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1、第一章 半导体器件的特性本讲稿第一页，共五十二页1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性1.2 PN结结1.3 二极管二极管1.4 双极型晶体管（双极型晶体管（BJT）1.5 场效应管（场效应管（FET）主要内容及要求主要内容及要求基础，必须掌握：基本概念，原理，特征曲线、参数，应用等。了解原理，掌握特征曲线、参数。本讲稿第二页，共五十二页半导体材料：物质根据其导电能力(电阻率)的不同，可划分导体、绝缘体和半导体。导 体：109/cm 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。典型的元素半导体有硅Si和锗Ge，此外，还有化合物半导体砷化镓GaAs等。1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性本讲稿第
2、三页，共五十二页半导体的原子结构和简化模型半导体的原子结构和简化模型元素半导体硅和锗共同的特点：原子最外层的电子（价电子）数均为4。1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性图1.1.1 硅和锗的原子结构和简化模型本讲稿第四页，共五十二页1.1.1本征半导体的导电特性本征半导体本征半导体：纯净的且具有完整晶体结构的半导体。载流子：载流子：物资内部运载电荷的粒子。本征激发：本征激发：在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。空穴：空穴：共价键中的空位。复合：复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。动态平衡：动态平衡：当温度
3、T一定时，单位时间内产生的自由电子空穴对数目与单位时间内因复合而消失掉的自由电子空穴对数目相等，称为载流子的动态平衡。1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性本讲稿第五页，共五十二页金刚石结构本讲稿第六页，共五十二页1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性空穴自由电子图1.1.2 硅单晶共价键结构图1.1.3 本征激发产生电子空穴对本讲稿第七页，共五十二页半导体中的两种载流子：自由电子，空穴。两种载流子导电的差异：自由电子在晶格中自由运动空穴运动即价电子填补空穴的运动，始终在原子的共价键间运动。结论：结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3
4、本征半导体导电能力弱，并与温度有关。1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性本讲稿第八页，共五十二页1.1.2杂质半导体的导电特性1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性+5+4+4+4+4+4电子为多数载流子电子为多数载流子空穴为少数载流子空穴为少数载流子载流子数载流子数 电子数电子数一、一、N 型半导体型半导体图1.1.4 N型半导体正离子正离子磷原子磷原子自由电子自由电子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子本讲稿第九页，共五十二页1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性+3+4+4+4+4+4电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数二、二、P 型半导体型半导体空穴空穴 多子多
5、子图1.1.5 P型半导体硼原子硼原子空穴空穴负离子负离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子本讲稿第十页，共五十二页1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性小结本讲主要介绍了下列半导体的基本概念：v 本征半导体v 本征激发、空穴、载流子v 杂质半导体v P型半导体和N型半导体v 受主杂质、施主杂质、多子、少子本讲稿第十一页，共五十二页1.2.1 PN结的形成1.2 PN结结图1.2.1 载流子的扩散运动图1.2.2 PN结的形成本讲稿第十二页，共五十二页过程：1.载流子的浓度差引起多子的扩散；2.复合使交界面形成空间电荷区；3.空间电荷区阻止多子扩散，引起少子漂移；4.扩散和漂移达到动态
