原理分析：以N沟道增强型为例PNNGSDUDSUGSUGS=0时D-S间相当于两个反接的PN结ID=0对应截止状态2个耗尽层第70页/共86页PNNGSDUDSUGSUGS>0时UGS排斥空穴，形成耗尽层。第71页/共86页PNNGSDUDSUGSUGS>0时UGS足够大时（UGS>UGS(th)），出现以电子导电为主的N型导电沟道。吸引电子VGS(th)称为开启电压第72页/共86页PNNGSDUDSUGS导电沟道在两个N区间是均匀的。当UDS增大时，靠近D区的导电沟道变窄。第73页/共86页PNNGSDUDSUGS夹断后，即使UDS继续增加，ID仍呈恒流特性。IDUDS增加，UGD=UGS(th)时，靠近D端的沟道被夹断，称为预夹断。第74页/共86页DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区(a)

UGD>UGS(th)(b)

UGD=UGS(th)(c)

UGD<UGS(th)第75页/共86页3.特性曲线(a)转移特性(b)漏极特性ID/mAUDS/VO预夹断轨迹恒流区击穿区

可变电阻区UGS<UGS(th)，ID=0；

UGS

≥

UGS(th)，形成导电沟道，随着UGS的增加，ID

逐渐增大。(当UGS>UGS(th)

时)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。UGS(th)2UGS(th)IDOUGS/VID/mAO第76页/共86页2.2N沟道耗尽型MOS场效应管P型衬底N+N+BGSD++++++制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使UGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++

UGS=0，UDS>0，产生较大的漏极电流；

UGS<0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，ID

减小；

UGS=-UP,感应电荷被“耗尽”，ID

0。UP

称为夹断电压SGDB第77页/共