第1章 常用半导体器件.ppt

1、第一章 半导体器件,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 双极型三极管,1.4 场效应管,小结,1.5 单结晶体管和晶闸管,1.6 集成电路中的元件,1.1 半导体基础知识,1.1.1 本征半导体,1.1.2 杂质半导体,1.1.3 PN结,1.1.1 本征半导体,物体分类,导体:,导电率为105s.cm-1，量级，如金属,绝缘体:, 导电率为10-22 -10-14 s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。, 导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。,半导体:, 半导体特性,掺入杂质则导电率增加几百倍,掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增加,温度特性,热

2、敏器件,光照既使电导率大为增加又可产生电动势,光照特性,光敏器件 光电器件,1.1.1 本征半导体,本征半导体,完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。,常用的本征半导体,Si,+14,Ge,+32,+4,1.1.1 本征半导体, 本征半导体的原子结构和共价键,共价键内的电子 称为束缚电子,挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子,价带中留下的空位 称为空穴,外电场E, 本征半导体的原子结构和共价键,外电场E,1-1,1-2,自由电子定向移动 形成电子流,束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流,1.1.1 本征半导体,本征半导体,1.

3、本征半导体中有两种载流子, 自由电子和空穴,它们是成对出现的,2. 在外电场的作用下,产生电流, 电子流和空穴流,电子流,自由电子作定向运动形成的 与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动,空穴流,价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动,本征半导体, 本征半导体的载流子的浓度,电子浓度ni :表示单位体积的自由电子数 空穴浓度pi :表示单位体积的空穴数。,A0与材料有关的常数 EG禁带宽度 T 绝对温度 K 玻尔曼常数,1. 本征半导体中 电子浓度ni = 空穴浓度pi,2. 载流子的浓度与T、EG有关, 载流子的产生与复合,g载流子的产生率 即每秒成对产生的电子空穴的浓

4、度。 R载流子的复合率 即每秒成对复合（消失）的电子空穴的浓度。 当达到动态平衡时 g = R R = r nipi 其中：r 复合系数，与材料有关,本征半导体,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高,掺入的三价元素如B、Al、In等， 形成P型半导体，也称空穴型半导体,掺入的五价元素如P、Se等， 形成N型半导体，也称电子型半导体,1.1.2 杂质半导体,杂质半导体, N型半导体,+5,+5,在本征半导体中掺入的五价元素如P。,自由电子是多子,空穴是少子,杂质原子提供,由热激发形成,由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成

5、为正离子,杂质半导体, P型半导体,+3,+3,在本征半导体中掺入的三价元素如B。,自由电子是少子,空穴是多子,杂质原子提供,由热激发形成,因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,杂质半导体, 杂质半导体的载流子浓度,因掺杂的浓度很小，可近似认为载流子的产生率g与复合系数保持不变，即存在如下关系：,n p,= ni pi,= ni2,N型半导体：,nnND（施主杂质的浓度ni）,pn=,(pi),P型半导体：,pnNA（受主杂质的浓度pi）,np=,(ni),在杂质型半导体中，多子浓度比本征半导体的浓度大得多，而少子浓度比本征半导体的浓度小得多，但两者

6、乘积保持不变，并等于ni2 。,1.2.3 PN结,一、PN结的形成,P区,N区,20080904,一、PN结的形成,扩散运动,载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流称为扩散电流,内电场,内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动,一、PN结的形成,扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡,1-3,一、PN结的形成,PN结的形成-总结,内电场阻止多子扩散,因浓度差,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,扩散运动,多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动，扩散运动产生扩散电流。,漂移运动,少子

7、在电场作用下向对方漂移,称漂移运动 漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。,PN 结,稳定的空间电荷区,又称高阻区,也称耗尽层,Uho,PN结的接触电位- Uho, 内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位 Uho 。, 接触电位 Uho 决定于材料及掺杂浓度： 硅： Uho = 0.7 V 锗： Uho = 0.2 V,1. PN结加正向电压时的导电情况,外电场方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电场。 于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。 扩散电流远大于漂移电流,可忽略漂移电流的影响 PN结呈现低阻性。,P区的电位高于N区的电位

8、，称为加正向电压，简称正偏；,内,1-4,外,二、PN结的单向导电性,2. PN结加反向电压时的导电情况,外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。 内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。 此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。 PN结呈现高阻性,P区的电位低于N区的电位,称为加反向电压,简称反偏.,内,1-5,外,二、PN结的单向导电性,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,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。,4,5,单向导电性小结,式中： I

