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1、第一章 半导体基础与半导体器件,1.1 半导体物理基础知识,一、半导体的结构特点,二、半导体的分类,三、PN结,本征半导体,杂质半导体,PN结的形成,PN结的单向导电性,-本征激发现象,P型半导体,N型半导体,半导体的结构（1）,半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的材料 称为半导体材料。,典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,自然界的物体根据其导电能力(电阻率)的不同，可划分为导体、绝缘体和半导体。,半导体材料 (Semiconductor Materials),半导体的结构（2）,半导体的共价键结构,硅晶体的空间排列,半导体在常温下几乎不导电,end,本征半导体,本征半导体(
2、Intrinsic Semiconductors) 化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。,电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。,本征激发：当外界给半导体施加能量时，一些共价键中的电子会脱离共价键的束缚成为自由电子，而在原来的位置上产生一个空穴(hole)。这种现象称为本征激发。,空穴,电子空穴对,电子空穴对可参与导电,end,杂质半导体（1）,杂质半导体(Extrinsic Semiconductors),在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,N型半导体掺入五价杂质元素
3、（如磷）的半导体。,P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。,杂质半导体的导电能力比纯净半导体高几十万到几百万倍。如：纯硅中掺入百万分之一的硼，电阻率从大约2103m减小到4103m,杂质半导体（2）,N型半导体,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子(多子），它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子（少子）, 由热激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,电子空穴对,电子,杂质半导体（3）,P型半导体,因三价杂质
4、原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,空穴,电子空穴对,end,PN结的性质 PN结的形成,end,在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡，PN结形成。,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,P区,N区,空间电荷区,内电场,PN结的性质PN结的单向导电性（1）,当外加电压使PN
5、结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏(Forward Bias),PN结加正向电压时（Forward-Based PN Junction),特点：低电阻 大的正向扩散电流,PN结的性质- PN结的单向导电性（2）,PN结的伏安特性,当外加电压使PN结中P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏(Reverse Bais)。,PN结加反向电压时(Reverse-Based PN Junction),特点： 高电阻 很小的反向漂移电流,PN结的性质PN结的单向导电性（3）,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的
6、反向漂移电流。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,end,一、半导体二极管的结构特点,二、半导体二极管的伏安特性,正向特性,反向特性,三、二极管的电路模型,四、含二极管电路的分析,五、二极管的主要参数,六、稳压二极管,1.2 半导体二极管,半导体二极管(Diode)结构（1）,将PN结用外壳封装起来,并加上电极引线就构成了半导体二极管,简称二极管。,半导体二极管(Diode)结构（2）,二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,半导体二极管结构（3）,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造艺中。P
7、N 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(4) 二极管的符号,end,二极管的伏安特性（1）,其中：,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,二极管的伏安特性曲线可用下式表示Current-Voltage Relationship,二极管的伏安特性（2）,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,热击穿不可逆,二极管的伏安特性（3）,正向特性,反向特性,反向击穿特性,实际二极管器件的几个典型值：,死区电压：硅管0.5V左右、锗管0.2V左右,导通压
