第四章半導體器件的基本特性

4.1

4.2

4.3PN結(jié)及半導體二極管半導體晶體管半導體基礎知識1.三極管的結(jié)構(gòu)及類型

重點：2.

三極管的放大作用第四章半導體器件的基本特性4.3半導體晶體管4.3半導體晶體管晶體管的結(jié)構(gòu)及類型晶體管的放大作用

晶體管的特性曲線晶體管的主要參數(shù)3AD102SC20784.3半導體晶體管

晶體管的結(jié)構(gòu)及類型雙極型三極管又稱半導體三極管、晶體管，或簡稱為三極管。分類：按材料分：硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分：NPN型、PNP型按頻率分：高頻管、低頻管按功率分：小功率、大功率4.3半導體晶體管國家標準對半導體三極管的命名如下:第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關管

用字母表示材料

用字母表示器件的種類

用數(shù)字表示同種器件型號的序號

用字母表示同一型號中的不同規(guī)格

三極管

3

D

G

110B

晶體管的結(jié)構(gòu)及類型4.3半導體晶體管NecNPb二氧化硅集電極

在N型硅片(集電區(qū))氧化膜上刻一個窗口，將硼雜質(zhì)進行擴散形成P型的基區(qū)；再在P型基區(qū)上刻窗口，將磷雜質(zhì)進行擴散形成N型的發(fā)射區(qū)。引出三個電極即可。發(fā)射極基極

晶體管的結(jié)構(gòu)及類型4.3半導體晶體管ecb符號集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c基極b發(fā)射極eNNP

晶體管的結(jié)構(gòu)及類型4.3半導體晶體管

cbe符號集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c發(fā)射極e基極bNNPPN

晶體管的結(jié)構(gòu)及類型4.3半導體晶體管cNNPeb表面看外部所加電源的極性不具備放大作用三極管若實現(xiàn)放大三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

晶體管的放大作用bec4.3半導體晶體管三極管放大的外部條件：外加電源的極性應使發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，而集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求：1.發(fā)射區(qū)高摻雜；2.基區(qū)做得很薄且摻雜較少；3.集電結(jié)面積大。

晶體管的放大作用cNNPeb4.3半導體晶體管

晶體管的放大作用RcRb1.發(fā)射

發(fā)射區(qū)的電子越過發(fā)射結(jié)擴散到基區(qū)，基區(qū)的空穴擴散到發(fā)射區(qū)—形成發(fā)射極電流IE(基區(qū)多子數(shù)目較少，空穴電流可忽略)。IEIB2.復合和擴散

電子到達基區(qū)，少數(shù)與空穴復合形成基極電流IB，復合掉的空穴由VBB補充。多數(shù)電子在基區(qū)繼續(xù)擴散，到達集電結(jié)的一側(cè)。4.3半導體晶體管

晶體管的放大作用RcRbIEIB3.收集集電結(jié)反偏，有利于收集基區(qū)擴散過來的電子而形成集電極電流IC。其能量來自外接電源VCCIC另外，集電區(qū)和基區(qū)的少子在結(jié)電場的作用下將進行漂移運動而形成反向飽和電流，用ICBO表示。ICBO4.3半導體晶體管ICBOIEICIBIBNICN集電極電流：IC=ICN+ICBO基極電流：IB=IBN

-ICBO發(fā)射極電流：IE=IC

+IBIE－擴散運動形成的電流IB－復合運動形成的電流IC－漂移運動形成的電流

電流分配關系直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)4.3半導體晶體管

衡量晶體管放大能力的指標4.3半導體晶體管晶體管外部極間電壓與電流的相互關系稱為～輸入特性：輸出特性：iBuCEiCVCCRbVBBcebRCV+V+A++mAuBEiB=f(uBE)UCE=常數(shù)iC=f(uCE)iB=常數(shù)

晶體管特性曲線4.3半導體晶體管為什么UCE增大曲線右移？

對于小功率晶體管，UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以取代UCE大于1V的所有輸入特性曲線。為什么像PN結(jié)的伏安特性？為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了？1.輸入特性iB=f(uBE)UCE=常數(shù)

晶體管特性曲線2.輸出特性每一個

IB就有一條

iC隨

uCE變化的曲線為什么uCE較小時iC隨uCE變化很大？為什么進入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？iC=f(uCE)IB=常數(shù)4.3半導體晶體管