9、s 饱和电流； UT = kT/q 等效电压 ； k 波尔兹曼常数； T=300K（室温）时 UT= 26mV,由半导体物理可推出：, 当加反向电压时：, 当加正向电压时：,(UUT),PN结两端的电压与 流过PN结电流的关系式,三、PN结的电流方程,三、PN结的电流方程,PN结平衡时的载流子的分布,突变结,浓度突变,三、PN结的电流方程,图1.1.9 外加正向电压时PN结载流子的分布,图1.1.10 PN结的伏安特性,是指流过PN结电流和PN结两端电压之间的关系。,由PN结电流方程可以求出理想的伏安特性曲线,PN结电流方程为：,四、PN结的伏安特性,四、PN结的伏安特性,图1.1.10 PN

10、结的伏安特性,1.当加正向电压时,2.当加反向电压时,I 随U，呈指数规率,I = - Is,基本不变,反向击穿,反向击穿,PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象。, 雪崩击穿,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增, 齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。,该击穿是可逆。 掺杂浓度小的 PN结容易发生,该击穿是可逆。 掺杂浓度大的 PN结容易发生,不可逆击穿, 热击穿,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致

11、PN结过热而永久性烧毁。, 势垒电容Cb,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。,五、PN结的电容效应,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，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。, 扩散电容Cd,当外加正向电压 不同时，扩散电流即 外电路电流的大小也 就不同。所以PN结 两侧堆积的多子的浓 度梯度分布也不同， 这就相当电容的充

12、放 电过程。势垒电容和 扩散电容均是非线性 电容。,电容效应, PN结的电容,结电容一般很小，有1pF左右的， 有几十pF的。 对低频电路基本无影响，只有在高 频电路中才考虑结电容的影响。,半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体。具有特殊的性能，如掺杂、光照和温度特性。利用这些性能可制作成具有各种特性的半导体器件。 PN结是构成半导体器件的基础，具有单向导电性、非线性电阻特性、电容效应、击穿稳压特性。 当PN结加正向电压时，PN结导通，呈现低阻特性。 当PN结加反向电压时，PN结截止，呈现高阻特性。,小 结,重点： PN结的形成、伏安特性及电流方程。 难点：1.两种载流子 2.PN结的

13、形成 3.单向导电性 4.载流子的运动,重点难点,都要精益求精,作业： 1.1,做任何事情,第一章 半导体器件,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 双极型三极管,1.4 场效应管,小结,1.5 单结晶体管和晶闸管,1.6 集成电路中的元件,1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的几种常见结构,1.2.2 二极管的伏安特性,1.2.3 二极管的主要参数,1.2.4 二极管的等效电路,1.2.5 稳压二极管,1.2.6 其它类型二极管,1.2.1 半导体二极管的几种常见结构,二极管实物,符号, 晶体二极管的结构类型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管,二极管按结构

14、分,点接触型,面接触型,平面型,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路,往往用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。,1.2.1 二极管的结构类型,是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。 由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线,1.当加正向电压时,PN结电流方程为：,2.当加反向电压时,I 随U，呈指数规率,I = - Is,基本不变,1.2.2 二极管的伏安特性,1.正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。 硅：Ur=0.5-0.6v; 锗：Ur=0.1-0.3v,实测伏安特性,2.加反向电

15、压时，反向电流很小 即Is硅(nA)Is锗(A) 硅管比锗管稳定,3.当反压增大UB时再增加，反向激增，发生反向击穿， UB称为反向击穿电压。,1.2.2 二极管的伏安特性,1.2.2 二极管的伏安特性,伏安特性受温度的影响,室温附近： 升高1度，减小 2.02.5mV,室温附近： 每升高10度， Is 增加一倍。,可以用作 温度传感器,1.2.3 二极管的主要参数,(1) 最大整流电流IF,长期工作时，二极管允许的最大平均电流。,(2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM,(3) 反向电流IR,(4) 正向压降VF,(6) 最高工作频率fM,(5) 极间电容CB,通常是前者的一半。,

