数字模拟电路第2章 半导体基础

1、2 半导体器件基础,主要内容, 半导体的基础知识 半导体器件的核心环节PN结 半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用 半导体三极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及三极管基本电路及其分析方法与应用 场效应管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数,2.1 半导体的基本知识,2.1.1 本征半导体 导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。 常用的半导体有硅（Si）和锗（Ge）。 纯净的半导体称为本征半导体，其原子结构是晶体结构，故半导体管又称晶体管。,共价键结构半导的特点,共价键上的电子受原子核束缚较紧，不象自由电子那样活泼。 半

2、导体的导电性不如导体。,共价键上的某些电子受外界能量激发（如受热或光照）后，可挣脱共价键束缚，成为带负电荷的自由电子。自由电子在电场力作用下，逆着电场方向作定向运动，形成电子流。电子是半导体的载流子之一。 共价键上的电子挣脱共价键束缚成为带负电荷的自由电子后，在其原来的位置留下一个空位，称为空穴。空穴的出现是半导体区别于其他导体的一个重要特点。,电子空穴对本征激发、复合,本征激发：本征半导体受外界能量激发，产生电子空穴对的现象。 电子空穴对:本征半导体受外界能量激发，自由电子和空穴成对出现。 复合: 自由电子和空穴也会重新结合，叫做复合。 自由电子和空穴是两种电量相等、性质相反的载流子。,2.

3、1.2 杂质半导体,N型半导体: 在本征半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素磷（或砷），以电子导电为主的半导体称为N型半导体。在外电场的作用下，其电流主要是电子电流。,P型半导体： 在本征半导体硅（或锗）中掺入微量三价元素硼（或镓），以空穴导电为主的半导体称为P型半导体。掺入了三价元素的杂质半导体，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。,2.1.3 PN结及其单向导电性,扩散运动：P型半导体和N型半导体的交界面处形成载流子浓度的差异。P区空穴多，N区电子多，N区电子要向P区扩散，P区空穴向N区扩散，这种由于浓度差异引起的载流子运动称为扩散运动。 漂移运动：扩散运动的结果，产生从N区指向P区的内电场

4、。在电场作用下的载流子运动称为漂移运动。,PN结的形成,PN结：P型半导体和N型半导体交界面发生着两种相反的运动多子的扩散和少子的漂移。当两种运动达到动态平衡时，空间电荷不再变化，形成宽度稳定的空间电荷区PN结。 耗尽层：在PN结内，由于载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说被耗尽了，所以空间电荷区又称耗尽层。,PN结的单向导电性,加反向电压PN结截止,加正向电压PN结导通,PN结还有感温、感光、发光等特性,2.2 晶体二极管,2.2.1 晶体二极管的结构、符号、类型,晶体二极管的符号,二极管,二极管的分类,按制造材料分硅二极管和锗二极管； 按用途分整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管

5、等； 按结构工艺分点接触型、面接触型等。,2.2.2晶体二极管的伏安特性与等效电路,伏安特性(或VA特性),(1)正向特性 死区(不导通区) 用 Ur表示，一般硅二极管约0.5V，锗二极管约0.1V 导通区 一般硅二极管约为0.7V，锗二极管约为0.2V (2)反向特性 反向截止区 反向击穿区,二极管是非线性器件，通过二极管的电流与加在其两端的电压近似成指数关系；在一定电压范围内，二极管具有单向导电性。,(a)理想二极管的等效电路 (b)计及正向导通电压VF时的二极管等效电路,电路模型,理想二极管加不同极性电压时的意义,考虑VF , 二极管加不同电压时的意义,2.2.3 晶体二极管的主要参数,

6、最大整流电流Ir 二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流。 反向峰值电压VRM 允许加在二极管上的反向电压的最大值。 反向峰值电流IR 室温下，二极管两端加上反向峰值电压VRM时的反向电流。 最高工作频率fM 二极管工作在高频时，电流容易从结电容通过，使管子的单向导电性能变差，甚至可能失去单向导电性，为此规定一个最高工作频率，它主要决定于PN结结电容的大小，结电容愈大，则fM愈低。 二极管的参数还有结电容及最高结温等。,温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1，正向压降VF(Vd)大约减小2mV，即具有负的温度系数。,硅二极管温度每增加8，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12，反

7、向电流大约增加一倍。,2.2.4 半导体二极管的温度特性,2.2.5 晶体二极管的基本应用,限幅电路举例,例2.1,串联限幅,例2.1,并联限幅,限幅电路举例,例2.2,例2.3,钳位,稳压二极管,2.2.6稳压管,稳压管工作在反向击穿区，反射电流在规定范围内变化，反向电压保持不变。,发光二极管,光电二极管,2.3 晶体三极管,2.3.1晶体三极管的结构、符号、类型,晶体管的制造工艺特点：发射区的掺杂浓度高，基区很薄且掺杂浓度低，集电结的面积大，掺杂浓度更低，这些特点是保证晶体管具有电流放大作用的内部条件。,Bipolar Junction Transistor,三条引线： 发射极e (Emi

