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第 1 章,半导体器件,2,半导体的基础知识 本征半导体 杂质半导体 载流子运动方式及形成电流 PN结与晶体二极管 PN结的基本原理 晶体二极管 晶体二极管电路,第一章 目录,3,晶体三极管 晶体三极管的结构与符号 晶体管的放大原理 晶体三极管特性曲线 晶体管的主要参数 场效应晶体管 结型场效应晶体管（JFET） 绝缘栅场效应管（IGFET） 场效应管的参数及特点,第一章 目录（续）,4,1.1 半导体的基础知识,5,半导体,1.1.1 本征半导体, 10-3cm:导体, 108cm:绝缘体, 介于导体和绝缘体之间:半导体,纯净而不含杂质的半导体,本征半导体:,常用半导体材料：Si、Ge、GaAs,6,共价键结构,1.1.1 本征半导体,每个原子和相邻的4个原子相互补足8个电子，形成稳定结构。,硅(Si),锗(Ge),半导体的原子结构:,硅和锗的原子结构和共价键结构,8,本征激发与复合,1.1.1 本征半导体,激发：价电子获取外能由束缚状态变为自由状体的过程,本征激发产生电子空穴对,10,热敏性 半导体的电阻率随着温度的上升而明显地下降,1.1.1 本征半导体,光敏性 半导体的电阻率随着光照的增强而明显地下降,11,复合：激发后的自由电子释放能量，重新回到束缚状态即自由电子与空穴成对消失的过程。,1.1.1 本征半导体,本征激发与复合,12,1.1.1 本征半导体,本征半导体中的载流子密度,T=300K Si,温度约每升高10度，ni(T)、pi(T)增大一倍。,13,半导体掺杂性 半导体掺杂后其电阻率大大地下降。掺杂后的半导体称作杂质半导体。,1.1.1 本征半导体,14,小结,（1）半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。（2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。（3）一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。,15,（4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。（5）空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。,小结,16,杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类,1.1.2 杂质半导体,结构图,本征半导体+施主杂质= N型半导体,N型半导体,(五价元素),N型半导体的共价键结构,18,1.1.2 杂质半导体,N型半导体中的多数载流子(即多子） 为电子。空穴为少数载流子（即少子）,19,P型半导体,结构图,1.1.2 杂质半导体,本征半导体+受主杂质= P型半导体,(三价元素),P型半导体共价键结构,21,P型半导体中的多数载流子(多子） 为空穴。电子为少数载流子（即少子）,1.1.2 杂质半导体,22,漂移运动和漂移电流,1.1.3 载流子运动方式及其电流,漂移电流大小与电场强度成正比,漂移运动：载流子在电场力作用下所作的 运动称为漂移运动。,漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。,23,扩散运动及扩散电流,1.1.3 载流子运动方式及其电流,扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比,扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。,扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。,24,1.2 PN结与晶体二极管,25,PN结的形成,1.2.1 PN结基本原理,空间电荷区/耗尽层,内建电场,26,扩散,交界处的浓度差,P区的一些空穴向N区扩散,N区的一些电子向P区扩散,P区留下带负电的受主离子,N区留下带正电的施主离子,内建电场,漂移电流,扩散电流,PN 结,1.2.1 PN结基本原理,抑制扩散,27,1.2.1 PN结基本原理,U阻止多子继续扩散，同时有利少子定向漂移,空间电荷区/耗尽层,U,内建电场,小结,载流子的扩散运动和漂移运动既互 相联系又互相矛盾。 