16、也叫做反向漏电流 ，同 Is,Ge：0.10.3V，Si： 0.60.7V,1.2.4 二极管的等效电路,一、由伏安特性折线化得到的等效电路,能够模拟二极管特性的电路等效电路,理想,考虑压降,考虑 压降 和电阻,0.2V 0.6V, 二极管的电阻,非线性电阻,直流电阻R,(也称静态电阻）,交流电阻r,（又称动态电阻或微变电阻）, 直流电阻R,定义,二极管两端的直流电压UD与电流ID之比:,1.2.4 二极管的等效电路,二、二极管的微变等效电路, 晶体二极管的电阻,直流电阻的求解方法：,借助于静态工作点来求,1. 首先确定电路的静态工作点Q：,借助于图解法来求,由电路可列出方程：,UD=ED-I

17、DRL,直流负载线,UD=0 ID=ED,ID=0 UD=ED/RL,ED/RL,ED,Q,2.,直流负载线与伏安 特性曲线的交点,由Q得ID和UD，从而求出直流电阻R,1.2.4 二极管的等效电路, 交流电阻 rd,或,静态工作点处,1.2.4 二极管的等效电路,定义,实质是特性曲线静态工作点处的斜率,实际上是具有一定 平均正向电流时所 呈现的电阻。 也叫动态电阻,室温下交流电阻： rd 26mv/ ID(mA),室温下： UT 26 mV 交流电阻：rd 26mV/ ID(mA),晶体二极管的正向交流电阻可由PN结电流方程求出：,图1.2.8 直流电压源和交流电压源 同时作用的二极管电路,

18、1.2.4 二极管的等效电路,1.2.5 稳压二极管, 稳压管,是应用在反向击穿区的面接触型特殊二极管,特性曲线,一、稳压管的伏安特性,符号,等效电路,稳压特性,稳压工作区在反向击穿区,在反向击穿时，电流急剧增加而PN结两端的电压基本保持不变，正向部分与普通二极管相同。,稳压二极管 20080909,二、稳压管的主要参数,(1) 稳定电压UZ,(2) 稳定电流IZ,(4) 动态电阻RZ,(3) 额定功率PZM,(5) 温度系数,最小稳定电流IZmin,( IZmin ),工作时PZM,一般很小，几欧姆几十欧姆，影响稳压效果,表示温度每变化1C度稳压值的变化量Uz/T,Uz 7V,正温度系数；雪

19、崩击穿。,稳压二极管,稳压管稳压电路,注： 稳压二极管在工作时应反偏，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管。二是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,例题1.2.2从略,例题1.2.2,一、发光二极管,将电能转换成光能的特殊半导体器件，当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子发光，属电致发光。, 常用驱动电路：,直流驱动电路,交流驱动电路,注：在交流驱动电路中，为了避免发光二极管发生反向击穿，通常要加入串联或并联的保护二极管。,发光二极管只有在加正向电压时才发光！,1.2.6 其它类型的二极管, 定义

20、：,发光颜色红、绿、黄、蓝、白,白,黄,应用,特点：驱动电压低、功耗小、受命长、可靠性高等， 常用作显示器件,正向压降VF,1.41.8V 绿色高 2V 高亮度3.3V,R,二极管应用, LED显示器,a,b,c,d,f,g,+5V,共阳极电路,共阴极电路,控制端为 高电平对 应二极管 发光,控制端为 低电平对 应二极管 发光,e, 定义：,有光照射时，将有电流产生的特殊二极管, 结构：,和普通的二极管基本相同, 工作原理：,利用光电导效应工作，PN结工作在反,IP,注意：应在反压状态工作 UD= -IPRL,偏态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，形成光生电子空穴对，在外电

21、场的作用下形成光生电流。,其它类型的二极管,二、光电二极管,外形和符号,图1.2.13 光电二极管的外形和符号,返回,广泛应用于遥控、报警和光电传感器中。, 变容二极管 - 利用PN结的电容效应,利用结势垒电容CT随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管。,符号：,注意：使用时，应加反向电压,实际应用：用来实现压控振荡器，电调谐收音 机，高频头 等。,其它类型的二极管, 晶体二极管实际上就是一个PN结，描述二极管的性能常用二极管的伏安特性，可用二极管的电流方程来描述，即二极管两端的电压和流过的电流满足： I=Is(e U/UT-1) 。 硅管：当UD0.7V时，二极管导通， 导通后，UD=0.