8、tter) 基极b (Base) 集电极c (Collector),晶体管的电路符号,晶体管的分类,依据制造材料的不同，晶体管分为锗管与硅管两类，其特性大同小异，硅管受温度影响较小。工作较稳定； 依据晶体管内部基本结构，分为NPN型和PNP型两类； 依据工作频率不同，大致可分为高频管和低频管等； 依据用途的不同，分为放大管和开关管； 依据功率不同，分为小功率管、中功率管和大功率管。,半导体器件型号与符号的意义（GB-249-74）,场效应器件、半导体特殊器件、复合管、PIN管、激光器件的型号命名只有第三、四、五部分。,示例1：3AG11G,示例2：3DX6B,示例3：CS2B,晶体管处于放大状

9、态的工作条件,PNP管,外加电压保证发射结正向偏置，集电结反向偏置。,NPN管,2.3.2晶体三极管的放大原理,双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示； 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,三种组态,共发射极接法,输入电路由基极电源和基极电阻供给NPN三极管发射结正向偏压构成。 输出电路由集电极电源和集电极电阻供给集电结反向偏压构成。 共发射极接法三极管的发射极接于输入电路和输出电路的公共端。,从基区向发射区也有空

10、穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为IEP。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。,发射结正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电流为IEN。,晶体管的电流分配,IE=IEN+IEP,发射系数(0.90-0.999),进入基区的电子流因基区空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电子电流ICN1。集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。,IEN,IEP,ICN1,ICN2,ICP,IBN,在基区被复合的电子形成的电流是 IBN，另外基区

11、还存在漂移电流ICBO。,集电子电流,漂移电流（反射饱和电流）,集电极电流,正向电流传输系数1,IEN,IEP,ICN1,ICN2,ICP,IBN,电流放大系数,直流电流放大系数,交流电流放大倍数,因为ICEO非常小，所以,典型值30-80,IEN,IEP,ICN1,ICN2,ICP,IBN,晶体管电压极性与电流方向,几点结论,(1)晶体三极管由P型和N型两种半导体组合而成，空穴和 电子两种载流子参与导电，称双极型晶体管。,(2) IC=IB ,且 IB IC ，说明晶体管基极电流对集电极电流具有控制作用。双极型三极管具有电流放大作用。,(3)欲使晶体管有放大作用，必须保证使发射结正偏，集电结

12、反偏。 (4)晶体管各极电流分配关系为：IE=IB+IC,产生基极电流iB的回路称晶体管的输入电路。,输入特性与等效电路,2.3.3晶体三极管的伏安特性与等效电路,输入特性输入电路的电压电流关系曲线,输出电路晶体管集射极与集电极电阻以及电源VCC构成的回路，是产生集电极电流iC的电路，称输出电路。,输出特性与等效电路,输出特性,集电极、发射极间电压与集电极电流的关系曲线，称晶体管的输出特性，用函数式表示为：,晶体管的三种工作状态,(2)饱和区靠近IC轴的一段输出特性的右侧和点画线左侧的区域。晶体管饱和时，发射结和集电结均正偏，集射极间呈低阻状态。 (3)放大区截止区与饱和区之间的区域，发射结正

13、偏和集电结反偏。,(1)截止区对应于输出特性曲线IB=0与VCE轴之间的区域。,特点：e结和c结均为反向偏置；集电极电流几乎为零，没有放大作用。,饱和晶体管 等效开关,截止晶体管 等效开关,晶体管工作在放大区时的特点,iC随iB正比变化，iBiC，说明晶体管具有电流放大作用。电流放大倍数= iC / iB。 发射结正偏，集电结反偏。 放大区的输出特性近似平行于轴vCE。vCE大幅度变化， iC基本不变。在iB一定的条件下，集射极间的特性具有恒流特性，且集电极电流的变化只受基极电流的控制。,2.3.4 晶体三极管的主要参数,(1)电流放大系数,主要性能参数,(2)反向饱和电流ICBO 和穿透电流

14、ICEO,在输出特性曲线上决定,值与IC的关系,电流放大系数,ICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。,集电极-基极间反向饱和电流ICBO,集电极-发射极间的反向饱和电流ICEO,相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。,反向饱和电流ICBO 和穿透电流ICEO,主要极限参数,(1)集电极最大允许电流ICM 当集电极电流增加时， 就要下降，当值下降到线性放大区值的7030时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的

15、规定有所差别。可见当ICICM时，并不表示三极管会损坏。 (2)集电极发射极反向击穿电压V(BR)CEO V(BR)CEO下标BR代表击穿，是Breakdown的字头，C、E代表集电极和发射极，O代表第三个电极E开路。 (3)集电极最大允许耗散功率PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。 PCM= ICVCBICVCE在计算时往往用VCE取代VCB。,2.4 场效应管,场效应管(Field Effect Transistor缩写(FET)是另一种半导体器件。 场效应管是利用输入电压在管内所产生的电场效应，来控制其输出电流，是电压控制器件。它