8、降：硅管0.7V左右、锗管0.3V左右,反向饱和电流：硅管几uA、锗管几十uA,end,二极管的模型,1. 理想模型,3. 折线模型,2. 恒压降模型,特点：死区电压=0 正向导通压降=0 反向饱和电流=0,特点：正向导通压降 =死区电压 =0.7V或0.3V 反向饱和电流=0,特点：正向导通压降 =死区电压 =0.5V或0.2V 反向饱和电流=0,end,二极管电路分析举例（1）,含二极管电路的分析方法,确定二极管的工作状态,根据工作状态用不同的模型代替二极管,在等效后的线性电路中作相应的分析,若二极管工作在截止状态则可等效为断开的开关,若二极管工作在导通状态则可等效为导通的开关,或电压为U
9、ON的电压源,二极管电路分析举例（2）,如何判断二极管的工作状态,？,步骤,1、假设二极管截止，即将二极管断开。,2、计算二极管两端的电压 UD=V阳-V阴,3、判断：若 UD0，则二极管工作于导通状态 若 UD0，则二极管工作于截止状态,二极管电路分析举例（3）,例：图示电路中，分析当UA与UB分别为0与3V的不同组合时，二极管D1、D2的状态，并求U0的值。,解：,（1）当UA=UB=0时,设D1、D2截止，则等效电路为,由电路，有 UD1=0-（-5）=50 UD2=0-（-5）=50,则D1、D2处于导通状态，电路可等效为,所以，U0=0,二极管电路分析举例（4）,（2）当UA=UB=
10、3V时,设D1、D2截止，则等效电路为,由电路，有 UD1=3-（-5）=80 UD2=3-（-5）=80,则D1、D2处于导通状态，电路可等效为,所以，U0=3V,二极管电路分析举例（5）,（3）当UA=3V，UB=0时,设D1、D2截止，则等效电路为,由电路，有 UD1=3-（-5）=80 UD2=0-（-5）=50,则D1、D2处于导通状态，电路可等效为,所以，U0=3V,出现矛盾！即D1、D2不可能同时导通！,合理的情况是：D1导通，D2截止。,二极管电路分析举例（6）,（4）当UA=0，UB=3V时,所以，U0=3V,同理可得：D1截止，D2导通。,end,综上所述： 当UA、UB中
11、有一个为3V时，输出UO为3V,“或”逻辑,二极管的主要参数,(1) 最大整流电流IF：长时间工作时允许通过的最大正向平均电流。超过允许值，PN结过热二极管损坏,(2) 最大反向工作电压VRM：保证二极管不击穿的反向峰值电流。一般为反向击穿电压的二分之一到三分之一。,(3) 反向饱和电流IR越大说明二极管性能越差。,(4) 最高工作频率fM,VRM,IR,end,稳压二极管（Zener Diode)-伏安特性,(a)符号,(b) 伏安特性,稳压二极管-稳压二极管主要参数,(1) 稳定电压VZ,(2) 动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ =VZ /IZ,
12、(4)最大耗散功率 PZM,(3)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,稳压二极管-稳压电路分析(1),正常稳压时 VO =VZ,# 稳压条件是什么？,# 不加R可以吗？,RL,Io,IR,Vo,Iz,IR,Vo,稳压二极管-稳压电路分析(2),# 上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ ， VO的波形是怎样的？,例: VZ=6V,IZmax=25mA,IZmin=5mA,输入电压VI=10V,负载电阻RL=600.求解限流电阻R的取值范围。,解：,end,R的取值范围为114267,一、半导体三极管的结构特点,三、半导体三极管的伏安特性,输入伏安特性,输出伏安特性,二、
13、三极管的电流放大原理,四、三极管的主要参数,1.3 半导体三极管,半导体三极管(Transistor)的结构(1),NPN型三极管的结构与符号,集电区,基区,发射区,发射结E结,集电结C结,半导体三极管又称双极型晶体管,它的基本组成部分是两个靠得很近且背对背排列的PN结。根据排列方式不同，可分为NPN和PNP两种类型。,结构特点,发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度,基区宽度很小(m 数量级),集电结面积大于发射结,PNP型三极管的结构与符号,半导体三极管(Transistor)的结构(2),end,用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论。,电流分配和放大原理,外部条件：发射结加正向电压
14、；集电结加反向电压。 UBE0,UBC0,UBC=UBE-UCE,UBEUCE,电流分配和放大原理,发射结正偏,扩散强,E区多子（自由电子）到B区,B区多子（空穴）到E区,穿过发射结的电流主要是电子流,形成发射极电流IE,IE是由扩散运动形成的,1 发射区向基区扩散电子，形成发射极电流IE。,电流分配和放大原理,2 电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流IB,E区电子到基区B后，有两种运动,同时基区中的电子被EB拉走形成,IB,IEB=IB时达到动态平衡,形成稳定的基极电流IB,IB是由复合运动形成的,电流分配和放大原理,3 集电极收集电子，形成集电极电流IC,集电结反偏,阻碍C区中的多子（自
15、由电子）扩散，同时收集E区扩散过来的电子,有助于少子的漂移运动，有反向饱和电流ICBO,形成集电极电流IC,由图可得各电流之间的关系：,IE = IC + IB,又因为： IC = INC + ICBO,IE = INE+ IPE = INB+ INC+ IPE,IB= INB + IPE- ICBO,定义共发射极直流电流放大系数,所以有：,称 - 穿透电流， 它在实际器件中往往很小，则：,表明了电流放大性能,三极管的电流分配与放大（2）,三极管的电流分配与放大（3）,iB=IB+IB,iC=IC+IC,动态电流放大,Ui,IB,IC,动态电压,定义：共发射极交流电流放大系数,因为：,即：,结