漂移电流=扩散电流时，PN结形成且 处于动态平衡状态。 PN结没有电流 通过。 掺杂越重，结宽越窄。,29,PN结特性 单向导电性 击穿特性 电容特性,1.2.1 PN结基本原理,加偏压时的耗尽层,U,UU,合成电场,PN结加正向电压,PN结外加正向电压时，内建电场被削弱，势垒高度下降，空间电荷区宽度变窄，这使得P区和N区能越过这个势垒的多数载流子数量大大增加，形成较大的扩散电流。,单向导电性,PN结呈现为小电阻,结宽变窄,PN结正向导通状态,PN结外加正向电压,加反向偏压时的耗尽层,U,U+U,合成电场,PN结加反向电压,PN外加反向电压时，内建电场被增强，势垒高度升高，这就使得多子扩散运动很难进行，扩散电流趋于零，而少子更容易产生漂移运动 。,流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。,结宽增加。,该状态称为PN结反向截止状态。,PN结外加反向电压,PN结加正向电压时，正向扩散电流 远大于漂移电流，PN结导通；PN结 加反向电压时，仅有很小的反向饱 和电流IS,考虑到IS0，则PN结截止。 PN结正向导通、反向截止的特性称 PN结的单向导电特性。 外电压可改变结宽。,小结,35,击穿概念： PN结外加反向电压值超过一定限度时，反向电流急剧增加的现象。,1.2.1 PN结基本原理,击穿特性,击穿电压：PN结击穿时的外加电压(即:Uz),击穿分类：,雪崩击穿,齐纳击穿,36,1.2.1 PN结基本原理,雪崩击穿:,漂移少子碰撞中性原子,产生新的电子空穴对,特点： Uz6V,37,1.2.1 PN结基本原理,利用PN结击穿特性可以制作稳压管。,特点： Uz6V,齐纳击穿,重掺杂,产生新的电子空穴对,破坏共价键,势垒电容CT,由势垒区内电荷存储效应引起。势垒区相当于介质，它两边的P区和N区相当于金属。当外加电压改变时，势垒区的电荷量改变引起的电容效应，称为势垒电容。,CT值随外加电压的改变而改变，为非线性电容。,电容特性,扩散电容CD,CD 值与PN结的正向电流I成正比 。,由势垒区两侧的P区和N区正负电荷混合贮存所产生。PN结加正向电压时P区的空穴注入到N区，吸引N区带负电的电子到其附近； 同时，N区的电子注入到P区，吸引P区里带正电的空穴到其附近。它们不会立即复合，而有一定的寿命，从而形成势垒区两侧正负电荷混合贮存的现象。呈现出的电容效应称为扩散电容。, ：空穴寿命,n ：电子寿命,UT ：热电压,I:正向电流,小结PN结正向运用时 CT、CD同时存在，CD起主要作用PN结反向运用时，只有CT 。PN结存在电容效应将限制器件工作频率利用PN结反向运用时的CT 可制作变容二极管,41,1.2.2 晶体二极管,晶体二极管结构与符号 晶体二极管伏安特性 晶体二极管参数 晶体二极管电路分析方法 晶体二极管电路举例,42,点接触型,面结合型,平面型,符号,1.2.2 晶体二极管,结构与符号,半导体二极管图片,45,伏安特性图,1.2.2 晶体二极管,伏安特性,正向特性：,存在门限Ur锗管 Ur 0.2V硅管 Ur 0.6或0.7V,小电流范围近似呈指数规律，大电流时接近直线,46,反向特性曲线近似呈水平线，略有倾斜反向电流 反向饱和电流Is击穿特性 反向电流急剧增加而二极管端压近似不变。,1.2.2 晶体二极管(V-A特性:续),47,伏安特性的温度特性：,1.2.2 晶体二极管 (V-A特性:续),T则Ur,T则IS ,T则Uz 雪崩击穿T则Uz 齐纳击穿,48,; 时,; 时,伏安特性的数学表达式,49,表征性能,性能参数,表征安全工作范围,极限参数,参数,主要参数,晶体二极管,50,直流电阻 RD ：定义 RD = U / I |Q点处 RD是 u 或 i 的函数,晶体二极管,性能参数,51,交流电阻 rd ：定义 rd = du / di |Q点处计算 rd = UT/ IQ,晶体二极管 (主要参数:续),性能参数,势垒电容CT ：影响器件最高工作频率,52,最大允许整流电流IOM ：工作电流IOM易导致二极管过热失效,晶体二极管 (主要参数:续),极限参数,最高反向工作电压URM:允许加到二极管(非稳压管)的最高反向电压,最大允许功耗PDM :实际功耗PDM 时易导致二极管过热损坏,53,晶体二极管,特殊二极管稳压管,V-A特性及符号,54,晶体二极管(特殊二极管:续),稳压管主要参数,稳定电压UZ：即PN结击穿电压,稳定电流IZ ：Izmin IZ IZmax,动态电阻rZ ：定义rZ =u/i rZ，则稳压性能越好,额定功耗PZ ：实际功耗超过PZ易使稳压管损坏,55,晶体二极管(特殊二极管:续),稳压管等效电路,Ur为门限电压,反向运用 正向运用,稳压管等效电路,56,变容二极管,晶体二极管(特殊二极管:续),(a)符号 (b)特性,变容二极管利用PN结的势垒电容效应制作 变容二极管必须工作于反偏状态。