半导体器件的特性课件.ppt

电 子 学 基 础,第一章 半导体器件的特性,1.1 半导体的导电特性1.2 PN结1.3 二极管1.4 双极型晶体管1.5 场效应管,第一章 半导体器件的特性,1.1 半导体的导电特性,一、本征半导体的导电特性二、杂质半导体的导电特性,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,一、本征半导体的导电特性,自然界的各种物质，根据其导电能力的不同，可分为导体、绝缘体和半导体三大类。通常将电阻率小于104cm的物质称为导体，例如铜、铝等金属；电阻率大于109cm的物质称为绝缘体，例如橡胶、塑料等；导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。大多数半导体器件所用材料主要是硅(Si)和锗(Ge)。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,一、本征半导体的导电特性,半导体的导电性能由其原子结构决定。以硅、锗为例。硅的原子序数是14，锗的原子序数是32，它们有一个共同点，即都是4价元素，且都具有晶格结构。它们每个原子最外层的价电子，不仅受到自身原子核的束缚，同时还受到相邻原子核的吸引。因此价电子不仅围绕自身的原子核运动，同时也出现在相邻原子核的最外层轨道上。于是两个相邻原子共有一对价电子，组成共价键，如图所示。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,一、本征半导体的导电特性,纯净的、不含其他杂质的半导体称为本征半导体。对于本征半导体来说，由于晶体中共价键的结合力较强，在热力学温度零度(T=0K，相当于273)时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，此时，晶体中没有自由电子。所以，在热力学温度零度时，本征半导体(电阻率约1014cm)不能导电，如同绝缘体一样。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,一、本征半导体的导电特性,当温度升高，例如在室温条件下，将有少数价电子获得足够的能量，克服共价键的束缚而成为自由电子。此时，本征半导体具有一定的导电能力，但由于自由电子的数量很少，因此它的导电能力比较微弱。当部分价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子的同时，在原来的共价键中留下一个空位，称为空穴。空穴是半导体区别于导体的重要特征。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,一、本征半导体的导电特性,由于存在空穴这样的空位，附近共价键中的价电子就比较容易填补进来，而在附近的共价键中留下一个新的空位，这个空位又被相邻原子的价电子填补。从效果上看，这种共有电子的填补运动，相当于带正电的空穴在运动一样。为了与自由电子的运动区分,称为空穴运动。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,一、本征半导体的导电特性,将物质内部运载电荷的粒子称为载流子。半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。物质的导电能力取决于载流子的数目和运动速度。在本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，成为电子空穴对，因此，两种载流子的浓度是相同的。用 n 和 p 表示自由电子和空穴的浓度，用 ni 和 pi 表示本征半导体中自由电子和空穴的浓度，则有ni=pi。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,一、本征半导体的导电特性,由于物质的热运动，半导体中的电子空穴对不断地产生，同时，当电子与空穴相遇时又因复合而使电子空穴对消失。在一定温度下，上述产生和复合两种运动达到了动态平衡，使电子空穴对的浓度一定。本征半导体中载流子的浓度，除与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度密切相关,且随温度的升高，基本上按指数规律增加。故本征载流子对温度十分敏感。例如硅材料每升高8,本征载流子浓度增加一倍；对于锗材料每升高12，本征载流子浓度增加一倍。由此可见，温度是影响半导体导电性能的一个重要因素。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,一、本征半导体的导电特性,二、杂质半导体的导电特性：,本征半导体中虽存在两种载流子，但因本征载流子浓度很低，所以导电能力很差。若在本征半导体中掺入某种特定的杂质，成为杂质半导体，则它们的导电性能将发生显著变化。根据掺杂的不同，杂质半导体可分为N型和P型两种。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,二、杂质半导体的导电特性,1、N型半导体,如果在硅或锗的晶体中掺入少量的5价元素，如磷、砷、锑等，则原来晶格中的某些硅原子将被5价杂质原子代替。