6、平衡。1.2 PN结结本讲稿第十三页，共五十二页1.2.2 PN结的单向导电性一、外加正向电压 外电场使多子向 PN 结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄，扩散运动加强，形成了一个流入P区的正向电流 IF。二、外加反向电压 外电场使少子背离 PN 结移动，空间电荷区变宽。漂移运动加强形成反向电流 IR。1.2 PN结结 本讲稿第十四页，共五十二页单向导电性：v正偏导通，呈小电阻，电流较大;v反偏截止，电阻很大，电流近似为零。1.2 PN结结本讲稿第十五页，共五十二页小结本讲主要介绍了以下基本内容：v PN结形成：扩散、复合、空间电荷区（耗尽层、势垒区、阻挡层、内建电场）、漂移、动态平衡v PN
7、结的单向导电性：正偏导通、反偏截止1.2 PN结结本讲稿第十六页，共五十二页1.3.1 二极管的结构及符号构成：构成：PN 结结+引线引线+管壳管壳=二极管二极管符号：符号：分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型1.3二极管二极管本讲稿第十七页，共五十二页1.3 二极管二极管点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面
8、型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底本讲稿第十八页，共五十二页1.3.2 二极管的伏安特性一、PN结的伏安特性1.3 二极管二极管：温度的电压当量:玻耳兹曼常数：热力学温度:电子的电量室温时：正向特性反向特性反向击穿击穿电压反向饱和电流本讲稿第十九页，共五十二页二、实际二极管的伏安特性1.3 二极管二极管：门限电压（开启电压）实际二极管伏安特性和PN结伏安特性略有差别本讲稿第二十页，共五十二页三、理想二极管的特性若二极管的正向压降远小于和它串联的电压，反向电流远小于和它并联的电流，可用理想二极管来等效二极管。理想二极管的门限电压和正向压降均为零，反偏时反向电流也为零。1.3 二极管二
9、极管二极管的理想等效模型本讲稿第二十一页，共五十二页1.3.3 二极管的主要参数1、最大正向电流IFM：二极管长期工作运行通过的最大正向平均电流。2、反向峰值电压VRM：为保证管子安全工作，通常取为击穿电压的一半。3、反向直流电流IR(sat)：是管子未击穿时反向直流电流的数值。4、最高工作频率fM：是二极管具有单向导电性的最高工作频率。1.3 二极管二极管本讲稿第二十二页，共五十二页1.3.4 稳压二极管一、稳压二极管的稳压特性具有陡峭的反向击穿特性，工作在反向击穿状态。1.3 二极管二极管符号和特性曲线VZ：反向击穿电压，即稳压管的稳定电压。rZ=VZ/IZ：稳压管的动态电阻，越小稳压性能
10、越好。本讲稿第二十三页，共五十二页二、稳压管的参数1、稳定电压VZ2、稳定电流IZ：3、动态电阻rZ：4、最大稳定电流IZmax和最小稳定电流IZmin1.3 二极管二极管本讲稿第二十四页，共五十二页1.3.5 二极管电路一、限幅电路1.3 二极管二极管本讲稿第二十五页，共五十二页1.3 二极管二极管二、稳压电路当负载RL不变而输入电压增加时，当输入电压不变而负载RL减小时，稳压管控制电流，使总电流改变或保持不变，并通过限流电阻产生调压作用，使输出电压稳定。稳压条件：本讲稿第二十六页，共五十二页例1.3.1题：v当负载最小时，输出电流最大。这时稳压管的电流也应大于其最小工作电流，可求得最大限流
11、电阻。v当负载最大时，输出电流最小，这时稳压管的电流也应小于其最大工作电流，可求得最小限流电阻。1.3 二极管二极管本讲稿第二十七页，共五十二页1.3 二极管二极管小 结 本讲主要介绍了以下基本内容：半导体二极管的构成和类型：点接触型、面接触型、平面型；硅管、锗管。半导体二极管的特性：与PN结基本相同。半导体二极管的参数 稳压二极管 二极管电路本讲稿第二十八页，共五十二页1.4.1晶体管的结构及符号结构：三个区：发射区、基区和集电区 三个极：发射极、基极和集电极两个结：发射结、集电结1.4 双极型晶体管双极型晶体管晶体管结构示意图晶体管符号本讲稿第二十九页，共五十二页生成类型：合金型和平面型要
12、实现电流放大作用，要求：发射区掺杂浓度高；基区薄且掺杂浓度低；集电结面积大。1.4 双极型晶体管双极型晶体管本讲稿第三十页，共五十二页1.4.2晶体管内载流子的传输过程晶体管正常工作的外部条件：发射结外加正向电压VBE，集电结加上较大的反向偏压VCB。1.4 双极型晶体管双极型晶体管管内载流子的传输过程传输过程可分三步：1）发射区向基区注入载流子，形成发射结电流IE；2）电子在基区扩散和与基区空穴复合，形成基极电流IB ；3）集电结收集电子，形成集电极电流IC 本讲稿第三十一页，共五十二页1.4.3 晶体管直流电流传输方程一、共基极直流电流传输方程共基极电流放大系数 ：1.4 双极型晶体管双极
13、型晶体管共基极直流电流传输方程：三个极之间电流关系：本讲稿第三十二页，共五十二页1.4 双极型晶体管双极型晶体管二、共发射极直流电流传输方程定义共发射极直流放大系数：共发射极直流电流传输方程：穿透电流：本讲稿第三十三页，共五十二页三、共集电极直流电流传输方程1.4 双极型晶体管双极型晶体管共集电极直流电流传输方程：本讲稿第三十四页，共五十二页1.4.4 晶体管的共射组态特性曲线一、输入特性曲线分析：时：集电结正偏，相当于两个二极管并联的正向特性。时：曲线右移，集电结由正偏向反偏过渡，开始收集电子。后，曲线基本不变，电流分配关系确定。1.4 双极型晶体管双极型晶体管特性曲线测量电流输入特性曲线本