16、只有一种载流子(多数载流子)参与导电，故又称为单极型晶体管。,2.4.1 场效应管的结构、符号、类型,分类： 按结构分为结型(JFET)和绝缘栅型(MOSFET)。JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小；MOSFET则是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。 按导电沟道分有N沟道和P沟道，N沟道主要靠电子导电，P沟道主要靠空穴导电。 按工作方式分有增强型和耗尽型。增强型管内无原始导电沟道，耗尽型管内有原始导电沟道。,N沟道增强型MOSFET 的结构示意图和符号,N沟道耗尽型MOSFET 的结构示意图和符

17、号,N沟道绝缘栅场效应管的结构示意图,栅极（gate）、漏极（drain）、源极（source）,2.4.2场效应管的工作原理（以绝缘栅型FET为例）,当VGS=0时，源区、衬底和漏区形成两个背靠背的PN结，此时ID=0，当VGS达到某一值（开启电压VT）时，栅极和衬底之间形成较强的电场，此电场吸引衬底中电子而形成一个N型薄层，称为反型层。反型层作为导电沟道把D和S连接在一起。若加上一定漏源正电压VDS，沟道中就有电流ID，由于这种场效应管依靠VGS增强到一定值后才产生导电沟道，故称为增强型MOS管。,N沟道增强型,N沟道耗尽型,N沟道耗尽型场效应管在制造时预置了导电沟道，在二氧化硅中掺有大量

18、正离子，当 VGS=0时，就能感应出反型层，形成 N沟道，若加上漏源正电压，有就电流 ID 产生。当VGS0 时，感应电荷增加，使ID增加。 可见其栅源电压可正可负，当 VGS 小于某一值（夹断电压）时，导电沟道中的载流子耗尽，电流ID=0。,可在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流，这是耗尽型MOSFET的一个重要特点。,2.4.3 场效应管的特性曲线与等效电路,FET的伏安特性通常有两种： 当vDS为定值时，vGS与iD的关系曲线，称转移特性；反映栅源电压对漏极电流的控制作用。 当vGS为定值时，vDS与iD的关系曲线，称输出特性。,可变 电阻区,恒流区,击穿区,开启电压,夹断电压,N

19、沟道增强型MOSFET、P沟道增强型MOSFET,2.4.4场效应管的符号表示和主要参数,N沟道耗尽型MOSFET、P沟道耗尽型MOSFET,N沟道JFET、P沟道JFET,1.饱和漏极电流IDSS（耗尽型FET的参数）在vGS=0的条件下，管子的漏极电流。 2.跨导gm 当vDS不变时，栅源电压变化量vGS和由它引起的漏极电流变化量iD的比值，称为跨导。 3.开启电压VT使增强型场效应管导通的最小电压。 4.夹断电压VP 使耗尽型场效应管截止(夹断)的最小栅源电压。 5.漏源击穿电压V（BR）DS在vDS增大的过程中，使iD急剧增大时的vDS 。 6.栅源击穿电压V（BR）GS正常工作时栅源

20、允许电压的最大值。 7.最大漏极电流IDM管子正常工作时允许的最大漏极电流。 8.漏极最大耗散功率PDM漏极允许耗散功率PD=IDVDS，PDM为漏极允许耗散功率的最大值。,场效应管的主要参数,场效应管的特点及使用注意事项,1.场效应管的特点： (1)场效应管是电压控制器件，栅极基本上不取电流，输入电阻很高；而双极型三极管是电流控制器件，基极总要取一定的电流，输入电阻较低。 (2)在场效应管中，参与导电的只是多子(单极型三极管)；而在双极型三极管中则是两种载流子参与导电。 (3)场效应管的噪声比三极管小，尤其是结型场效应管的噪声更小。 (4)MOS管的制造工艺简单，所占用的芯片面积小(仅为三极

21、管的15)，而且功耗很小， 适用于大规模集成。 (5)耗尽型MOS管的栅源电压可为正值、负值和零值，使用时比双极型三极管灵活。 (6)有些场效应管的源极和漏极可以互换。,2. 使用注意事项 (1)场效应管在使用中，要注意电压极性，工作电压和电流的数值不能超过最大允许值。 (2)为了防止栅极击穿，要求一切测试仪器、电烙铁都必须有外接地线。焊接时，用小功率烙铁迅速焊接，或切断电源后利用余热焊接，焊接时应先焊源极，后焊栅极。 (3)绝缘栅场效应管输入电阻抗极高，故不能在开路状态下保存。即使不使用也应将二个电极短路，以防感应电势将栅极击穿。结型场效应管则可在开路状态下保存。,晶体三极管与场效应管的性能比较表,本章小结,1.半导体中有两种载流子：电子与空穴。P型半导体中，空穴是多数载流子,电子是少数载流子; N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。PN结是构成各种半导体器件的基础。它具有单向导电特性。 2.二极管由一个PN结构成，其伏安特性就是PN结内部特性的外部表现。硅二极管的死区电压为0.5V,导通电压为0.7 V；锗二圾管的死区电压为0.1V、导通电压为