由于杂质原子最外层有5个价电子，因此它与周围4个硅原子组成共价键时多余一个电子。这个电子不受共价键的束缚，只受自身原子核的吸引，这种束缚较弱，在室温条件下即可成为自由电子，如图所示。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,二、杂质半导体的导电特性,在这种杂质半导体中，自由电子的浓度将大大高于空穴的浓度，即np。因此这类半导体主要依靠电子导电，故称为电子型半导体或N型半导体(由于电子带负电，故用Negative表示)，其中的 5 价杂质原子可以提供电子，所以称为施主原子。N 型半导体中的自由电子称为多数载流子(简称多子)，而其中的空穴称为少数载流子(简称少子)。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,二、杂质半导体的导电特性,2、P型半导体,如果在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素,如硼、镓、铟等，此时杂质原子最外层有3个价电子，因此它与周围4个硅原子组成共价键时，由于缺少一个电子而形成空穴，如图所示。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,二、杂质半导体的导电特性,因此，在这种杂质半导体中，空穴的浓度将比自由电子的浓度高的多，即 p n。因此这类半导体主要依靠空穴导电，故称为空穴型半导体或P型半导体(由于电子带正电，故用 Positive 表示)，这种3价杂质原子能够产生多余的空穴，起着接受电子的作用，故称为受主原子。在 P型半导体中多子是空穴，少子是电子。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,二、杂质半导体的导电特性,*在杂质半导体中，多子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度，且基本上等于杂质的浓度；少子的浓度虽然很低，但受温度影响显著；多子的浓度基本不受温度影响。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,二、杂质半导体的导电特性,1.2 PN结,一、PN结的形成二、PN结的单向导电性,第一章 半导体器件的特性 1.2 PN结,一、PN结的形成：,如果将一块半导体的一侧掺杂成 P型半导体，而另一侧掺杂成 N型半导体，则在交界处将形成一个PN结(PN junction)。如图所示，当P型与N型半导体结合时，由于P型半导体空穴浓度大，N型半导体中的自由电子浓度大，空穴将由 P区向 N区扩散，自由电子则由N区向P区扩散。进入P区的电子及进入N区的空穴，将发生复合而消失，于是，在交界面两侧形成一个由不能移动的正、负离子组成的空间电荷区，也就是PN结。,第一章 半导体器件的特性 1.2 PN结,一、PN结的形成,由于空间电荷区内载流子因扩散和复合而消耗掉了，因此空间电荷区又称耗尽层。空间电荷区的左侧(P区)带负电，右侧(N区)带正电，因此，在空间电荷区产生由N区指向P区的电场，称为内电场。内电场对应的电位差VD称为电位壁垒。内电场的作用是阻止多子的扩散，因此又称空间电荷区为阻挡层。而这个内电场却有利于少子的运动，即有利于P区中的电子向N区运动，N区中的空穴向P区运动。通常将少子在内电场作用下的定向运动称为漂移运动。,第一章 半导体器件的特性 1.2 PN结,一、PN结的形成,由此可知，PN结中进行着两种载流子的运动：多子的扩散运动和少子的漂移运动。扩散运动产生的电流称为扩散电流，漂移运动产生的电流称为漂移电流。随着扩散运动的进行，PN结的宽度将逐渐增大；而随着漂移运动的进行，空间电荷区的宽度将逐渐减小。达到平衡时，无论电子和空穴，它们各自产生的扩散电流和漂流电流都达到相等，则PN结中总的电流等于零，空间电荷区的宽度也达到稳定。一般PN结很薄(约几微米几十微米)。电位VD的大小，硅材料约为(0.6 0.8)V，锗材料约为(0.2 0.3)V。,第一章 半导体器件的特性 1.2 PN结,一、PN结的形成,如果PN结两端加上不同极性的直流电压，就可以打破上述的动态平衡。下面将看到其导电性能有很大差异。,二、PN结的单向导电性：,第一章 半导体器件的特性 1.2 PN结,二、PN结的单向导电性,1、加正向电压，PN结导通：,当外电源的正极接P区，负极接N区时，PN结加的是正向电压，称为正向偏置。此时外电场与内电场的方向相反，削弱了内电场，使空间电荷区变窄(VD降低)，有利于多子扩散，而不利于少子漂移。扩散电流将大大超过漂移电流,在回路中形成较大的正向电流，称 PN结处导通状态，呈现的电阻很小。,第一章 半导体器件的特性 1.2 PN结,二、PN结的单向导电性,2、加反向电压，PN结截止：,外电源正极接N区，负极接P区时，PN结加的是反向电压称为反向偏置。这时的外电场Eo与内电场Ei方向一致，加强了内电场，空间电荷区变宽，不利于多子的扩散，有利于少子的漂移。