1、半導(dǎo)體器件基礎(chǔ),1.1 半導(dǎo)體的基本知識,1.2 半導(dǎo)體二極管,1.3 半導(dǎo)體三極管,1.4 BJT模型,1.5 場效應(yīng)管,1.1 半導(dǎo)體的基本知識,在物理學(xué)中，根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以將他們劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。 典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價(jià)元素。,硅原子,鍺原子,硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。,本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),束縛電子,在絕對溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。,一. 本征半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。 制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.999999

2、9%，常稱為“九個(gè)9”。,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。,當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。,自由電子,空穴,自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴。,可見本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對。 外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對越多。,與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象復(fù)合,在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。,常溫300K時(shí)：,電子空穴對,自由電子 帶負(fù)電荷 電子流,總電流,空穴 帶正電荷 空穴流,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量： 溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性

3、變化。,導(dǎo)電機(jī)制,二. 雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。,1. N型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，稱為N型半導(dǎo)體。 N為negative（負(fù)）的字頭。,N型半導(dǎo)體,多余電子,磷原子,硅原子,多數(shù)載流子自由電子,少數(shù)載流子 空穴,施主原子,自由電子,電子空穴對,在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。 P為positive（正）的字頭。,空穴,硼原子,硅原子,多數(shù)載流子 空穴,少數(shù)載流子自由電子,受主原子,空穴,電子空穴對,2. P型半導(dǎo)體,雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖,多子電子,少子空穴,多子空穴,少子電子,少子濃度與溫度有關(guān),多子濃度

4、與溫度無關(guān),因多子濃度差,形成內(nèi)電場,多子的擴(kuò)散,空間電荷區(qū),阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。,PN結(jié)合,空間電荷區(qū),多子擴(kuò)散電流,少子漂移電流,耗盡層,三. PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?1 . PN結(jié)的形成,動態(tài)平衡：,擴(kuò)散電流 漂移電流,總電流0,2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(1) 加正向電壓（正偏）電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū),外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。 外電場削弱內(nèi)電場,耗盡層變窄,擴(kuò)散運(yùn)動漂移運(yùn)動,多子擴(kuò)散形成正向電流I F,(2) 加反向電壓電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū),外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。 外電場加強(qiáng)內(nèi)電場,耗盡層變寬,漂移運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動,少子漂移形成反向電流I R,在一定的溫度下，

5、由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。,PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻， PN結(jié)導(dǎo)通； PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻， PN結(jié)截止。 由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?3. PN結(jié)的伏安特性曲線及電流表達(dá)式,根據(jù)理論推導(dǎo)，PN結(jié)的伏安特性曲線如圖,正偏,IF（多子擴(kuò)散）,IR（少子漂移）,反偏,反向飽和電流,反向擊穿電壓,反向擊穿,熱擊穿燒壞PN結(jié),電擊穿可逆,根據(jù)理論分析：,u 為PN結(jié)兩端的電壓,i 為流過PN結(jié)的電流,IS 為反向飽和電流,UT =kT/q 稱為

6、溫度的電壓當(dāng)量,對于室溫（相當(dāng)T=300 K） 則有UT26 mV。,當(dāng) u0 uUT時(shí),當(dāng) u|U T |時(shí),1.2 半導(dǎo)體二極管,二極管 = PN結(jié) + 管殼 + 引線,結(jié)構(gòu),符號,二極管按結(jié)構(gòu)分三大類：,(1) 點(diǎn)接觸型二極管,PN結(jié)面積小，結(jié)電容小， 用于檢波和變頻等高頻電路。,(3) 平面型二極管,用于集成電路制造工藝中。 PN 結(jié)面積可大可小，用 于高頻整流和開關(guān)電路中。,(2) 面接觸型二極管,PN結(jié)面積大，用 于工頻大電流整流電路。,半導(dǎo)體二極管的型號,國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：,2AP9,一 、半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線,硅：0.5 V 鍺： 0.1 V,(1)