22、7V 锗管：当UD0.3V时，二极管导通， 导通后，UD=0.3V,小 结, 稳压管是一种应用很广的特殊类型的二极管，工作区在反向击穿区。可以提供一个稳定的电压。使用时注意加限流电阻。 半导体光电器件分光敏器件和发光器件，可实现光电、电光转换。光电二极管应在反压下工作，而发光二极管应在正偏电压下工作。,小 结,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,附 录,要不断探索,作业： 1.2、1.3、1.4、1.5、1.7、1.8,第一章 半导体器件,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 双极型三极管,1.4 场效应管,小结,1.5 单结晶体管和晶闸管,1.6 集

23、成电路中的元件,1.3 双极型晶体三极管,1.3.1 晶体三极管的结构,1.3.2 晶体管的放大作用,1.3.3 三极管的特性曲线,1.3.4 三极管的主要参数,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,1.3.6 光电三极管,1.3.1 晶体三极管的结构,3AX81,3DG12,3AD10,外形和结构示意图,1.3.1 晶体三极管的结构,外形和结构示意图,管芯结构剖面图 平面型,管芯结构剖面图 合金型,E-B间的PN结 称为发射结(Je),C-B间的PN结 成为集电结(Jc),从结构上看主要有两种类型：,NPN型,PNP型,发射区,集电区,基区,发射极E,基极B,集电极C,1.3.1 晶体三

24、极管的结构,1. 由三层半导体组成，有三个区、三个极、两个PN结,2. 发射区掺杂浓度比集电区高得多；,基区掺杂低，且很薄；,集电区面积很大。,1.3.1 晶体三极管的结构,1.3 双极型晶体三极管,1.3.1 晶体三极管的结构,1.3.2 晶体管的放大作用,1.3.3 三极管的特性曲线,1.3.4 三极管的主要参数,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,1.3.6 光电三极管,1.3.2 三极管的放大作用,图1.3.3 基本共射放大电路,- + -,返回,1.3.2 三极管的放大作用,一、晶体管内部载流子的运动规律,结构特点： 发射区掺杂浓度很高； 基区厚度很小,低参杂； 集电区面积很大

25、。,放大作用的内部条件内因,放大作用的外部条件外因,发射结加正向电压,集电结加反向电压,通过,外加合适的电压：,发射区向基区提供载流子,基区传送和控制载流子,而起作用,三极管各区的作用:,集电区收集载流子,1 发射区向基区提供(注入)载流子,电流放大原理,EB,RB,EC,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBn ，多数扩散到集电结。 满足一定的比例,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，基区的空穴向发射区扩散，形成发射极电流 IE 。,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,2 基区传送和控制载流子,电流放大原理,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICn。,

26、IB= IBn-ICBO IBn,集电结反偏，有少子形成的反向饱和电流 ICBO 。,内部载流子的传输过程：,1.多子通过EB结注入IE,2.载流子在基区内扩散与复合,3.集电极对载流子收集IC,结构特点： 基区厚度很小； 发射区掺杂浓度很高； 集电区面积很大。,电流放大原理,2-1,工作原理总结：,二、晶体管的电流分配关系,IE=IC+IB IC=ICn+ICBO ICn IB=IBn-ICBO IBn IE=ICn+IBn,电流分配关系,电流放大原理,ICBO反向饱和电流,一般情况下： IC IE ,而IC IB， 同时他们之间按一定的比例变化, 在共基极电路中，IC 受IE 的控制； 在

27、共发射极电路中，IC 受IB 的控制。,1.共基极直流电流放大系数,从发射区注入的载流子到达集电极部分所占的百分比。,由前面得到的电流之间的分配关系：,IC = ICn+ICBO,可得：,的数值一般在0.95 0.99之间。,说明从发射区注入的载流子绝大部分到达集电区，只有一小部分在基区复合。,电流放大原理,三、晶体管的电流放大系数,2.共射极直流电流放大系数,电流放大原理,整理得：,令：,称为： 共射极直流电流放大系数,由于IBICBO,注意： 和 是表征三极管放大 作用的两个重要参数。,的数值一般约为几十几百,共基交流电流放大系数 ,共射交流电流放大系数 ,根据 和 的定义和三极管三个电流

28、的关系，可得：,分子和分母同除以IB,注意： 直流参数和交流参数的含义是不同的，但差别不大，常不加区别。,1.3 双极型晶体三极管,1.3.1 晶体三极管的结构,1.3.2 晶体管的放大作用,1.3.3 晶体管的特性曲线,1.3.4 晶体管的主要参数,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,1.3.6 光电三极管,1.3.3 晶体管的特性曲线,三极管的伏安特性：,指管子各电极的电压与电流的关系曲线,B是输入电极，C是输出电极，E是公共电极。 Ib是输入电流，Ube是输入电压，加在B、E两电极之间。 IC是输出电流，Uce是输出电压，从C、E两电极取出。,输入特性曲线: Ib=f(Ube) U