漂移电流超过扩散电流。在回路中产生由少子漂移形成的反向电流。因反向电流很小，称PN结处于截止状态,呈现很大的电阻。,第一章 半导体器件的特性 1.2 PN结,二、PN结的单向导电性,由此可见，PN结正向偏置时，导通；反向偏置时，截止。这一特性，称为PN结的单向导电性，它是PN结最重要的电特性。,第一章 半导体器件的特性 1.2 PN结,二、PN结的单向导电性,1.3 二极管,一、二极管的结构二、二极管的伏安特性三、稳压二极管四、二极管电路,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,一、二极管的结构,在PN结两端引出相应的电极并加上外壳，就制成一个半导体二极管，如图所示。由P区引出的电极叫正(或阳)极(A)，由N区引出的电极叫负(或阴)极(K)，符号中的箭头方向表示正向导通(即电流)方向。,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,一、二极管的结构,二极管的种类较多，按其结构可分为点接触型、面接触型、和平面型等。点接触型二极管结电容小，工作频率高，但不能承受较高的反向电压和较大的电流。这类管子适用于高频检波和脉冲数字电路中的开关元件。面接触型二极管PN结面积大，允许通过较大的电流，但结电容也大，适用于整流等低频电路。平面型二极管结面积较大的可用于整流等低频电路；结面积小的适用于高频检波和脉冲数字电路。按材料可分为硅管和锗管。按用途分，有整流二极管、检波二极管、开关二极管、发光二极管、稳压二极管等。,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,一、二极管的结构,二、二极管的伏安特性：,1、PN结的伏安特性 理论证明，流过PN结的电流与PN结两端的电压之间的关系为式中，称为温度的电压当量，其中k 为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子的电量。在室温(300K)时，。,（1.3.1）,VT26mV,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,二、二极管的伏安特性,把式(1.3.1)绘成曲线，称为 PN结的伏安特性曲线，如图所示。图中曲线OA段称为正向特性，正向电流随电压vD按指数规律增加。图中曲线OC段称为反向特性，iDIR(sat)，反向电流是一个不随反向电压而变化的常数。,当加在PN结的反向电压增大到一定数值，反向电流急剧增大，如图所示BC段，称此现象为PN结的反向击穿，对应于电流开始剧增的反向电压，称为击穿电压V(BR)。,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,二、二极管的伏安特性,2、二极管的伏安特性,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,二、二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可以用逐点测量的方法测绘出来。,二极管的伏安特性与PN的伏安特性略有差别,主要是因为：二极管正向偏置时，PN结以外P区和N区的体电阻、电极的接触电阻及引线电阻的存在，使正向电流有所减小；在反向偏置时,由于PN结表面漏电流的存在，使反向电流稍有增大，且随反向电压的增高略有增加。,(1)正向特性,当加在二极管上的正向电压比较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，正向电流几乎为零(OA段)。只有当加在二极管两端的正向电压超过某一数值时，正向电流才明显增大。正向特性上的这一数值(A点)通常称为“门限电压”或“开启电压”。开启电压的大小与二极管的材料以及温度等因素有关。硅二极管的开启电压为0.5V左右；锗二极管的开启电压为0.1V左右。当正向电压超过开启电压以后，电流与电压的关系基本上是一条指数曲线。二极管正常导通工作时的管压降，硅管通常为0.7V，锗管0.3V。,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,二、二极管的伏安特性,(2)反向特性,由图可见，当在二极管上加载反向电压时，反向电流的值很小。且当反向电压超过零点几伏后，反向电流基本不再随着反向电压的增大而增大，即达到了饱和，这个电流称为反向饱和电流，用IR(sat)表示。,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,二、二极管的伏安特性,如果使反向电压继续升高，当超过V(BR)以后，反向电流将急剧增大，这种现象称为二极管的击穿，V(BR)称为反向击穿电压。,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,二、二极管的伏安特性,(3)反向击穿特性,需说明一点，发生击穿并不意味着二极管被损坏，实际上，当反向击穿时,只要注意控制反向电流的数值(加限流电阻)，不使其过大，以免过热而烧坏二极管，则当反向电压降低时，二极管的性能可以恢复正常。