,57,光电二极管光电二极管工作于反偏状态。其反向电流与光照度E成正比关系。 光电二极管可用作光测量。,晶体二极管(特殊二极管:续),发光二极管 发光二极管工作于正偏状态。其发光强度随正向电流增大而增大。发光二极管主要用作显示器件。,58,晶体二极管电路分析方法,图解法迭代法折线化近似,59,晶体二极管电路分析方法图解法,i = f (u ),晶体二极管,60,计算机辅助分析法（迭代法）,据电路列方程组,晶体二极管 (电路分析方法:续),61,晶体二极管 (电路分析方法:续),折线化近似法,理想特性曲线,只考虑门限的特性曲线,考虑门限电压和正向导通电阻的特性曲线,仅考虑正、反向导通电阻的特性曲线,62,晶体二极管应用电路,门电路整流电路限幅电路,63,电路变化后（图c）: uO = -2.5V,(c),晶体二极管电路举例门电路,晶体二极管,例1：图a示二极管门电路（VD 理想）求：uO,解：uO = 0,64,整流电路 例2：半波整流电路中VD 理想，画出uO (t)波形,解：输出uO(t) 取决于VD 的工作状态是通还是断,晶体二极管 (电路举例:续),65,限幅电路 例3:限幅电路中VD 理想，求uO(t)并画出波形。,晶体二极管 (电路举例:续),解：,66,RL上所得电压值即为VZ管所承受的反向电压值，分别为：8V、7.2V、4V和2.4V。,图示稳压电路中：uI=12V， UZ=6V， R=4K。当RL 分别为8K 、6K 、2K和1K时，求对应输出电压uO 。,稳压电路,解：,故：uO分别为： 6V、6V、4V和2.4V。,输出电压uO(t) 取决于VZ 的工作状态，即：击穿与否。,晶体二极管 (电路举例:续),67,小 结,PN结的形成是本节的基础。通过PN结特性理解二极管的特性及参数。晶体二极管的应用电路。,理解晶体二极管特性、参数掌握晶体二极管应用电路,68,1.3 晶体三极管,69,三极管存在：两结三区三极,晶体三极管结构及符号,结构与符号,基区,发射区(E区)：发送载流子基 区(B区)：传输载流子集电区(C区)：收集载流子,常见的三极管外形,71,72,73,发射区重掺杂基区薄集电极面积大,晶体三极管结构及符号,三极管结构特点,74,一般不用,三极管工作状态,三极管四种状态,晶体三极管结构及符号 :续,75,晶体管的放大原理,载流子的传输,载流子的传输过程,76,形成 IEn ，同时基区也向发射区注入空穴形成 IEp 。由于IEn IEp ， 因此发射极电流 IE IEn 。,形成复合电流IBn，它是基极电流IB 的一部分。,形成ICn，构成集电极电流 IC 的主要成份。,晶体三极管放大原理:续,77,发射区向基区注入电子( IEn ) ： 发射极电流IE IEn 注入电子在基区边扩散边复合( IBn ) ： 是基极电流IB 的一部分,晶体三极管放大原理:续,集电区收集扩散来的电子 ( Icn ) ： Icn构成集电极电流 IC 的主要成份 集电结两边少子定向漂移( ICBO ) ： ICBO对放大无贡献应设法减小晶体三极管又称为双极型三极管,三极管放大应满足两方面条件： 外部条件：发射结正偏 集电结反偏 内部条件： 基区薄 发射区重掺杂,78,电流关系 发射极电流： IE = Ibn + Icn 基极电流： IB = Ibn- ICBO 集电极电流： IC = Icn +ICBO,晶体三极管放大原理:续,79,基区非平衡载流子的密度分布,非平衡载流子密度分布图,晶体三极管放大原理:续,80,定义：,电流分配关系,晶体三极管放大原理:续,81,晶体三极管放大原理:续,电流分配关系：,穿透电流：,82,关于电流放大倍数的几点说明,手册上的 值是实测得到的 它们的大小与工作电流有关 这组电流关系也适用于PNP管，但各极定义的电流方向相反,晶体三极管放大原理:续,83,共射接法输入特性曲线,晶体三极管特性曲线,特点：特性曲线类似二极管V-A特性uCE 增大时，特性曲线右移uCE 1V时曲线基本重合,84,晶体三极管特性曲线:续,共射接法输出特性曲线,85,曲线分为四区：截止区 放大区 饱和区 击穿区,截止区： 