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1、模拟电子技术信息学院主讲老师：刘毅,第一章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型晶体管 1.4 场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6 集成电路中的元件,1.1 半导体基础知识,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。,往纯净的半导体中掺入
2、某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。,1.1.1 本征半导体,一、本征半导体的结构特点,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,硅和锗的共价键结构,共价键共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体
3、中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,二、本征半导体的导电机理,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,1.载流子、自由电子和空穴,自由电子,空穴,束缚电子,2.本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的
4、迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。,1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由
5、电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,一、N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,多余电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子
6、（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,二、P 型半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,三、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,1.1.3 PN结,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，称为扩散运动。漂移运动：在电场力作用下载流子的运动。,一、PN结的形成,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使
7、漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P 区加正、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N 区加正电压。,二、PN结的单向导电性,1.PN 结正向偏置,P,N,+,_
8、,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。此时PN结导通。,2.PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。此时PN结截止。,R,E,三、PN结的电流方程,电流方程：,IS为反向饱和电流。T=300K时，UT=26mV,四、PN结的伏安特性,反向击穿电压UBR,电流方程：,u0部分称为正向特性u0部分称为反向特性,当反向电压超过一定数值UBR后，反向电流急剧增加，称为反向击穿。,五、PN结的电容效应,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的
9、区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,1.2.1 半导体二极管的几种常见结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,1.2 半导体二极管,1.2.2 二极管
10、的伏安特性,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,电流方程：,1.2.3 二极管的主要参数,1.最大整流电流 IF,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.最高反向工作电压UR,二极管工作时允许外加的最大反向电压值。超过此值时，二极管有可能因反向击穿而损坏。手册上给出的最高反向工作电压UR一般是击穿电压U（BR）的一半。,3.反向电流 IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗
11、管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,4.最高工作频率 fM,二极管工作的上限频率。超过此值时，由于结间电容的作用，二极管将不能很好地体现单向导电性。,1.2.4 二极管的等效电路,一、由伏安特性折线化得到的等效电路,i,u,i,u,0,0,i,u,0,UON,UON,UON,UON,rD,R,I,V,+UD,(a),(b),(c),用(a)的模型，I=V/R用(b)的模型，对于硅管，可取UD=Uon=0.7V；对于锗管，可取UD=Uon=0.2V。于是I=(V-Uon)/R用(c)的模型，I=(V-Uon)/(rD+R)一般情况下多采用(b)来等效。,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q
12、附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,二、二极管的微变等效电路,1.2.5 稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）额定功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,稳压二极管的应用举例,解：IR=IDZ+IL，IDZ=(525)mA，IL=UZ/RL=10mA。UR=UI-UZ=10-6=4V,求：限流电阻R的取值范围,1.2.6 其他类型二极管,一、发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段
13、的光，它的电特性与一般二极管类似。发光二极管驱动电压低、功耗小、寿命长、可靠性高，可代替一般的小灯泡。,符号,反向电流随光照强度的增加而上升。,二、光电二极管,注意第四象限呈光电池特性。此时光电二极管的电压和电流的实际方向相反，根普通电池发出功率时的情况一样。而且入射照度越大，发出的电压和电流越大。,1.3 双极型晶体管,1.3.1 晶体管的结构及类型,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,发射结,集电结,1.3.2晶体管的电流放大作用,EB,RB,EC,1,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电
14、结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,EB,RB,EC,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,2,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,IB=IBE-ICBOIBE,3,4,ICE与IBE之比称为电流放大倍数,要使晶体管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,NPN型晶体管,PNP型晶体管,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,IC,V,UCE,UBE,RB,IB,EC,EB,实验线路,一、输入特性,工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,二、输出特性曲线,IC
15、(mA),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,1.3.4 晶体管的主要参数,前面的电路中，晶体管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大倍数：,工作于动态的晶体管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,1.电流放大倍数和,例：UCE=6V时：IB=40 A,IC=1.5 m
16、A；IB=60 A,IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=,2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,B,E,C,N,N,P,ICBO进入N区，形成IBE。,根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。,集电结反偏有ICBO,3.集-射极反向截止电流ICEO,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。晶体管的温度特性较差。,4.集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致晶体管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,5.集-射极反向击穿电压,当集-射极之
17、间的电压UCE超过一定的数值时，晶体管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,6.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC 流过晶体管，所发出的焦耳 热为：,PC=ICUCE,必定导致结温 上升，所以PC 有限制。,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作区,温度对UBE的影响,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,温度对值及ICEO的影响,总的效果是：,五、光电晶体管,c,e,光电晶体管依据光照的强度来控制集电极电流的大小，功能可等效为一只光电二极管与一只晶体管相连。,1.4 场效应管,场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性
18、好。,结型场效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,场效应管有两种:,N,基底：N型半导体,两边是P区,G(栅极),S源极,D漏极,一、结构,1.4.1 结型场效应管:,导电沟道,N沟道结型场效应管,P沟道结型场效应管,二、工作原理（以P沟道为例）,UDS=0V时,PN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。,ID,UDS=0V时,UGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。,但当UGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。,P,G,S,D,UDS,UGS,UDS=0时,UGS达到一定值时（夹断电压UGS(off)）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS 0
19、V，漏极电流ID=0A。,ID,UGS0、UGD UGS(off)时耗尽区的形状,越靠近漏端，PN结反压越大,ID,UGS UGS(off)且UDS较大时UGD UGS(off)时耗尽区的形状,沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。,ID,UGS UGS(off)UGD=UGS(off)时,漏端的沟道被夹断，称为预夹断。,UDS增大则被夹断区向下延伸。,ID,UGS UGS(off)UGD=UGS(off)时,此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。,ID,三、特性曲线,转移特性曲线一定UDS下的ID-UGS曲线,ID,U DS,恒流区,输出特性曲线
20、,0,N沟道结型场效应管的特性曲线,转移特性曲线,饱和漏极电流,夹断电压,输出特性曲线,N沟道结型场效应管的特性曲线,夹断区,恒流区,可变电阻区,结型场效应管的缺点：,1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。,3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。,绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。,2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。,1.4.2 绝缘栅场效应管:,一、结构和电路符号,P型基底,两个N区,SiO2绝缘层,导电沟道,金属铝,N沟道增强型,N 沟道耗尽型,预埋了导电沟道,P 沟道增强型,P 沟道耗尽型,预埋了导电沟道,二、MO
21、S管的工作原理,以N 沟道增强型为例,UGS=0时,对应截止区,UGS0时,感应出电子,UGS(th)称为开启电压,UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。,当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。,当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。,UDS增加，UGD=UGS(th)时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。,三、增强型N沟道MOS管的特性曲线,输出特性曲线,UGS0,夹断区,恒流区,可变电阻区,四、耗尽型N沟道MOS管的特性曲线,耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。,转移特性曲线,输出特性曲线,UGS=0,UGS0,UGS0,夹断区,恒流区,可变电阻区,1.4.3 场效应管的主要参数,1.开启电压UGS(th),2.夹断电压UGS(off),3.饱和漏极电流IDSS,4.直流输入电阻RGS(DC),5.低频跨导gm,6.最大漏极电流IDM,7.击穿电压,8.最大耗散功率PDM,1.4.4 场效应管与晶体管的比较,1.晶体管是流控元件,场效应管是压控元件,栅极不取电流，但放大倍数较低。,2.场效应管是多子导电，单极型，温度稳定性好。,3.场效应管噪声系数小。,4.场效应管漏、源极可以互换。,6.场效应管集成工艺简单，耗电省，工作电源电压范围宽，应用更广泛。,第一章 结束,