,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,二、二极管的伏安特性,3、二极管的主要参数：,、最大正向电流IFM：指二极管长期工作时允许通过 的最大正向平均电流。IFM的数值由二极管温升(PN 结的面积、材料和散热条件)所限定。管子使用时 不应超过此值，否则可能使二极管过热而损坏。、反向峰值电压VRM：指二极管在正常使用时，不允 许超过的反向电压的极限值。为确保管子工作安 全，通常反向峰值电压VRM为击穿电压V(BR)的一 半，即。、反向直流电流IR(sat)：指二极管未被击穿时的反向 直流电流，IR(sat)越小，管子的单向导电性越好。,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,三、二极管的主要参数,、最高工作频率fM：指二极管具有单向导电性的最高工作频率。其值主要由管子的势垒电容和扩散电容的大小决定。二极管的参数反映二极管性能好坏，是选择使用二极管的依据。二极管的类型和参数可从半导体器件手册中查出。,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,三、二极管的主要参数,三、稳压二极管,1、稳压管的伏安特性：当稳压管处于击穿状态时，反向电流的变化量Iz较大时，引起管子两端的电压变化量Vz却很小，说明其具有“稳压”特性。,稳压二极管简称稳压管，实质是一个面接触型硅二极管，具有陡峭的反向击穿特性，通常工作在反向击穿状态。,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,三、稳压二极管.,图中Vz表示反向电压，即稳压管的稳定电压。由图可以看出击穿特性越陡，稳压管的动态电阻 rz 越小，稳压性能越好。,稳压管除在制造工艺上保证其能在反向击穿状态下长期工作，外部电路还应有限流措施，否则，流过稳压管的电流超过其最大允许电流，稳压管就会因热击穿而损坏。,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,三、稳压二极管.,2、主要参数：,(1)稳定电压Vz：稳压管正常工作时的稳定压值。(2)稳定电流 Iz：使稳压管正常工作时的参考电流。(3)动态电阻 rz：稳压管正常工作时的电压变化量与 电流变化量之比，即 它是衡量稳压管稳压性能好坏的指标，rz越小稳压性能越好。(4)最大稳定电流Izmax和最小稳定电流Izmin 即稳压管的最大和最小工作电流。,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,三、稳压二极管.,四、二极管电路,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,四、二极管电路,1、限幅电路,理想二极管 理想开关,二极管限幅电路,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,四、二极管电路,2、稳压电路,稳压原理 负载RL不变，VI变化 VI不变，负载RL变化,1.4 双极型晶极管,一、晶体管的结构二、晶体管的放大作用三、晶体管的共射组态特性曲线四、晶体管的主要参数,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,一、晶体管的结构：,双极型晶体管简称三极管或晶体管。从结构上看，晶体管相当于两个二极管背靠背地串联在一起，如图所示。,根据PN结的结合方式不同，可分为PNP和NPN两种类型；根据材料的不同，又有硅管和锗管之分。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,一、晶体管的结构,无论是PNP型还是NPN型三极管，均可分为三个区，即发射区、基区和集电区。从这三个区分别引出三个电极，即发射极(emitter)e、基极(base)b、集电极(collector)c。发射区和集电区都是同类型的半导体(N型或P型)。发射区的掺杂浓度要比集电区大，以便发射更多的载流子；集电区的面积比发射区大，以便收集载流子。基区做的很薄(约几微米几十微米)，且掺杂浓度低，这样形成两个靠的很近的PN结。基区和发射区之间的PN结叫做发射结，基区和集电区之间的PN结叫做集电结。这种结构使基极起着控制多子流动的作用。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,一、晶体管的结构,符号中的箭头方向表示发射结正向偏置时发射极电流的方向。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,一、晶体管的结构,PNP型和NPN型三极管的工作原理是相同的，现以NPN型三极管为例说明三极管的工作原理。晶体管具有放大作用和开关作用，模拟电路部分只讨论放大作用。