晶體管特性曲線4.3半導體晶體管iC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O510154321截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)截止區(qū):uBE

uon

，uCE

≥

uBEiB=0，iC=ICEO0放大區(qū)

uBE

uon

，uCE

≥

uBE

iC=iB飽和區(qū)uBE

>uon，uCE<uBE

iC≠iB

晶體管的三個工作區(qū)4.3半導體晶體管衡量晶體管放大能力的重要指標。ICBOcebA2.集電極和基極之間的反向飽和電流ICBO小功率鍺管ICBO

約為幾微安；硅管的ICBO

小，有的為納安數(shù)量級。當e開路時，c和b之間的電流。1.電流放大系數(shù)

，

晶體管主要參數(shù)ICEOAceb3.集電極和發(fā)射極之間的反向飽和電流ICEO當b開路時，c和e之間的電流。4.特征頻率fT晶體管的電流放大系數(shù)下降到1時的頻率。值愈大，則該管的ICEO

也愈大。4.3半導體晶體管

晶體管主要參數(shù)5.集電極最大允許電流ICM當iC過大時，三極管的

值要減小。使值下降到額定值的三分之二時的IC

。6.集電極最大允許耗散功率PCM將iC

與uCE

乘積等于規(guī)定的PCM

值各點連接起來，可得一條雙曲線。7.極間反向擊穿電壓(V(BR)CEO，V(BR)CBO

)外加在三極管各電極之間的最大允許反向電壓。iCvCEOICM過流區(qū)過損耗區(qū)PCM=iCuCEV(BR)CEO過電壓安全

工

作

區(qū)4.3半導體晶體管

晶體管主要參數(shù)4.3半導體晶體管溫度對VBE

的影響當溫度升高時，管內(nèi)載流子運動加劇，三極管發(fā)射結(jié)的正向電流IE隨溫度升高而按指數(shù)規(guī)律增加，在IB相同的條件下，VBE將減小。溫度對ICBO的影響當溫度升高時，基區(qū)和集電區(qū)產(chǎn)生的電子空穴對將急劇增加，于是反向飽和電流ICBO、ICEO上升。溫度對

的影響當溫度升高后，加快了基區(qū)注入載流子的擴散速度，在基區(qū)電子與空穴的復合數(shù)目減小，因而

增大溫度對V(RB)CBO、V(RB)CEO

的影響當溫度升高時，V(RB)CBO

和V(RB)CEO

有所提高。

溫度對晶體管參數(shù)的影響4.3半導體晶體管對輸入特性的影響

當溫度升高時,共射極連接時的輸入特性曲線將向左移動,在IB相同的條件下，VBE

將減小。對輸出特性的影響當溫度升高時，ICBO、ICEO、

都將增大，輸出特性曲線將向上移動，而且各條曲線間的距離加大。

溫度對晶體管特性的影響4.3半導體晶體管利用輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的半導體器件場效應管緊靠多數(shù)載流子導電，又稱單極型晶體管體積小、重量輕、壽命長輸入內(nèi)阻高：107～1012Ω噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強耗電省

單極型晶體管—場效應管4.3半導體晶體管場效應管分類結(jié)型絕緣柵型N溝道P溝道N溝道P溝道增強型耗盡型增強型耗盡型結(jié)型絕緣柵型

單極型晶體管—場效應管4.3半導體晶體管

結(jié)型場效應管4.3半導體晶體管N溝道結(jié)型場效應管是在同一塊N型半導體上制作兩個高摻雜的P區(qū)。將它們連接在一起引出電極柵極G。N溝道結(jié)構(gòu)示意圖SiO2N源極S柵極G漏極D

NNP＋P＋N型半導體兩端加上一定的電壓，便在溝道中形成電場，在此電場作用下，形成由多數(shù)載流子(自由電子)產(chǎn)生的漂移電流。我們將電子發(fā)源端稱為源極S，接收端稱為漏極D。源極S柵極G漏極D

N溝道結(jié)型場效應管4.3半導體晶體管dsgP+N導電溝道N溝道結(jié)型結(jié)構(gòu)示意圖P+這樣既保證了柵-源之間的電阻很高，又實現(xiàn)了UGS對溝道電流ID的控制。正常工作時：在柵-源之間加負向電壓，(保證耗盡層承受反向電壓)漏-源之間加正向電壓，(以形成漏極電流）P區(qū)和N區(qū)的交界面形成耗盡層。源極和漏極之間的非耗盡層稱為導電溝道。耗盡層