29、ce=C 输出特性曲线: IC=f(Uce) Ib=C,本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线：,返回,EB,测试三极管共射接法特性曲线的电路：,特性曲线,1. Uce=0V时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联的正向特性曲线。,2. 当Uce 1V时， Ucb= Uce - Ube 0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB 增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但Uce再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。, 非线性区, 死区, 线性区,正常工作区，发射极正偏 NPN Si: Ube= 0.60.7V PNP Ge: Ube= -0

30、.2-0.3V,Ib=f(Ube) Uce=C,放大,一、晶体管输入特性曲线,二、晶体管输出特性曲线,IC=f(Uce) Ib=C,饱和区: (1) IC受Uce显著控制的区域，该区域内Uce的数值较小，一般Uce0.7V(硅管)。 发射结正偏，集电结正偏 (2) Uces=0.3V左右,截止区：Ib=0的曲线的下方的区域：Ib=0 Ic=Iceo NPN：Ube0.5V，管子就处于截止态 通常该区：发射结反偏，集电结反偏。,输出特性曲线分为三个区域:,特性曲线,放大区IC平行于Uce轴的区域，曲线基本平行等距。 (1) be结正偏，bc结反偏，电压Ube0.7V左右(硅管) 。 (2) Ic

31、=Ib，即Ic主要受Ib的控制。 (3) ,2-2,判断三极管工作状态的依据：,饱和区:,发射结正偏，集电结正偏,截止区：,发射结反偏，集电结反偏,或：,Ube0.5V（Si),Ube0.2V（Ge),放大区:,发射结正偏，集电结反偏,特性曲线,在输出曲线上求共发射极交流电流放大系数 的方法： =IC/IBvCE=const,1.3 双极型晶体三极管,1.3.1 晶体三极管的结构,1.3.2 晶体管的放大作用,1.3.3 晶体管的特性曲线,1.3.4 晶体管的主要参数,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,1.3.6 光电三极管,1.3.4 晶体管的主要参数,共基直流电流放大系数,共射直流

32、电流放大系数,一、直流参数,2008/9/11,返回,极间反向饱和电流,特性参数,1. 集电极基极间反向饱和电流Icbo 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。 Ge管：A量级 Si管：nA量级,2. 集电极发射极间的穿透电流Iceo Iceo和Icbo有如下关系 Iceo=（1+ ）Icbo 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流。,注意： Iceo和Icbo是由于热激发的少子产生的，所以温度敏感。,二、交流参数,特性参数,1.共基交流电流放大系数 ,2.共射交流电流放大系数 ,3.特征频率 fT,共射交流电流放大系数 下降到 1 时对应的频

33、率,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2/3时所对应的最大集电极电流,三、极限参数,当ICICM时，并不表示三极管会损坏。只是管子的放大倍数降低,集电极最大允许功率损耗PCM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PCM= ICUcbIcUcb， 因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中 在集电结上。在计算时往往用Uce取代Ucb 。,特性参数,集电极最大允许功耗 PCM,集电极电流IC 流过三极管，所发出的焦耳热为：,PC =ICVCE,必定导致结温 上升，所以PC 有限制。,PCPCM,ICVCE=PCM,安全工作区,反向击穿电压,BUcbo

34、,BUceo,BUces,BUceR,表示三极管电极间承受反向电压的能力,BUcbo BUces BUceR BUceoBUebo,特性参数,都是集电结雪崩击穿,1.3 双极型晶体三极管,1.3.1 晶体三极管的结构,1.3.2 晶体管的放大作用,1.3.3 晶体管的特性曲线,1.3.4 晶体管的主要参数,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,1.3.6 光电三极管,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,一、温度对ICBO的影响,温度每升高10 C ，ICBO增加1倍,硅管ICBO比锗管小的多！,返回,二、温度对输入特性的影响,温度每升高1 C ， uBE 减小22.5mV,若 uBE

35、 不变，温度升高时，iB将增大！,输入特性曲线左移,三、温度对输出特性的影响,温度升高， 增大。,A03501,温度升高 ，ICBO增加，,温度对晶体管特性及参数的影响, uBE 减小；, 增加。,输入特性曲线左移，IC增大！,等效电路,符号,外型,光电三极管：光照强度控制集电极 电流的大小。,1.3.6 光电三极管,返回,光电三极管的输出特性曲线,无光照时的集电极电流 称为暗电流。 ICEO比光电二极管大，温度更敏感； T25 C ICEO 10倍,有光照时的集电极电流 称为光电流,使用时要特别注意：反向击穿电压、最高 工作电压和最大集电极功耗等参数。,三极管电极电流和极间电压的规定和实际极