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,一、晶体管的结构,利用晶体管的放大作用组成放大器时，晶体管三个电极中一个极作为输入端，一个极作为输出端，还有一个极作为输入和输出的公共端。根据公共端电极的不同，晶体管有三种不同的连接方式：共基极，共发射极和共集电极接法。无论那种接法，要使三极管具有放大作用，必须在各电极间加上极性适当的电压(Vc Vb Ve)，使发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。这是三极管实现放大作用的外部条件。,二、晶体管的放大作用：,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,1、晶体管内部载流子的运动规律：,(1)发射区向基区发射电子：当发射结正向偏置时，发射区有大量的电子向基区扩散，形成发射极电流 IE(注：电流方向与电子扩散方向相反)。同时，基区空穴也会扩散到发射区形成空穴电流，它也是IE的组成部分，只不过基区的空穴浓度太低，故空穴电流与电子电流相比，可忽略。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,(2)电子在基区中扩散与复合：,在基区中，同时存在着扩散和复合两种过程，但扩散占优势，复合形成基极电流IB是很小的。,(3)集电区收集电子：,集电结反向偏置，使集电结内电场很强，因而它阻止集电区电子向基区扩散，但有利于从发射区扩散到基区的大量电子穿过集电结，从而被集电极收集形成集电极电流 IC。实际上IC还应包括从集电结两边的少子漂移所形成的反向饱和电流 ICBO，但常因其数值很小，可以忽略，但其受温度影响显著。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,2、晶体管直流电流传输方程,(1)共基极直流电流传输方程:,由发射区传输到集电区的电流ICN与IE之间保持一定的比例，比例系数称为共基极电流放大系数hFB,即：,则,共基极直流电流传输方程,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,由图可得晶体管三个电极的电流关系：,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,(2)共发射极直流电流传输方程:,虽然共发射极放大电路和共基极放大电路的放大性能各不相同，但管内载流子的运动规律相同，因此，可从前面讨论得到的晶体管三个电极的电流基本关系，导出共射电路的直流电流传输方程。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,将NPN型三极管按图示电路连接，其中发射极是公共端。输入电流为IB，输出电流为IC，由于IC IB，故共射放大电路有电流放大作用。,共发射极直流电流传输方程：式中ICEO=(1+hFE)ICBO表示基极开路(IB=0)时，集电极到发射极的直通电流，称为穿透电流。,一般ICICEO，可得：,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,如果取电流变化量，则有 IC=hfeIB，其中hfe叫交流电流放大系数。这表明基极电流一个小的变化IB，可以引起集电极电流一个大的变化IC。这就是晶体三极管的电流放大作用。需要说明的是，hFE与hfe的含义是不同的，但对大多数三极管，hFE与hfe的数值相差不大，故在计算时，不严格区分。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,(3)共集电极直流电流传输方程:,共集电极电路中，输入电流为IB，输出电流为IE。故共集电极直流电流传输方程为：,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,晶体管三个电极的电流关系：,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,四、晶体管的主要参数,三、晶体管的共射组态特性曲线：,晶体管外部各极电流和电压的关系曲线，称为晶体管的特性曲线，特性曲线全面反映了晶体管性能，是分析放大电路的重要依据。对于晶体管不同的连接方式，有不同的特性曲线，下面讨论最常用的是共发射极接法的输入特性和输出特性。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,测量共射极特性曲线的电路,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,1、输入特性曲线：,是指集电极电压VCE一定时，基极电流IB与基射极电压VBE之间的函数关系曲线，即 如图所示。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,对硅管而言VCE1V时，集电结已反向偏置，并且内电场已足够大，且基区很薄，可以把发射区扩散到基区的电子绝大部分拉入集电区。此时，再增大VCE，只要VBE不变(从发射区扩散到基区的电子数就一定)，IB也就不在明显减小。