N溝道結(jié)型場效應管4.3半導體晶體管當uGS=0時，耗盡層很窄,導電溝道寬。隨|uGS|增大，耗盡層增寬,溝道變窄,電阻增大。|uGS|增加到某一數(shù)值,耗盡層閉和,溝道消失,溝道電阻趨于無窮大。夾斷電壓UGS(off)

N溝道結(jié)型場效應管4.3半導體晶體管當

uDS=0時，雖有導電溝道，但iD為零。當uDS0時，產(chǎn)生iD，隨著uDS增加，

iD增加。注意，此時產(chǎn)生了一個沿溝道的電位梯度，靠近漏極附近的電位高于源極附近的電位。導電溝道呈楔形。uGS為UGS(off)～0中某一固定值，uDS對漏極電流iD的影響uGSDSGiDuDS4.3半導體晶體管只要柵漏電壓

uGD

小于夾斷電壓UGS(off)，iD就隨uDS的增大而增大。uGS為UGS(off)～0中某一固定值，uDS對漏極電流iD的影響uGSDSGiDuDS4.3半導體晶體管當uGD=UGS(off)，漏極一邊的耗盡層就會出現(xiàn)夾斷區(qū)。此時稱為預夾斷。此時的

iD稱為“飽和漏極電流iDSS”uGS為UGS(off)～0中某一固定值，uDS對漏極電流iD的影響uGSDSGiDuDS4.3半導體晶體管當uGD=UGS(off)，漏極一邊的耗盡層就會出現(xiàn)夾斷區(qū)。此時稱為預夾斷。此時的

iD稱為“飽和漏極電流iDSS”若uDS繼續(xù)增大，即uGD<UGS(off)，夾斷區(qū)下移，此時若uDS繼續(xù)增加，

iD幾乎不變。uGS為UGS(off)～0中某一固定值，uDS對漏極電流iD的影響uGSDSGiDuDS4.3半導體晶體管此時iD的值由uGS

決定，iD表現(xiàn)為恒流特性。注意iD是載流子通過電場效應被漏極吸收形成的

。當uGD<UGS(off)時，若uDS

為常量，此時可通過改變uGS的大小來控制

iD。可以把iD近似看成uGS控制的電流源uGS為UGS(off)～0中某一固定值，uDS對漏極電流iD的影響uGSDSGiDuDS4.3半導體晶體管iD=f(uDS)uGS

=

常數(shù)

N溝道結(jié)型場效應管輸出特性曲線：當柵源電壓不變時，漏極電流iD與漏源電壓uDS之間的關系。描述場效應管電流電壓關系：轉(zhuǎn)移特性曲線：當漏源電壓不變時，漏極電流iD與柵源電壓uGS之間的關系。iD=f(uGS)uDS

=

常數(shù)4.3半導體晶體管

N溝道結(jié)型場效應管輸出特性曲線iD=f(uDS)uGS

=

常數(shù)輸出特性曲線4.3半導體晶體管當uGD=UGS（off）時，漏源之間預夾斷當uGD>UGS（off）

時，對于不同的uGS，漏源之間等效成不同阻值的電阻，iD隨uDS的增加線性增加?？勺冸娮鑵^(qū)預夾斷軌跡輸出特性曲線

N溝道結(jié)型場效應管4.3半導體晶體管

N溝道結(jié)型場效應管當uGD<UGS（off）時，

iD幾乎只決定于uGS，而與uDS

無關，可以把iD近似看成uGS控制的電流源。（對應恒流區(qū)）當uGS<UGS（off）時，導電溝道被夾斷，iD0恒流區(qū)夾斷區(qū)擊穿區(qū)當

uDS增加到一定程度，電流急劇增大，管子會被擊穿4.3半導體晶體管iD=f(uGS)uDS

=

常數(shù)轉(zhuǎn)移特性曲線30–1–2–3

UGS

/

VUGS(off)ID

/mA–4IDSS12

N溝道結(jié)型場效應管UGS=0時產(chǎn)生預夾斷，對應的漏極電流。N溝結(jié)型場效應管，柵源之間加反向電壓。P溝結(jié)型場效應管，柵源之間加正向電壓。轉(zhuǎn)移特性曲線與輸出特性曲線的對應關系？4.3半導體晶體管