36、性,红色表示三极管电流和极间电压的规定正极性,蓝色表示三极管电流和极间电压的实际极性,NPN,PNP,本节结束,02-01,02-02,A03501,输入特性:,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,工作压降：硅管VBE0.60.7V,锗管VBE0.20.3V。, 三极管的三种组态,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。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,第一章 半导体器件,1.1 半导体基础知识,1.2 半

37、导体二极管,1.3 双极型三极管,1.4 场效应管,小结,1.5 单结晶体管和晶闸管,1.6 集成电路中的元件,场效应管与晶体管的区别,1. 晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。 2. 晶体管参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件； 场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子， 因此称其为单极型器件。 3. 晶体管的输入电阻较低，一般102104； 场效应管的输入电阻高，可达1091014 总之： 体积小、重量轻、寿命长，Ri高、噪声低、 热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省。,场效应管的分类,结型场效应管JFET,MOS型场效应管MOS FET,1.4 场效应管,1.4 场效

38、应管,1.4.1 结型场效应管,1.4.2 绝缘栅型场效应管,1.4.3 场效应管的主要参数,1.4.4 场效应管与晶体管的比较,N,基底 ：N型半导体,两边是P区,G(栅极),S(源极),D(漏极),JFET结构：,导电沟道,1.4.1 结型场效应管,动画2-8,符号,N沟道JFET的结构和符号,符号,P沟道JFET的结构和符号,图1.4.1 结型场效应管的结构和符号,实际结构,一、结型场效应管（JFET)的工作原理,根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。 另外，JFET

39、的导电沟道参杂浓度低，栅极一边参杂浓度高，PN结不对称的，沟道一侧厚度大。,现以N沟道为例说明其工作原理。,UGS=0,工作原理,1. UDS= 0 时：,UGS= 0 时，沟道宽,UGS 0 时，沟道变窄,UGS= UP时，沟道断,UP 叫做夹断电压,对于N沟道管子，UP 是一个负值！,预夹断,UGS=UP 夹断状态 ID=0,工作原理,2. UDS 0 时：,UGS= 0, UDGUP,UGS 0 ,UDGUP,UGS= UP ， UDGUP，,UGS 0 ,UDG=UP,ID大,ID较小,ID更小，预夹断,ID0，夹断。,动画2-9,uGS对iD 的控制作用,iD 受控于uGS ,场效应

40、管是电压控制元件,低频跨导gm：,可以描述动态的uGS对iD的控制作用,注意与晶体管的比较,当UGS=0时，沟道较宽，在UDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID。 当UGS0时，PN结反偏，PN结加宽，漏源间的沟道将变窄，ID将减小， 当UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。 当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UP。,JFET的工作原理总结,工作原理,可见，UGS对IDS有控制作用，且是通过PN结内的电场对漏极电流ID实现控制的，所以叫做场效应管。,问题： 为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？,二、结型场效应管（JFET)的特性曲线,测量转

41、移特性 和漏极特性的电路,特性曲线,转移特性,当场效应管的漏源之间的电压保持不变时，漏极电流与栅源之间的关系曲线，称为转移特性。,夹断电压 UP,饱和漏电流IDSS,两个重要参数,该曲线可以近似表示为,（当UPUGS0 时 ）,注意：是经验公式,结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。,UP,转移特性曲线,输出特性曲线,特性曲线,漏极特性,VDS=10V时的转移特性曲线,二曲线有着密切的关系,为什么？,动画2-6,动画2-7,PN结反偏,两种结型场效应管比较,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,特性曲线,1.4.2 MOS场效应管,增强型MOS场效应管,耗尽型MOS

42、场效应管,MOS场效应管,N沟道增强型的MOS管,P沟道增强型的MOS管,N沟道耗尽型的MOS管,P沟道耗尽型的MOS管, N沟道增强型MOS场效应管结构,一、N沟道增强型MOS管,漏极D集电极C,源极S发射极E,栅极G基极B,衬底B,电极金属 绝缘层氧化物 基体半导体 因此称之为MOS管,动画2-3,当UGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。 当UGS=UT时, 在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成ID。, N 沟道增强型MOS场效应管工作原理,增强型MOS管,-,-,-,-,当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UD