就是说，VCE1V后的输入特性曲线基本上是重合的。所以通常只画出VCE1V的一条输入特性曲线就可以了。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,与二极管(正向特性)一样，晶体管的输入特性曲线亦为一指数曲，也有一开启电压，硅管约0.5V；锗管0.2V)。正常工作时，VBE很小，硅管约0.7V(锗管的约0.3V)左右。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,2、输出特性曲线：,指基极电流IB为常数时，集电极电流IC与集射极电压VCE之间的函数关系曲线，即,在IB取不同值时，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性是一个曲线簇，如图所示。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,以IB=20A曲线为例分析：当VCE从 0V升高到1V，IC 随VCE的升高而很快增加。这是因为VCE很小时，加在集电结的反向电压很小，不能把发射区注入基区的电子大部分拉过去；随着VCE的增大，拉过去的电子急剧增多，IC 迅速增大。当VCE1V以后，曲线平坦，IC几乎不受的VCE的影响。这是因为VCE增大到一定数值后，已有足够能力将发射区注入基区的电子几乎全部拉过去，VCE再增大，IC几乎不变。此时IC主要由IB决定,与VCE无关，这段特性称为恒流特性。若VCE继续增加,大于某一值时，IC将急剧增大，产生击穿现象。从输出特性曲线还可看出，IB=0(相当于基极开路)时，IC=ICEO 0，这个电流就是在VCE作用下，从c极到e极的漏电流，也叫做穿透电流。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,通常把晶体管输出特性曲线分为三个工作区：,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,A、截止区：即IB0的的区域，图中为IB=0特性曲线下的阴影 部分。该区特点：e结和 c结均处于反向偏置，晶体管失去 了放大能力；管子处于截止状态，IC=ICEO0；c极和e极 间等效阻抗很大，相当于断开的开关。B、放大区：放大区内各条特性曲线比较平坦，近似为水平的 直线，表示当 IB 一定时，IC 的值基本上不随VCE而变化。当基极电流有一个微小的变化量IB时，在集电极相应会产 生较大的变化量IC，比IB 放大hfe倍，即有IC=hfeIB。该区特点：e结正向偏置，c结反向偏置，IC随IB变化。,C、饱和区：即图中虚线左边的阴影部分，由各条输出特性曲线 的上升部分构成。此区域内，不同IB值的各条特性曲线基本 上重叠在一起，表明在VCE较小时，管子的集电极电流IC基 本上不随基极电流IB而变化，称为饱和。一般认为，当VCE=VBE，即VCB=0时，三极管达到临界饱和状态，当VCE VBE时称为过饱和。三极管饱和时的管压降记为VCES。该区 特点:e结和c 结均处于正向偏置，晶体管失去了放大能力；此时三 极管的饱和管压降VCES很小(一般 小功率硅管的VCES 0.4V)；c极 和e极间相当于接通的开关。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,四、晶体管的主要参数：,1、电流放大倍数：,低频时hfe值不变，记为hfeo，高频时hfe随 f的升高而减小；图中：共射极截止频率；fT：特征频率。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,四、晶体管的主要参数,2、极间反向电流ICBO和ICEO:ICEO=(1+hfe)ICBO ICBO为e极开路，集电结反向偏置时，基极回路中的集电极反向饱和电流。ICEO为集射反向穿透电流。3、极限参数：集电极最大允许电流ICM 集电极最大功耗 PCM=ICMVCE 集基极反向击穿电压V(BR)CBO 集射极反向击穿电压V(BR)CEO 射基极反向击穿电压V(BR)EBO,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,四、晶体管的主要参数,1.5 场效应管,一、绝缘栅型场效应管二、N沟道增强型MOS场效应管三、N沟道耗尽型MOS场效应管四、场效应管的主要参数,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,一、绝缘栅型场效应管,前面介绍的晶体管又称双极型三极管，这是因为在这类三极管中，参与导电的有两种极性的载流子：多子和少子。现在要讨论另一种类型的三极管，它们依靠一种极性的载流子(多子)参与导电，所以称为单极型三极管。又因这类管子是利用电场效应来控制电流的，因此又称场效应管。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,一、绝缘栅型场效应管,场效应管其外观与普通晶体管相似，但它们的控制特性却截然不同，普通晶体管是电流控制元件，即通过基极电流来控制集电极电流，晶体管要求信号源必须提供一定的电流才能工作，因此它的输入电阻较低，仅102104。