对应截止状态:E结C结反偏 特点：iE =0 iC =ICBO = iB,晶体三极管特性曲线 :续,86,曲线分为四区：截止区 放大区 饱和区 击穿区,放大区： 对应放大状态: E结正偏C结反偏 特点：放大效应 - 定义,晶体三极管特性曲线 :续,87,特点：基调(厄立)效应-UA 表现:曲线略微上斜,晶体三极管特性曲线 :续,88,特点：穿透电流-ICEO 计算:ICEO=(1+ )ICBO,曲线分为四区：截止区 放大区 饱和区 击穿区,晶体三极管特性曲线 :续,89,曲线分为四区：截止区 放大区 饱和区 击穿区,饱和状态: E结正偏C结正偏 特点：饱和现象：固定uCE ,iC基本不随iB变化uCE控制iC ：固定iB,iC随uCE剧烈变化,晶体三极管特性曲线 :续,90,曲线分为四区：截止区 放大区 饱和区 击穿区,注意： 临界饱和：UBC=0（考虑到发射结导通存在门限电压的作用，则： UBC= UBEO ）临界饱和电压：UCES,晶体三极管特性曲线 :续,91,晶体三极管特性曲线 :续,对于PNP型管其特性规律一样,但变量极性相反,特性曲线还有共基共集两种,92,晶体三极管主要参数,极间反向电流 集电极-基极间反向饱和电流ICBO 集电极-发射极穿透电流ICEO 发射极-基极间反向饱和电流 IEBO,93,晶体三极管主要参数,极限参数 集电极最大允许电流ICM 反向击穿电压 U(BR)CBO ，U(BR)CEO , U(BR)EBO,94,晶体三极管主要参数,集电极最大允许功耗PCM,安 全 工 作 区,95,1.4.5 晶体三极管主要参数:续,晶体管参数的温度特性,UBEO T 1度则UBEO (22.5)mV,ICBO T 10度则ICBO 约1倍, T 1度则 (0.51)%,96,1.5 场效应晶体管,97,FET,JFET,IGFET,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,N沟道,P沟道,P沟道,场效应晶体管的分类,98,结型场效应管JFET,结构与符号,N-JFET,P-JFET,99,结型场效应管JFET,工作原理（N-JFET管为例）,导电沟道：漏极到源极的导电通道 受控机理：漏极电流iD 受控于uGS,100,结型管JFET :工作原理续,工作原理-uGS 控制iD (uDS =C0),夹断uGS = UGS(off),预夹断uGD = UGS(off),101,结型管JFET :工作原理续,工作原理- uDS 影响 iD (uGS =C0),102,结型场效应管JFET,工作原理（N-JFET管为例）,103,小结： iD 受控于uGS : uGS 则 iD 直至iD =0 iD 受uDS影响 : uDS则iD 先增随后近似不变 预夹断前uDS则iD 以预夹断状态为分界线 预夹断后uDS则iD 不变,结型管JFET :工作原理续,104,结型场效应管JFET,特性曲线（N-JFET管为例） 输出特性曲线,105,输出曲线分四区：截止区 放大区 可变电阻区 击穿区,截止区： 对应夹断状态 特点：uGS UGS (off) iD=0,截止区,结型场效应管JFET:特性曲线续,106,放大区： 对应管子预夹断后的状态 特点：受控放大， iD 只受uGS控制 uGS 则iD ,放大区,输出曲线分四区：截止区 放大区 可变电阻区 击穿区,结型场效应管JFET:特性曲线续,107,可变电阻区： 对应预夹断前状态 特点：固定uGS，uDS则iD近似线性 - 电阻特性固定uDS，变化uGS则阻值变化 -变阻特性,输出曲线分四区：截止区 放大区 可变电阻区 击穿区,可变电阻区,结型场效应管JFET:特性曲线续,108,击穿区： 对应击穿状态 特点：uDS 很大 iD急剧增加,输出曲线分四区：截止区 放大区 可变电阻区 击穿区,击穿区,结型场效应管JFET:特性曲线续,109,转移特性曲线,结型场效应管JFET:特性曲线续,110,预夹断后转移特性曲线重合 曲线方程 条件,结型场效应管JFET:特性曲线续,根据栅极绝缘材料分为: 金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET或MOS) 金属-氮化硅-半导体场效应管(MNSFET或MNS) 金属-氧化铝-半导体场效应管(MALSFET)根据是否存在原始导电沟道分为:增强型和耗尽型根据导电沟道类型分为: N沟道和P沟道,特点栅极同其余电极之间绝缘,绝缘栅场效应管IGFET,概念,112,绝缘栅场效应管IGFET,结构与符号 (以增强型NMOS管为例),PMOSFET,NMOSFET,113,导电沟道uGS=0时，无导电沟道(夹断状态) uGS UGS(th)时，产生导电沟道(开启状态) 定义开启电压UGS(th)为刚开始出现导电沟道时的栅源电压数值,绝缘栅场效应管IGFET,工作原理,114,受控机理：漏极电流iD 受控于uGS,通过改变加在绝缘层上的电压(栅源电压)的大小来改变导电沟道的宽度，进而改变沟道电阻的大小以达到控制漏极电流的目的，漏极电流iD 受控于uGS 。