第一章：半导体器件

1第一章半导体器件§1.1半导体的基本知识§1.2PN结§1.3晶体二极管§1.4半导体三极管§1.5场效应晶体管2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3§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。4§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。5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6二、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。72.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。8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02320KTiiEgnpATe9§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）。10+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11二、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）。12三、杂质半导体的浓度iiNONOPOPOnpnpnp00NDNnNp（N型半导体）PoDPopNn（P型半导体）13§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14P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。15－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV002lnADiNNkTVqn161、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:17－－－－++++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182、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。RE19PN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：203PN结伏安特性其中/S(1)TUVIIeIS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）V026.0qkTVTmV26211-2-3、PN结的温度特性21()1021()()2TTSSITIT正向特性：反向特性：/S(1)TUVIIeTIVTISIIS的作用远大于VTI221-2-4PN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23－－－－－++++++++++++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24+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25+齐纳击穿:内电场外电场NP_RE空间电荷区N型区P型区－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++26UD7V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。UD4V发生齐纳击穿4VUD7V两种击穿都可能发生PN结的击穿特性27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uoiZDZRiLiuiRL5mA20mA,V,10minmaxzzzWIIU稳压管的技术参数:k2LR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。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi——方程128令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：k50V7518.R,.ui291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012(1)CTdQCTdUUVD偏压改变的时候，空间电荷区存在电荷的存储效应30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）31扩散电容示意图PDTIVCjTDCCCP区32§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：33半导体二极管图片341-3-1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35RLuiuo二极管的应用二极管半波整流uiuott36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。37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BCEBBECBEC381-4-1三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EENEPBNCNCBOIIIIII2、电子在基区扩散与复合BBNEPCBOIIII3、集电极收集电子CCNCBOIII从外部看:EBCIIIVCCVEERCECBIBNNN+PIENIEPICNICBOICIEIBRE①②③④⑤39二、共基极的电流分配关系CNCCBOEEIIIII共基极直流电流传输系数：CECBOIIICEIICCBOII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；40BJT的控制作用：41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）。42共射极的电流分配关系VCCVEEECBIBNNN+PIENIEPICNICBOICIEIB①②③④⑤共射放大器＋IB＋△IB△UiVCCRCVEE△UoIC＋△IC－CECBOIIIEBCIII因为可以得到：(1)BBCCBOCEOIIIII43四、共射接法的电流分配及放大作用共射放大器＋IB＋△IB△UiVCCRCVEE△UoIC＋△IC－(1)BBCCBOCEOIIIII1(1)CEOCBOII44一、共射输入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.60.8UCE=0VUCE=0.5V1.4.3三极管的伏安特性曲线C()BEEBfuui常数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、UCE1V:发射结正偏、集电结正偏45共射放大器UoVCC＋IBRCVEEIC－＋－UCE＋－UBE46二、共射输出特性C()CEBfuii常数uCE(V)36912iC(mA)1234IB=020A40A60A80A100A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=uBE471、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CEuCi)(BECEuuBCCEOIIICiBiCEu3、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。481-4-3、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：CMCCEPiu3.击穿电压：二.直流参数1.共基直流电流放大系数CCBOCEEIIIII2.共射直流电流放大系数CCEOCBBIIIII3.极间反向电流：CEOICBOI491.共基交流放大倍数三.交流参数2.共射交流放大倍数501.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。21()1021()()2TTCBOCBOITIT51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：(2~2.5)CBEdumVdT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：(0.5~1)CBEdumVdT也就是说，温度每升高一度，值增加0.5%~1%2.温度对发射结正偏电压的影响52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。53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