7、 正向特性,導(dǎo)通壓降,(2) 反向特性,死區(qū) 電壓,實(shí)驗(yàn)曲線,硅：0.7 V 鍺：0.3V,23,溫度對二極管伏安特性的影響： T（）在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移,二. 二極管的模型及近似分析計(jì)算,例：,二極管的模型,串聯(lián)電壓源模型,U D 二極管的導(dǎo)通壓降。硅管 0.7V；鍺管 0.3V。,理想二極管模型,正偏,反偏,二極管的近似分析計(jì)算,例：,串聯(lián)電壓源模型,測量值 9.32mA,相對誤差,理想二極管模型,相對誤差,0.7V,例：二極管構(gòu)成的限幅電路如圖所示，R1k，UREF=2V，輸入信號為ui。 (1)若 ui為4V的直流信號

8、，分別采用理想二極管模型、理想二極管串聯(lián)電壓源模型計(jì)算電流I和輸出電壓uo,解：（1）采用理想模型分析。,采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析。,（2）如果ui為幅度4V的交流三角波，波形如圖（b）所示，分別采用理想二極管模型和理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析電路并畫出相應(yīng)的輸出電壓波形。,解：采用理想二極管 模型分析。波形如圖所示。,采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析，波形如圖所示。,三. 二極管的主要參數(shù),(1) 最大整流電流IF,二極管長期連續(xù)工 作時(shí)，允許通過二 極管的最大整流 電流的平均值。,(2) 反向擊穿電壓UBR,二極管反向電流 急劇增加時(shí)對應(yīng)的反向 電壓值稱為反向擊穿 電壓UBR。,(

9、3) 反向電流IR,在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。,當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時(shí),其兩端電壓近似為常數(shù),穩(wěn)定電壓,四、穩(wěn)壓二極管,穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管,正向同二極管,反偏電壓UZ 反向擊穿, UZ ,32,其他類型二極管,2. 光電二極管,1. 發(fā)光二極管,1.3 半導(dǎo)體三極管,半導(dǎo)體三極管，也叫晶體三極管。由于工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，因此，還被稱為雙極型晶體管（Bipolar Junction Transistor,簡稱BJT）

10、。 BJT是由兩個(gè)PN結(jié)組成的。,一.BJT的結(jié)構(gòu),NPN型,PNP型,符號:,三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn): （1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。 （2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。,二 BJT的內(nèi)部工作原理（NPN管）,三極管在工作時(shí)要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸?若在放大工作狀態(tài)： 發(fā)射結(jié)正偏：,+ UCE , UBE , UCB ,集電結(jié)反偏：,由VBB保證,由VCC、 VBB保證,UCB=UCE - UBE, 0,（1）因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 ，形成了擴(kuò)散電流IEN 。同時(shí)從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動，形成的電流為IEP。但其數(shù)量小，可忽略。 所以發(fā)射極電流I E I EN

11、。,（2）發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的空穴復(fù)合掉，形成IBN。所以基極電流I B I BN 。大部分到達(dá)了集電區(qū)的邊緣。,1BJT內(nèi)部的載流子傳輸過程,IBN,（3）因?yàn)榧娊Y(jié)反偏，收集漂移到集電區(qū)邊緣的電子，形成電流ICN 。,另外，集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。,38,1).發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴(kuò)散運(yùn)動形成發(fā)射極電流IE 2）擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子與孔穴的復(fù)合運(yùn)動形成基極電流IB 3）集電結(jié)加反向電壓，漂移運(yùn)動形成集電極電流IC,2電流分配關(guān)系,三個(gè)電極上的電流關(guān)系:,IE =IC+IB,定義：,(1)IC與I E之間的關(guān)系:,所以:,其值的大小約為0.90.9

12、9。,(2)IC與I B之間的關(guān)系：,聯(lián)立以下兩式：,得：,所以：,得：,令：,三. BJT的特性曲線（共發(fā)射極接法）,(1) 輸入特性曲線 iB=f(uBE) uCE=const,（1）uCE=0V時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)。,（3）uCE 1V再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。,（2）當(dāng)uCE=1V時(shí)， 集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，所以基區(qū)復(fù)合減少， 在同一uBE 電壓下，iB 減小。特性曲線將向右稍微移動一些。,(2)輸出特性曲線 iC=f(uCE) iB=const,現(xiàn)以iB=60uA一條加以說明。,（1）當(dāng)uCE=0 V時(shí)，因集電極無收集作用，iC=0。,（2） uCE Ic 。,（