N溝道結(jié)型場效應管輸出特性432104812UGS

=0V–3V–4V–1V–2V

uDS/ViD/mA轉(zhuǎn)移特性UGS(off)1230–1–2–3

uGS

/

ViD/mA–44

(1)對于不同的uDS，相應的轉(zhuǎn)移特性曲線不同。(2)當管子工作于恒流區(qū)時，轉(zhuǎn)移特性曲線基本重合。4.3半導體晶體管柵-源電壓為零時漏極電流也為零的管子稱為增強型。柵-源電壓為零時漏極電流不為零的管子稱為耗盡型。MOS管分類：

N溝道（NMOS）增強型耗盡型

P溝道（PMOS）增強型耗盡型絕緣柵型場效應管采用sio2絕緣層隔離（輸入電阻更大），柵極為金屬鋁，又稱為MOS管。

絕緣柵型場效應管4.3半導體晶體管

N溝道增強型MOS管4.3半導體晶體管通常襯底和源極連接在一起使用1.結(jié)構(gòu)柵極和襯底各相當于一個極板，中間是絕緣層，形成電容。柵-源電壓改變時，將改變襯底靠近絕緣層處感應電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。P型硅襯底襯底引線BN+N+源極S柵極G漏極D

SiO2

N溝道增強型MOS管4.3半導體晶體管1)uGS

=0時：D與S之間是兩個PN結(jié)反向串聯(lián)，無論D與S之間加什么極性的電壓，iD=0。

N溝道增強型MOS管2.工作原理P襯底BN+SGDN+4.3半導體晶體管

N溝道增強型MOS管2.工作原理2)uGS

>0,uDS

=0：P襯底BN+SGDN+耗盡層由于絕緣層SiO2的存在，柵極電流為零。柵極金屬層將聚集大量正電荷，排斥P型襯底靠近SiO2絕緣層的空穴;便剩下不能移動的負離子區(qū)，形成耗盡層。4.3半導體晶體管

N溝道增強型MOS管2.工作原理P襯底BN+SGDN+3)

uGS繼續(xù)增加，uDS=0：使導電溝道剛剛形成的柵-源電壓稱為開啟電壓uGS(th)

。一方面：耗盡層增寬；另外：將襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間，形成N型薄層，稱為反型層。這個反型層就構(gòu)成了漏源之間的導電溝道。uGS越大，反型層越厚，導電溝道電阻越小。

反型層4.3半導體晶體管

N溝道增強型MOS管2.工作原理4)uGS>uGS(th)

，uDS>0：P襯底BN+SGDN+將產(chǎn)生一定的漏極電流iD

。

iD隨著的uDS增加而線性增大。此時導電溝道的寬度不再處處相等。4.3半導體晶體管

N溝道增強型MOS管2.工作原理P襯底BN+SGDN+5)uGS

>uGS(th),uGD

=uGS(th)

：隨著uDS的增大，uGD減小，當uDS增大到uGD=uGS(th)時，導電溝道在漏極一端產(chǎn)生夾斷，稱為預夾斷。此時繼續(xù)增加uDS，夾斷區(qū)會繼續(xù)左移。但仍然有iD。此時溝道兩端電壓保持不變，因此漏電流iD幾乎不變化，管子進入恒流區(qū)。4.3半導體晶體管

N溝道增強型MOS管2.工作原理P襯底BN+SGDN+5)uGS

>uGS(th),uGD

=uGS(th)

：iD幾乎僅僅決定于uGS

。此時可以把iD

近似看成uGS

控制的電流源。4.3半導體晶體管恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V0123246UGS

/VUGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性UDS/VID/mA夾斷區(qū)

N溝道增強型MOS管4.3半導體晶體管制造時,在sio2絕緣層中摻入大量的正離子,即使uGS

=0，在正離子的作用下，源-漏之間也存在導電溝道。只要加正向uDS

，就會產(chǎn)生iD。結(jié)構(gòu)示意圖P源極S漏極D

柵極GBN+N+正離子反型層SiO2只有當uGS小于某一值時，才會使導電溝道消失，此時的uGS稱為夾斷電壓uGS(off)

。

N溝道耗盡型MOS管4.3半導