场效应管是电压控制元件，它的输出电流取决于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻很高，高达1091014。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,一、绝缘栅型场效应管,场效应管按其结构的不同分为两大类：结型场效应管，绝缘栅型场效应管。本节只讨论绝缘栅型场效应管的结构、工作原理和特性曲线。绝缘栅型场效应管由金属(metal)、氧化物(oxide)和半导体(semiconductor)制成，所以又称为金属氧化物半导体场效应管，简称MOS场效应管。由于这类场效应管的栅极被绝缘层(如SiO2)隔离，因此其输入电阻很高，达109以上。以导电沟道来分，MOS管有N沟道和P沟道两种类型。无论N沟道或P沟道，又都可以分为增强型和耗尽型两种。这里首先介绍 N沟道增强型MOS管的结构、工作原理和特性曲线。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,一、绝缘栅型场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管：,1、结构：N沟道增强型MOS场效应管的结构如图所示用一块掺杂浓度较低的P型半导体作为衬底，在其表面上覆盖一层SiO2的绝缘层，再在SiO2绝缘层上刻出两个窗口，通过扩散形成两个高掺杂的N区(用N表示)，分别引出源极S和漏极D，然后在源极和漏极之间的SiO2上面引出栅极G，栅极与其他电极之间是绝缘的。衬底也引出一根线，用B表示，通常情况下将它与源极在管子内部连接在一起。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,2、工作原理：,从图可知，N型源区与N型漏区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结，当栅源电压VGS=0时，不管漏极和源极之间所加的电压极性如何，总是不能导电。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,如果在栅极和源极之间加正向电压VGS(0)，此时栅极的金属极板(铝)与P型衬底之间构成一个平行板电容，中间为SiO2绝缘层作为介质。由于栅极的电压为正，它所产生的电场对P型衬底中的多子(空穴)起排斥作用，对少子(电子)有吸引作用。即P型衬底中的少子(电子)在电场作用下吸引到靠近SiO2的一侧，与空穴复合，形成由负离子组成的耗尽层。耗尽层的宽度随VGS的增大而变宽。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,当VGS增大到一定值时，由于吸引了足够多的电子，便在SiO2绝缘层与耗尽层之间形成了由电子作为多数载流子的表面电荷层，如图所示。因为是在P型半导体中感应产生出N型电荷层，所以称之为反型层。于是，在漏极和源极之间有了N型的导电沟道(与P型衬底间被耗尽层隔开)。开始形成反型层所需的VGS称为开启电压，用VGS(th)表示。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,由于在漏极和源极之间形成了N型的导电沟道。此时加上 VDS，就会产生漏极电流ID。当VGS VGS(th)后，随着VGS的升高，感应电荷增多，导电沟道变宽，沟道电阻减小，在VDS不变的条件下，ID随之增加。这表明VGS对漏极电流ID有控制作用。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,假设VGS为一个大于VGS(th)的固定值，并在漏极和源极之间加上正电压VDS，且VDSVGS(th)。此时由于漏源之间存在导电沟道，所以将有一个电流 ID。但因 ID流过导电沟道时产生电压降落，使沟道上各点电位不同。沟道上靠近漏极处电位最高，故该处栅漏之间的电位差VGD=VGSVDS最小，因而感应电荷产生的导电沟道最窄；而沟道上靠近源极处电位最低，栅源之间的电位差VGS最大，所以导电沟道最宽，结果，导电沟道呈现一个楔形，如图所示。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,当VDS增大时，ID将随之增大。与此同时，导电沟道宽度的不均匀性也愈益加剧。当VDS增大到VDS=VGSVGS(th)，即VGD=VGSVDS=VGS(th)时，靠近漏极处的沟道达到临界开启的程度，出现了预夹断的情况，如图所示。如果继续增大VDS，则沟道的夹断区逐渐延长，见图。在此过程中，由于夹断区的沟导电阻较大，所以当VDS逐渐增大时，增加的VDS几乎都降落在夹断区上，而导电沟道两端的电压几乎没有增大，即基本保持不变，漏极电流ID因此也基本不变。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,3、特性曲线：,通常用以下两种特性曲线来描述场效应管的电流和电压之间的关系：转移特性和漏极特性。