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1、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（BJT）1.5 场效应管（FET）,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。,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,图1
2、.1.1 硅和锗的原子结构和简化模型,本征半导体的导电特性本征半导体：纯净的且具有完整晶体结构的半导体。载流子：物资内部运载电荷的粒子。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：共价键中的空位。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：当温度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,金刚石结构,1.1 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
3、电子空穴对,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：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,杂质半导体的导电特性,1.1 半导体的导电特性,电子为多数载流子,空穴为少数载流子,载流子数 电子数,一、N 型半导体,图1.1.4 N型半导体,正离子,磷原子,自由电子,多数载流子,少数载流子,1.1 半导体的导电特性,电子 少子,载流子数 空穴数,二、P 型半导体,空穴 多子,图1.
4、1.5 P型半导体,硼原子,空穴,负离子,多数载流子,少数载流子,1.1 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：本征半导体 本征激发、空穴、载流子 杂质半导体 P型半导体和N型半导体 受主杂质、施主杂质、多子、少子,1.2.1 PN结的形成,1.2 PN结,图1.2.1 载流子的扩散运动,图1.2.2 PN结的形成,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平衡。,1.2 PN结,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
5、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,单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。,1.2 PN结,小结本讲主要介绍了以下基本内容：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 PN结的单向导电性：正偏导通、反偏截止,1.2 PN结,1.3.1 二极管的结构及符号,构成：,PN 结+引线+管壳=二极管,符号：,分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,1.
6、3二极管,1.3 二极管,1.3.2 二极管的伏安特性一、PN结的伏安特性,1.3 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,二、实际二极管的伏安特性,1.3 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,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,二极管的理想等效模型,1.3.3 二极管的主要参数1、最大正向电流IFM：二
7、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,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,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，越小稳压性能越好。,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IZmin,1.3
8、 二极管,1.3.5 二极管电路一、限幅电路,1.3 二极管,1.3 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：,例题：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，可求得最大限流电阻。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,1.3 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P
9、N结基本相同。半导体二极管的参数 稳压二极管 二极管电路,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,晶体管结构示意图,晶体管符号,生成类型：合金型和平面型要实现电流放大作用，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,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,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
10、成基极电流IB；3）集电结收集电子，形成集电极电流IC,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,共基极直流电流传输方程：,三个极之间电流关系：,1.4 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：,三、共集电极直流电流传输方程,1.4 双极型晶体管,共集电极直流电流传输方程：,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
11、。,1.4 双极型晶体管,特性曲线测量电流,输入特性曲线,二、输出特性曲线,1.4 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。,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,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
12、流电流放大系数：,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,2）共基极截止频率,3）特征频率,1.4 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。,小结 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：NPN、PNP 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
13、的内部条件 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主要参数,1.4 双极型晶体管,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。分类：,1.5 场效应管,结型场效应管一、结构,1.5 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,二、工作原理,1.5 场效应管,VDS=0时，VGS 对沟道的控制作用,当VGS0时，PN结反偏，|VGS|耗尽层加厚沟道变窄。VGS继
14、续减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时，对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。对于N沟道的JFET，VP 0。,若在漏源极间加上适当电压，沟道中有电流ID流过。VGS0时，ID较大；VGSVGS(off)时，ID近似为零，这时管子截止。,三、特性曲线1 输出特性2 转移特性,1.5 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,绝缘栅型场效应管,1.5 场效应管,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道特性曲线,主要参数,1.5 场效应管,（一）直流参数,开启电压VGS(th)：对增强型MOS管，当VDS为定值时，使ID刚好大于
15、0时对应的VGS值。,夹断电压VGS(off)（或VP）：对耗尽型MOS管或JFET，当VDS为定值时，使ID刚好大于0时对应的VGS值。,饱和漏极电流IDSS：对耗尽型MOS管或JFET，VGS=0时对应的漏极电流。,直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，RGS大于107，MOS管的RGS大于109。,（二）交流参数,低频跨导gm：低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得。,1.5 场效应管,极间电容：Cgs和Cgd约为13pF，和 Cds约为0.11pF。高频应用时，应考虑极间电容的影响。,（三）极限参数,最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流的上限值。,
16、击穿电压V(BR)DS、V(BR)GS：管子漏-源、栅-源击穿电压。,最大耗散功率 PDM：决定于管子允许的温升。,使用注意事项,1.5 场效应管,1 对于MOS管，应将衬底引线于源极引线连在一起。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，则不能互换。3 对于MOS管，栅-衬之间的电容容量很小，RGS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，无论是工作中还是存放的MOS管，都应为栅-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。,场效应管和双极型晶体管的比较,1.5 场效应管,1 场效应管的漏极d、栅极g和源极s分别对应晶体管的集电极
17、c、基极b和发射极e，其作用类似。,2 场效应管以栅-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，而互换后特性变化不大；晶体管的集电极和发射极互换后特性相差很大。,6 场效应管的种类多，栅-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，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放大倍数和输出功率。,1.5 场效应管,5 场效应管除了可用作放大器件和可控开关外，还可用作压控可变线性电阻。,小结本讲主要介绍了以下基本内容：场效应管类型、符号特性曲线,1.5 场效应管,本章主要内容载流子产生方式：本征激发和掺杂。载流子的两种运动方式：扩散和漂移。半导体二极管：单向导电性。双极型晶体管：电流控制器件。场效应管：电压控制器件。三种器件：非线性器件，特性曲线。,本章小结,