14、讲稿第三十五页，共五十二页二、输出特性曲线1.4 双极型晶体管双极型晶体管输出特性曲线三个区：放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。饱和区：vCE减小到一定程度，集电结吸引电子能力削弱。iB失去对iC控制作用，失去放大作用，饱和。饱和压降VCE(sat)很小。饱和时集电结、发射结都正偏。截止区：发射极和集电结均反偏。反向饱和电流存在。本讲稿第三十六页，共五十二页1）共发射极电流放大系数1.4.5 晶体管的主要参数一、电流放大系数1.4 双极型晶体管双极型晶体管直流电流放大系数：1）共发射极电流放大系数直流电流放大系数：2）共基极电流放大系数直流电流放
15、大系数：交流电流放大系数：交流电流放大系数：本讲稿第三十七页，共五十二页二、极间反向电流 1）集电极基极反向饱和电流ICBO 2）穿透电流ICEO三、频率参数 1）共发射极截止频率 1.4 双极型晶体管双极型晶体管2）共基极截止频率 3）特征频率本讲稿第三十八页，共五十二页1.4 双极型晶体管双极型晶体管四、极限参数1）集电极最大允许电流ICM：2）集电极最大允许耗散功率PCM3）反向击穿特性：V(BR)CBO发射极开路，集电极基极间的反向击穿电压。V(BR)CEO基极开路，集电极发射极间的反向击穿电压。V(BR)EBO集电极开路，发射极基极间的反向击穿电压。本讲稿第三十九页，共五十二页 小结
16、 本讲主要介绍了以下基本内容：本讲主要介绍了以下基本内容：双极性晶体管的结构和类型：双极性晶体管的结构和类型：NPNNPN、PNPPNP 晶体管的电流放大作用和电流分配关系晶体管的电流放大作用和电流分配关系 晶体管具有放大作用的内部条件晶体管具有放大作用的内部条件 晶体管具有放大作用的外部条件晶体管具有放大作用的外部条件晶体管直流电流传输方程晶体管直流电流传输方程三种不同的连接方式：共基极、共发射极和共集电极三种不同的连接方式：共基极、共发射极和共集电极 晶体管的共射组态曲线特性晶体管的共射组态曲线特性晶体管的主要参数晶体管的主要参数 1.4 双极型晶体管双极型晶体管本讲稿第四十页，共五十二页
17、特点：特点：利用输入回路的电场效应控制输出回路的电流；仅靠半导体中利用输入回路的电场效应控制输出回路的电流；仅靠半导体中的多数载流子导电（单极型晶体管）；输入阻抗高（的多数载流子导电（单极型晶体管）；输入阻抗高（1071012），噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，功耗小。），噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，功耗小。分类：分类：1.5 场效应管场效应管本讲稿第四十一页，共五十二页1.5.1结型场效应管一、结构1.5 场效应管场效应管N沟道结型场效应管结构示意图N沟道管符号P沟道管符号本讲稿第四十二页，共五十二页二、工作原理1.5 场效应管场效应管V VDSDS=0=0时，时，V VGSGS 对
18、沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS0时，时，PN结反偏，结反偏，|VGS|耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄。沟道变窄。VGS继续继续减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时，减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时，对应的栅源电压对应的栅源电压VGS称为夹断电压称为夹断电压VP（或或VGS(off)）。）。对于对于N沟道的沟道的JFET，VP 0。若在漏源极间加上适当电压，沟道中有若在漏源极间加上适当电压，沟道中有电流电流ID流过。流过。VGS0时，时，ID较大；较大；VGSVGS(off)时，时，ID近似为零，近似为零，这时管子截止。这时管子截止。本讲稿第四十三页，共五十二页三、特性曲线1 输出特性2 转
19、移特性1.5 场效应管场效应管输出特性：分为三个区可变电阻区恒流区（放大工作区）击穿区输出特性曲线和转移特性曲线本讲稿第四十四页，共五十二页绝缘栅型场效应管1.5 场效应管场效应管增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道特性曲线沟道特性曲线本讲稿第四十五页，共五十二页1.5.3主要参数1.5 场效应管场效应管（一）直流参数（一）直流参数开启电压开启电压VGS(th)：对增强型：对增强型MOS管，当管，当VDS为定值时，使为定值时，使ID刚好刚好大于大于0时对应的时对应的VGS值。值。夹断电压夹断电压VGS(off)（或（或VP）：对耗尽型）：对耗尽型MOS管或管或JFET，当，当VD