,绝缘栅场效应管 :工作原理续,115,uDS0,uDSiD 近似不变,uDS=(uGS-UGS(th)预夹断状态uDS iD ,uDS 影响 iD ( uGS = C 0 ),uDS(uGS-UGS(th)预夹断后,绝缘栅场效应管 :工作原理续,116,小结： iD 受控于uGS : uGS 则 iD 直至iD =0 iD 受uDS影响 : uDS则iD 先增随后近似不变 预夹断前uDS则iD 以预夹断状态为分界线 预夹断后uDS则iD 不变,绝缘栅场效应管 :工作原理续,117,特别注意： 区别夹断与预夹断： 夹断时： uGS UGS(th) ，iD =0 预夹断时：uGD = UGS(th) (或uGS - uDS = UGS(th) iD 0 预夹断前：uGD UGS(th) (或uGS - uDS UGS(th) ) 预夹断后：uGD UGS(th) (或uGS - uDS UGS(th) ),绝缘栅场效应管 :工作原理续,118,特性曲线（增强型NMOS管为例） 输出特性曲线,绝缘栅场效应管,119,输出特性曲线主要分三区： 截止区 放大区 可变电阻区,可变电阻区,放大区,截止区,绝缘栅场效应管:特性曲线续,120,绝缘栅场效应管:特性曲线续,截止区： 对应夹断状态特点：uGS UGS (th) iD=0,121,绝缘栅场效应管:特性曲线续,放大区： 对应管子开启和预夹断后的状态 特点：受控放大,uGS 则 iD ,122,绝缘栅场效应管:特性曲线续,可变电阻区： 对应预夹断前状态 特点： uDS则iD近似线性- 电阻特性 uGS变化则阻值变化- 变阻特性,123,预夹断后转移特性曲线重合曲线方程 条件,转移特性曲线,绝缘栅场效应管:特性曲线续,124,衬调效应（增强型NMOS管为例）,绝缘栅场效应管,uBS 0且uBS 0时iD 受控于uBS 的特性 衬调效应又称背栅效应，体效应,g,d,s,b,UGG,UDD,125,耗尽型NMOS管,绝缘栅场效应管,N沟道耗尽型MOS管的结构与符号,转移特性曲线,输出特性曲线,128,PMOS管特点: 导电载流子为空穴 uGS (uDS )电压极性及iD电流流 向与NMOS管相反,绝缘栅场效应管,FET管特性汇总表P40,129,直流参数:饱和漏极电流IDSS : uGS=0时的iD 值夹断电压UGS(off) : iD 0时的uGS值开启电压UGS(th) : 增强型管刚开始导 电时的uGS值直流输入电阻RGS: RGS = UGS / IG,场效应管参数及特点,参数,130,跨导,场效应管参数及特点:续,交流参数:,增强型,耗尽型,背栅跨导,跨导比,131,交流参数:,输出电阻,场效应管参数及特点:续,极间电容 Cgs Cgd Cds ( Cbs Cbd Cbg ),132,场效应管参数及特点:续,极限参数： 栅源击穿电压 UBR(GS) 漏源击穿电压 UBR(DS) 最大功耗 PDM :,参数的温度特性：在特定电流电压下，管子参数的温度系数可以为零,耗尽型,增强型,133,漂移,扩散 漂移,压控,流控,高,低,场效应管参数及特点,特点,多子 单极型,多子少子 双极型,FET,BJT,134,场效应管参数及特点:续,特点,FET,BJT,噪声,小,大,抗辐射力,强,弱,热稳定性,好,差,135,第1章要点,了解有关半导体的基本概念 理解PN结的特性 理解半导体器件的特性曲线、参数及温度特性 掌握半导体器件的有关公式及电流关系 掌握二极管、稳压管电路的分析,136,作业,1-3 (1-3) 1-5 (1-5) 1-6 (1-6) 1-7(a)(d)(f) (1-7) (a)(d)(f) 1-12 (1-12) 1-15 (1-15) 1-16 (1-16),注：红字对应新版教材,137,答疑安排,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,