13、3） 當(dāng)uCE 1V后，收集電子的能力足夠強(qiáng)。這時(shí)，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不變。,同理，可作出iB=其他值的曲線。,輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域:,飽和區(qū)iC受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uCE0.7 V。 此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。,截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。 此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。,放大區(qū) 曲線基本平行等 距。 此時(shí)，發(fā) 射結(jié)正偏，集電 結(jié)反偏。 該區(qū)中有：,飽和區(qū),放大區(qū),截止區(qū),四. BJT的主要參數(shù),1.電流放大系數(shù),（2）共基極電流放大系數(shù)：,一般取20200之間,2.3,1.5,（1）共發(fā)射極

14、電流放大系數(shù)：,2.極間反向電流,（2）集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO 基極開路時(shí)，集電極到發(fā)射極間的電流穿透電流 。 其大小與溫度有關(guān)。,（1）集電極基極間反向飽和電流ICBO 發(fā)射極開路時(shí)，在其集電結(jié)上加反向電壓，得到反向電流。它實(shí)際上就是一個(gè)PN結(jié)的反向電流。其大小與溫度有關(guān)。 鍺管：I CBO為微安數(shù)量級， 硅管：I CBO為納安數(shù)量級。,1.4 三極管的模型及分析方法,UD=0.7V,UCES=0.3V,iB0 iC0,一. BJT的模型,直流模型,二. BJT電路的分析方法（直流）,1. 模型分析法（近似估算法）,例：共射電路如圖，已知三極管為硅管，=40，試求電路中的直流量IB

15、、 IC 、UBE 、UCE。,+ UBE ,+ UCE ,解：設(shè)三極管工作在放大狀態(tài)，用放大模型代替三極管。,UBE=0.7V,半導(dǎo)體三極管的型號,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(guān)管,國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：,3DG110B,1.5 場效應(yīng)管,BJT是一種電流控制元件(iB iC)，工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。,場效應(yīng)管（Field Effect Transistor簡稱FET）是一種電壓控制器件(uGS iD) ，工作時(shí)，只有

16、一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。 FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。,52,N,基底 ：N型半導(dǎo)體,兩邊是P區(qū),G(柵極),S源極,D漏極,一、結(jié)構(gòu),1.5.1 結(jié)型場效應(yīng)管:,導(dǎo)電溝道,53,N溝道結(jié)型場效應(yīng)管,54,P溝道結(jié)型場效應(yīng)管,55,二、工作原理（以P溝道為例）,UDS=0V時(shí),PN結(jié)反偏，UGS越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。,56,ID,UDS=0V時(shí),UGS越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。,但當(dāng)UGS較小時(shí)，耗盡區(qū)寬度有限，存在導(dǎo)電溝道。DS間相當(dāng)于線性電阻。,57,P,G,S,D,UDS,UGS,UDS=0時(shí),UGS

17、達(dá)到一定值時(shí)（夾斷電壓VP）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時(shí)，即使UDS 0V，漏極電流ID=0A。,ID,58,UGS0、UGDVP時(shí)耗盡區(qū)的形狀,越靠近漏端，PN結(jié)反壓越大,ID,59,UGSVp且UDS較大時(shí)UGDVP時(shí)耗盡區(qū)的形狀,溝道中仍是電阻特性，但是是非線性電阻。,ID,60,UGSVp UGD=VP時(shí),漏端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。,UDS增大則被夾斷區(qū)向下延伸。,ID,61,UGSVp UGD=VP時(shí),此時(shí)，電流ID由未被夾斷區(qū)域中的載流子形成，基本不隨UDS的增加而增加，呈恒流特性。,ID,62,三、特性曲線,飽和漏極電流,夾斷電壓,轉(zhuǎn)移特性曲線 一定UDS下的ID-U