43、S之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID0.,当UGSUT时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加,开始无导电沟道，当 在UGSUT时才形成沟 道,这种类型的管子称 为增强型MOS管。,动画, N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,增强型MOS管,UDS 一定时，uGS 对漏极电流 iD 的控制关系曲线：,转移特性曲线,恒流区，ID与UGS的关系:,实际上与书上的公式一样！ 只是常数不同而已, N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,增强型MOS管,UGS一定时， iD与 uDS 的变化曲线，是一族曲线:,输出特性曲线,1. 可变电阻区： iD与uDS的关系近线性

44、 iD 2K(UGS-UT)uDS,当UGS变化时，RON将随之变化 因此称之为可变电阻区 当UGS一定时，RON近似为一常 数,因此又称之为恒阻区,增强型MOS管,输出特性曲线,2. 恒流区： 该区内，UGS一定，iD 基本不随 uDS 变化而变。,3.击穿区： uDS 增加到某一值时，iD开始剧增而出现击穿。 当 uDS 增加到某一临界值时，iD开始剧增时UDS 称为漏源击穿电压。, 漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用,当UGSUT，且固定为某一值时，来分析漏源电压UDS对 漏极电流ID的影响。UDS的不同变化对沟道的影响。,UDS=UDGUGS = UGDUGS 所以：UGD=UGS

45、UDS,当UDS为0或较小时，相当于 UGDUT,此时，UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成 ID 。,增强型MOS管,当UDS增加到使 UGD=UT 时，,当UDS增加到 UGDUT 时，,增强型MOS管,这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和。,此时预夹断区加长，伸向S极。 UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。,动画2-5, 漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用, N沟道耗尽型MOS场效应管结构,二、N沟道耗尽型MOS管,+ + + + + + +, ,耗尽型MOS管存在 原

46、始导电沟道,转移特性曲线,耗尽型MOS管, N 沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,iD 与uGS 之间的 关系曲线,UGS(off) -夹断电压,IDSS 饱和漏极电流,耗尽型MOS管, N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,输出特性曲线,N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在UGS0, P沟道耗尽型MOS管,三、P沟道MOS管, VMOS管的结构,四、VMOS管,P型层,导电沟道,氧化层,金属栅极,空,圆锥形凹槽 纵刨面呈 V 字型,VMOS管圆漏区面积大， 便于安装散热器，功率可达千瓦 VDS高、上限f高、iD大时线性好！,20080917,各类绝缘栅

47、场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N 沟 道 增 强 型,P 沟 道 增 强 型,绝缘栅场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,增强型MOS管, MOS管衬底的处理,保证两个PN结反偏，源极沟道漏极之间 处于绝缘态,NMOS管UBS加一负压,PMOS管UBS加一正压,02-03,N沟道增强型MOS场效应管,02-04,N沟道增强型MOS场效应管工作原理,02-05,N沟道增强型MOS场效应管,02-06,结型N沟道场效应管输出特性,02-07,结型N沟道场效应管转移特性,02-08,结型N沟道场效应管,02-09,结型N沟道场效应管工作原理,1.4.3 场效应管的主要参

48、数,一、直流参数,二、交流参数,三、极限参数,一、场效应管的直流参数,2. 夹断电压 UGS(off) 夹断电压是耗尽型FET的参数，当 UGS=UGS(off) 时，漏极电流为零。,直流参数,4. 直流输入电阻 RGS(DC) 栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比 结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107， 绝缘栅场效应三极管RGS约是1091015。,3. 饱和漏极电流 IDSS 耗尽型场效应三极管当UGS= 0 时所对应的漏极电流。,1. 低频跨导gm -单位西门子 S 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用,gm的求法: 图解法gm实际就是(Q点)转移特性曲线的斜率 解

49、析法：如增强型MOS管存在iD=K(uGS-UGS(th)2,二、场效应管的交流参数,求微分,2. *漏极电阻 rds,反映了UDS对ID的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率,3. *导通电阻Ron,在恒阻区内,交流参数,交流参数,4. 极间电容,Cgs 栅极与源极间电容 Cgd 栅极与漏极间电容 Cgb 栅极与衬底间电容 Csd 源极与漏极间电容 Csb 源极与衬底间电容 Cdb 漏极与衬底间电容,主要的极间电容有：,综合影响最高工作频率fT,1.最大漏极电流IDM 能使管子正常工作的漏极电流上限值 。,2. 漏源击穿电压BU（BR）DS 在恒流区使iD开始剧增时的uDS 。,3