20、S为为定值时，使定值时，使ID刚好大于刚好大于0时对应的时对应的VGS值。值。饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS：对耗尽型：对耗尽型MOS管或管或JFET，VGS=0时对时对应的漏极电流。应的漏极电流。直流输入电阻直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，：对于结型场效应三极管，RGS大于大于107，MOS管的管的RGS大于大于109。本讲稿第四十六页，共五十二页（二）交流参数（二）交流参数 低频跨导低频跨导gm：低频跨导反映了：低频跨导反映了vGS对对iD的控制作用。的控制作用。gm可以在可以在转移特性曲线上求得。转移特性曲线上求得。1.5 场效应管场效应管 极间电容：极间电容：Cgs和和Cg
21、d约为约为13pF，和，和 Cds约为约为0.11pF。高频应。高频应用时，应考虑极间电容的影响。用时，应考虑极间电容的影响。（三）极限参数（三）极限参数 最大漏极电流最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流的上限值。：管子正常工作时漏极电流的上限值。击穿电压击穿电压V(BR)DS、V(BR)GS：管子漏：管子漏-源、栅源、栅-源击穿电压。源击穿电压。最大耗散功率最大耗散功率 PDM：决定于管子允许的温升。：决定于管子允许的温升。本讲稿第四十七页，共五十二页1.5.4使用注意事项1.5 场效应管场效应管1 1 对于对于MOSMOS管，应将衬底引线于源极引线连在一起。管，应将衬底引线于源极引线
22、连在一起。2 2 场效应管的源极和漏极可以互换，但若产品源极已接衬底，场效应管的源极和漏极可以互换，但若产品源极已接衬底，则不能互换。则不能互换。3 3 对于对于MOSMOS管，栅管，栅-衬之间的电容容量很小，衬之间的电容容量很小，R RGSGS很大，感生电荷的高很大，感生电荷的高压容易使很薄的绝缘层击穿，造成管子的损坏。因此，无论是工作中压容易使很薄的绝缘层击穿，造成管子的损坏。因此，无论是工作中还是存放的还是存放的MOSMOS管，都应为栅管，都应为栅-源之间提供直流通路，避免栅极悬空；源之间提供直流通路，避免栅极悬空；同时，在焊接时，要将烙铁良好接地。同时，在焊接时，要将烙铁良好接地。本讲
23、稿第四十八页，共五十二页1.5.5场效应管和双极型晶体管的比较1.5 场效应管场效应管 1 场效应管的漏极场效应管的漏极d、栅极、栅极g和源极和源极s分别对应晶体管的分别对应晶体管的集电极集电极c、基极、基极b和发射极和发射极e，其作用类似。，其作用类似。2 场效应管以栅场效应管以栅-源电压控制漏极电流，是电压控制型器件，源电压控制漏极电流，是电压控制型器件，且只有多子参与导电，是单极性晶体管；三极管以基极电流控制且只有多子参与导电，是单极性晶体管；三极管以基极电流控制集电极电流，是电流控制型器件，晶体管内既有多子又有少子参集电极电流，是电流控制型器件，晶体管内既有多子又有少子参与导电，是双极
24、性晶体管。与导电，是双极性晶体管。3 场效应管的输入电阻远大于晶体管的输入电阻，其温场效应管的输入电阻远大于晶体管的输入电阻，其温度稳定性好、抗辐射能力强、噪声系数小。度稳定性好、抗辐射能力强、噪声系数小。4 场效应管的漏极和源极可以互换，而互换后特性变化场效应管的漏极和源极可以互换，而互换后特性变化不大；晶体管的集电极和发射极互换后特性相差很大。不大；晶体管的集电极和发射极互换后特性相差很大。本讲稿第四十九页，共五十二页 6 场效应管的种类多，栅场效应管的种类多，栅-源电压可正、可负，使用更灵活。源电压可正、可负，使用更灵活。7 场效应管集成工艺更简单、功耗小、工作电源电压范围宽，场效应管集
25、成工艺更简单、功耗小、工作电源电压范围宽，使之更多地应用于大规模和超大规模集成电路中。使之更多地应用于大规模和超大规模集成电路中。8 一般情况下，由晶体管构成的放大电路具有更高的电压一般情况下，由晶体管构成的放大电路具有更高的电压放大倍数和输出功率。放大倍数和输出功率。1.5 场效应管场效应管 5 场效应管除了可用作放大器件和可控开关外，还可用作压控可场效应管除了可用作放大器件和可控开关外，还可用作压控可变线性电阻。变线性电阻。本讲稿第五十页，共五十二页小结小结本讲主要介绍了以下基本内容：本讲主要介绍了以下基本内容：v场效应管类型、符号场效应管类型、符号v特性曲线特性曲线1.5 场效应管场效应管本讲稿第五十一页，共五十二页本章主要内容本章主要内容v载流子产生方式：本征激发和掺杂。载流子产生方式：本征激发和掺杂。v载流子的两种运动方式：扩散和漂移。载流子的两种运动方式：扩散和漂移。v半导体二极管：单向导电性。半导体二极管：单向导电性。v双极型晶体管：电流控制器件。双极型晶体管：电流控制器件。v场效应管：电压控制器件。场效应管：电压控制器件。v三种器件：非线性器件，特性曲线。三种器件：非线性器件，特性曲线。本章小结本章小结本讲稿第五十二页，共五十二页