18、GS曲線,63,ID,U DS,恒流區(qū),輸出特性曲線,0,64,N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線,轉(zhuǎn)移特性曲線,65,輸出特性曲線,N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線,66,結(jié)型場效應(yīng)管的缺點(diǎn)：,1. 柵源極間的電阻雖然可達(dá)107以上，但在某些場合仍嫌不夠高。,3. 柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時(shí)，將出現(xiàn)較大的柵極電流。,絕緣柵場效應(yīng)管可以很好地解決這些問題。,2. 在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。,67,1.5.2 絕緣柵場效應(yīng)管:,一、結(jié)構(gòu)和電路符號,P型基底,兩個(gè)N區(qū),SiO2絕緣層,導(dǎo)電溝道,金屬鋁,N溝道增強(qiáng)型,分為： 增強(qiáng)型 N溝道、P溝道 耗盡型 N溝道、P溝道,6

19、8,N 溝道耗盡型,預(yù)埋了導(dǎo)電溝道,69,P 溝道增強(qiáng)型,70,P 溝道耗盡型,預(yù)埋了導(dǎo)電溝道,一. 絕緣柵場效應(yīng)三極管,1.N溝道增強(qiáng)型MOS管 （1）結(jié)構(gòu) 4個(gè)電極：漏極D， 源極S，柵極G和 襯底B。,符號：,當(dāng)uGS0V時(shí)縱向電場 將靠近柵極下方的空穴向下排斥耗盡層。,（2）工作原理,當(dāng)uGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的 二極管，在d、s之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。,再增加uGS縱向電場 將P區(qū)少子電子聚集到 P區(qū)表面形成導(dǎo)電溝道，如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。,柵源電壓uGS的控制作用,定義： 開啟電壓（ UT）剛剛產(chǎn)生溝道所需的 柵源電壓UGS。,

20、N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性： uGS UT，管子截止， uGS UT，管子導(dǎo)通。 uGS 越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流ID越大。,漏源電壓uDS對漏極電流id的控制作用,當(dāng)uGSUT，且固定為某一值時(shí)，來分析漏源電 壓VDS對漏極電流ID的影響。（設(shè)UT=2V， uGS=4V）,（a）uds=0時(shí)， id=0。,（b）uds id； 同時(shí)溝道靠漏區(qū)變窄。,（c）當(dāng)uds增加到使ugd=UT時(shí)， 溝道靠漏區(qū)夾斷，稱為預(yù)夾斷。,（d）uds再增加，預(yù)夾斷區(qū) 加長， uds增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上， id基本不變。,（3）特性曲線,四個(gè)區(qū)： （a）可變電

21、阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。,輸出特性曲線：iD=f(uDS)uGS=const,（b）恒流區(qū)也稱飽和 區(qū)（預(yù)夾斷 后）。,（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。,（d）擊穿區(qū)。,可變電阻區(qū),恒流區(qū),截止區(qū),擊穿區(qū),轉(zhuǎn)移特性曲線： iD=f(uGS)uDS=const,可根據(jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線。 例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：,UT,一個(gè)重要參數(shù)跨導(dǎo)gm：,gm=iD/uGS uDS=const (單位mS) gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 在轉(zhuǎn)移特性曲線上， gm為的曲線的斜率。 在輸出特性曲線上也可求出gm。,2.N溝道耗盡型MOSFET,特點(diǎn)： 當(dāng)uGS=0時(shí)，就有溝道，加入uDS，就有iD。 當(dāng)uGS0時(shí)，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。 當(dāng)uGS0時(shí)，溝道變窄，iD減小。,在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)uGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。,定義： 夾斷電壓（ UP）溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS。,N溝道耗盡型MOSFET的特性曲線,輸出特性曲線,轉(zhuǎn)移特性曲線,UP,4. MOS管的主要參數(shù),（1）開啟電壓UT （2）夾斷電壓UP （3）跨導(dǎo)gm ：gm=iD/uGS uDS=const （4）直流輸入電阻RGS 柵源間的等效電阻