50、. 栅源击穿电压BU（BR）GS JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压 MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压,三、场效应管的极限参数,4. 漏极最大耗散功率PDM 由管子允许的温升决定 。,例 1.4.1 输出特性曲线 （图1.4.14 ）,返回,判断场效应管的类型？,正iDN沟道,uGS(th)为正4V，增强型,例 1.4.2 电路图（图1.4.15 ）,返回,判断VGS为0,8V,10V时的输出电压uo,截止,恒流区,可变电阻区,图1.4.16 例 1.4.3 电路图,返回,1.4.4 场效应管与晶体管的比较,一、场效应管用uGS控制iD,二、场效应管只有多子参与导电、稳定,三、场效应管噪

51、声系数很小,四、场效应管漏源可以互换,五、种类多、可选余地大,六、工艺简单、电压宽、省电,1. 半导体器件 二极管、稳压管、双极型三极管和场效应管 。,2. 半导体器件特性曲线 伏安特性曲线，输入特性、输出特性曲线，转移特性和漏极特性曲线 。,3. 半导体器件参数 二极管、稳压管、双极型三极管和场效应管的常用参数。,小 结,本节结束谢谢！,第一章 半导体器件,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 双极型三极管,1.4 场效应管,小结,1.5 单结晶体管和晶闸管,1.6 集成电路中的元件,1.5 单结晶体管和晶闸管,1.5.1 单结晶体管,一、单结晶体管的结构示意图和等效电路,低

52、掺杂N型硅棒上，制作一个高掺杂P区，形成一个PN结。,结构 示意图,等效电路,符号,受ueb1 控制,二、工作原理和特性曲线,返回,定义：单结晶体管的发射极电流IE与电压UEB的关系曲线。 特性曲线的测试电路：,当e极开路，b2加电压VBB时， A点的电压：, 单结晶体管特性曲线,返回,工作原理： Ve升高到大于VA时，b1区R变小，VA下降。,三、单结晶体管应用举例振荡电路,返回,1.5.2 晶闸管,可 控 硅 实 物,返回,一、结构和等效电路,晶闸管的结构示意图、等效电路和符号,返回,阳极,阴极,控 制 极,二、晶闸管的工作原理,返回,两个工作状态： 阻断状态、导通状态。,VGG=0，阻断

53、状态；,VGG0.6V，导通状态:,VGG产生IG IB2 IC2 2IB2 IB1 IC1 1IB1 12IB2 正反馈导通状态 状态失控IG,阻断触发导通正向阻断 IH维持电流 反向阻断改变AC极性。,三、晶闸管的伏安特性曲线,返回,正向特性,反向特性,反向 击穿电压,四、晶闸管的主要参数,返回,（1）额定正向平均电流IF （2）维持电流IH （3）触发电压UG和触发电流IG （4）正向重复峰值电压UDRM （5）反向重复峰值电压URRM,室温下，在U = 6V时，晶闸管从阻断到完全导通，所需最小的控制电压和电流。,环境温度小于40度，标准散热条件下，允许通过晶闸管阳极的电流平均值 （工频

54、正弦波半波电流的平均值）。,在控制极开路且规定环境温度下，晶闸管维持导通时的最小阳极的电流。,在控制极G开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大正向电压。 一般UDRMUBO80 。 UBO转折电压,特性曲线,在控制极G开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大反正向电压。 一般URRMUBR80 。 UBR反向击穿电压,返回,（1）额定正向平均电流IF （2）维持电流IH （3）触发电压UG和触发电流IG （4）正向重复峰值电压UDRM （5）反向重复峰值电压URRM,四、晶闸管的主要参数,特性曲线,返回,晶闸管的特点和应用,特点： 体积小、重量轻、耐压高、效率高、控制灵敏和使用寿命长。 应用： 使半导体器件的应用从弱电进入强电领域，广泛应用于：无触点开关、整流、逆变和调压等大功率电子电路中。,晶闸管的特性曲线,返回,例 1.5.1,返回,在图示可控半波整流电路中，已知输入电压ui和触发电压uG的波形，定性画出负载电阻RL上的电压波形。,例 1.5.1 的电路及波形图,返回,本小节结束，感谢各位的大力配合！,第一章 半导体器件,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 双极型三极管,1.4 场效应管,1.5 单结晶体管和晶闸管,1.6 集成电路中的元件,1.6 集成