16、论：1、三极管在E结正偏、C结反偏时具有电流放大作用。 2、三极管是一个电流控制元件，IC由IB控制。,end,半导体三极管的伏安特性（1）,三极管的伏安特性可分为：,输入伏安特性：,输出伏安特性：,由测量结果，可得输入伏安特性曲线：,UCE=0.5V,UCE1V,结论：三极管输入特性与二极管相似,半导体三极管的伏安特性（2）,由测量结果，可得输出伏安特性曲线：,IB=0,20uA,40uA,60uA,80uA,截止区,饱和区,放大区,截止区：IB0的区域,特点：IB=0，IC=0,等效：,条件：E结反偏,饱和区：UCE1V的区域,特点：UCE=UCES0，ICIB,等效：,条件：E结正偏、C
17、结正偏,放大区：,特点：IC=IB,等效：,条件：E结正偏、C结反偏,结论：三极管在不同的控制条件下可工作于三种工作状态，即：放大、截止、饱和状态。,半导体三极管的伏安特性（3）,例1:测得各晶体管在无信号输入时,三个电极相对于”地”的电压如图所示。问哪些管子工作于放大状态,哪些处于截止、饱和状态，哪些管子已经损坏？,-2.7V,截止,放大,饱和,放大,饱和,放大,已损坏,倒置,半导体三极管的伏安特性（4）,半导体三极管的伏安特性（5）,例2:如图所示电路中,已知三极管的电流放大倍数=50,Uon=0.7V。求：IC、IB、IE、UCE。,end,半导体三极管的主要参数,共射电流放大系数,共射
18、直流电流放大系数,共射交流电流放大系数,一般在几十一百之间,极间反向电流,集电极-基极反向饱和电流ICBO,集电极-发射极穿透电流ICEO,受温度影响，硅管ICBO1uA、锗管约十几uA,极限参数,集电极最大允许电流ICM,集电极-发射极击穿电压U（BR）CEO,集电极最大允许耗散功率PCM=UCEIC,ICEO,ICM,U（BR）CEO,PCM,安全工作区SOA,end,场效应管的结构与分类（1）,场效应管可分为：,结型场效应管（JFET）,N沟道JFET(n-Channel),P沟道JFET,绝缘栅型场效应管（MOSFET）,N沟道耗尽型,P沟道耗尽型,N沟道增强型,P沟道增强型,场效应管
19、(Field Effect Transistor),-利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。,1.4 场效应管,一、场效应管的结构特点与分类,二、场效应管的工作原理,三、场效应管的伏安特性与参数,end,第一章 半导体基础与半导体器件,N沟道JFET结构示意图,场效应管的结构与分类（2）,场效应管的结构与分类（3）,N沟道增强型MOSFET结构示意图(n-Channel Enhancement),场效应管的结构与分类（4）,N沟道耗尽型MOSFET结构示意图(n-Channel Depletion),end,绝缘栅型场效应管的工作原理（1）,以N沟道增强型MOSFET为例,
20、由于D与S之间无导电沟道，则无法产生漏极电流。,加电压UGS形成一个由电子构成的N型导电沟道。,UGS,随着UGS增大,+ + +,出现正电荷,出现耗尽层,出现反型层,此时电压UGS=UGS（th） 称为开启电压,此后，电压UGS的大小可控制由反型层构成的导电沟道宽度，从而实现对电流的控制,1.导电沟道的形成,绝缘栅型场效应管的工作原理（2）,2.漏极电流ID的产生与变化,D,S,G,B,P衬底,N+,N+,UGS,+ + +,加电压UDS可形成漏极电流ID,随着UDS的增加ID增加、沟道在D端变窄,ID,当UGD=UGS（th)时，沟道在D端出现夹断，称为预夹断,此后夹断区域变长，ID不变,
21、出现恒流现象,UGDUGS(th),UGD=UGS(th),UGDUGS(th),end,场效应管的伏安特性（1）,场效应管的特性,转移特性：,漏极特性:,漏极特性可分为可变电阻区、恒流区和夹断区三个部分。,预夹断轨迹,可变电阻区,夹断区,恒流区,夹断区：,特点：ID=0,等效：,条件：UGSUGS(th),可变电阻区：,特点：UDS=RDSID,等效：,条件： UGSUGS(th)、UDSUGS-UGS(th),恒流区：,特点： ID=GmUGS,等效：,条件： UGSUGS(th)、UDSUGS-UGS(th),以N沟道增强型MOS管为例,直流跨导,场效应管的伏安特性（2）,UDS=6V,
22、ID0,转移特性曲线是UDS使管子工作于恒流区时ID与UGS的关系曲线，可近似为：,其中，ID0是UGS=2UGS(th)时的ID值。,场效应管的伏安特性（3）,场效应管的主要参数（4）,开启电压UGS(th)：增强型MOS管形成电流ID所需的最小电压。,夹断电压UGS(off)：使耗尽型MOS管电流ID为零所需的电压。,直流输入电阻RGS：RGS=UGS/IGS，一般大于109。,低频跨导gm：表明电压UGS对电流ID的控制，定义,最大漏极电流ID：指管子工作时允许的最大漏极电流。,漏源击穿电压U(BR)DS：指管子工作时允许的最大漏源电压UDS.,栅源击穿电压U(BR)GS：指管子工作时允
23、许的最大栅源电压UGS.,最大耗散功率PDM：指管子工作时允许的最大消耗功率。,end,场效应管与晶体管的比较,场效应管的栅极g、源极s、漏极d对应于晶体管的基极b、发射极e、集电极c.,1、场效应管输入电阻高，栅极基本不取电流；晶体管工作时基极总要索取一定的电流。,2、场效应管只有多子参与导电（单极型晶体管）；晶体管内既有多子又有少子参与导电（双极型晶体管）。场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。,3、场效应管的源极和漏极可以互换使用，而晶体管的发射极与集电极互换后特性差异很大。,4、场效应管集成工艺简单，且具有耗电省、工作电压范围宽等优点，因此越来越多地应用于LSI和VLSI电路中。,