测试场效应管特性曲线的电路如图所示。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,转移特性：当场效应管的漏源之间的电压VDS保持不变时，漏极电流ID与栅源电压VGS的关系称为转移特性，其表达式如下：,转移特性描述栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,N沟道增强型MOS管转移特性,由图可见当VGS VGS(th)时，由于导电沟道尚未形成，因此ID为零。当VGSVGS(th)时，导电沟道已形成，而且随着VGS的增大，导电沟道变宽，沟道电阻减小，于是ID也随之增大。,式中IDO为当VGS=2VGS(th)时的ID值。,(当VGS VGS(th)时),第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,漏极特性：,N沟道增强型MOS场效应管的漏极特性曲线与晶体管的共射极输出特性曲线很相似。但二者之间有一个重要区别，即场效应管的漏极特性以栅源电压VGS为参变量，而晶体管输出曲线的参变量是基极电流IB。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,漏极特性表示当栅源电压VGS不变时，漏极电流ID与漏源电压VDS的关系，即,N沟道增强型MOS管漏极特性曲线,N沟道增强型MOS场效应管的漏极特性曲线可以划分为三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。漏极特性中最左侧的部分，表示当VDS比较小时，ID随着VDS的增加而直线上升两者之间基本上是线性关系，此时场效应管似乎是一个线性电阻。不过，当VGS不同时直线的斜率不同，相当于电阻的阻值不同；VGS越大，则相应的电阻值越小。因该区场效应管的特性呈现为一个由VGS控制的可变电阻，所以称为可变电阻区。在漏极特性的中间部分，即图中左右两条虚线之间的区域，ID基本上不随VDS而变化，ID的值主要决定于VGS。在此区域各条漏极特性曲线近似为水平的直线，故称为恒流区。漏极特性中最右侧的部分，表示当VDS升高到一定程度时，反向偏置的PN结被击穿，将急剧增大，这个区域称为击穿区。如果电流过大，将使管子损坏。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,场效应管的上述两组特性曲线之间是有联系的，可以根据漏极特性，利用作图的方法得到相应的转移特性。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,P沟道增强型MOS场效应管的结构与N沟道增强型MOS场效应管类似，如图所示。工作原理相似，只是调换电源极性，电流方向也相反。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,三、N沟道耗尽型MOS场效应管：,根据前面的介绍可知，对于N沟道增强型MOS场效应管，只有当VGS VGS(th)时，漏极和源极之间才存在导电沟道。而耗尽型MOS场效应管则不同，在制造过程中由于预先在SiO2的绝缘层中掺入了大量的正离子，因此，即使VGS=0，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的负电荷，形成反型层，从而产生N型导电沟道。如图所示。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,三、N沟道耗尽型MOS场效应管,如果使VGS 0，则由于栅极接电源的负端，其电场将削弱原来SiO2绝缘层中正离子产生的电场，使感应负电荷减少，N型导电沟道变窄，从而使 ID 减小。当VGS更负，达到某一值时，感应电荷被“耗尽”，导电沟道消失，于是 ID0。因此这种MOS场效应管称为耗尽型。使 ID0 时的VGS称为夹断电压，用VGS(off)表示,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,三、N沟道耗尽型MOS场效应管,图中所示的是N沟道耗尽型MOS场效应管的转移特性和漏极特性。由图可见当VGS 0时，ID增大；当VGS 0时，ID减小。,P沟道耗尽型MOS场效应管的工作原理与N沟道型类似，不再介绍。同学们可自己类推。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,三、N沟道耗尽型MOS场效应管,四、场效应管的主要参数：,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,四、场效应管的主要参数,1、直流参数：开启电压 VGS(th)VGS(th)是增强型MOS管的一个重要参数。其定义是当VDS一定时，使漏极电流达到某一数值(如10A)时所需的VGS值。夹断电压 VGS(off)VGS(off)是耗尽型MOS管的一个重要参数。其定义是当VDS一定时，使漏极电流减小某一微小电流(如50A)时所需的V