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1、(1-1),電子技術,第一章半導體器件,模擬電路部分,(1-2),第一章半導體器件,1.1半導體的基本知識1.2PN結及半導體二極管1.3特殊二極管1.4半導體三極管1.5場效應晶體管,(1-3),1.1.1導體、半導體和絕緣體,導體：自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體。,絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。,1.1半導體的基本知識,(1-4),半導體的導電機理不同于其它物質，所以它具有不同于其它物質的特點。例如：,當受外界熱和光的作用時，它的
2、導電能力明顯變化。,往純凈的半導體中摻入某些雜質，會使它的導電能力明顯改變。,(1-5),1.1.2本征半導體,一、本征半導體的結構特點,通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。,現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。,(1-6),本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。,在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。,(1-7),硅和鍺的共價鍵結構,共價鍵共用電子對,+4表示除去價電子后的原子,(1-8),共價鍵中的兩個電子被緊緊束
3、縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。,形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。,共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。,(1-9),二、本征半導體的導電機理,在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。,在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。,1.載流子、自由電子和空穴,(1-10),自由電子,
4、空穴,束縛電子,(1-11),2.本征半導體的導電機理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。,本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。,(1-12),溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。,本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。,本征半導體中電流由兩部分組成：1.自由電子移動產生的電流。2.空穴移動產生的電流。,(1-13),1.1.3雜質半導體,在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性
5、能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。,P型半導體：空穴濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（空穴半導體）。,N型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（電子半導體）。,(1-14),一、N型半導體,在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。,(1-15),多余電子,磷原子,N型半導體中的載流子是什么？,1.由施主原子
6、提供的電子，濃度與施主原子相同。,2.本征半導體中成對產生的電子和空穴。,摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。,(1-16),二、P型半導體,空穴,硼原子,P型半導體中空穴是多子，電子是少子。,(1-17),三、雜質半導體的示意表示法,雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。,(1-18),2.1.1PN結的形成,在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結。,1.2PN
7、結及半導體二極管,(1-19),P型半導體,N型半導體,擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。,內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,(1-20),所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。,(1-21),空間電荷區(qū),N型區(qū),P型區(qū),電位V,V0,(1-22),1.空間電荷區(qū)中沒有載流子。,2.空間電荷區(qū)中內電場阻礙P中的空穴.N區(qū)中的電子（都是多子）向對方運動（擴散運動）。,3.P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。,注意:,(1-23),2.1.2PN結的單向導電性,
8、PN結加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負電壓。,PN結加上反向電壓、反向偏置的意思都是：P區(qū)加負、N區(qū)加正電壓。,(1-24),一、PN結正向偏置,P,N,+,_,內電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。,(1-25),二、PN結反向偏置,N,P,+,_,內電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。,R,E,(1-26),2.1.3半導體二極管,一、基本結構,PN結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。,點接觸型,面接觸型,(1-27),二、伏安特性,死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。,導通壓降:硅管0.60.7V,鍺管
9、0.20.3V。,反向擊穿電壓UBR,(1-28),三、主要參數(shù),1.最大整流電流IOM,二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。,2.反向擊穿電壓UBR,二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半。,(1-29),3.反向電流IR,指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。,以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應用是主要利用它的
10、單向導電性，主要應用于整流、限幅、保護等等。下面介紹兩個交流參數(shù)。,(1-30),4.微變電阻rD,uD,rD是二極管特性曲線上工作點Q附近電壓的變化與電流的變化之比：,顯然，rD是對Q附近的微小變化區(qū)域內的電阻。,(1-31),5.二極管的極間電容,二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴散電容CD。,勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。,擴散電容：為了形成正向電流（擴散電流），注入P區(qū)的少子（電子）在P區(qū)有濃度差，越靠近PN結濃度越大，即在P區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向
11、電流大，積累的電荷多。這樣所產生的電容就是擴散電容CD。,(1-32),CB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，由于載流子數(shù)目很少，擴散電容可忽略。,PN結高頻小信號時的等效電路：,勢壘電容和擴散電容的綜合效應,(1-33),二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降0.7V(硅二極管)理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0,二極管的應用舉例1：二極管半波整流,(1-34),二極管的應用舉例2：,(1-35),1.3.1穩(wěn)壓二極管,U,IZ,穩(wěn)壓誤差,曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。,-,UZ,1.3特殊二極管,(1-36),（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。,（5）最大允
12、許功耗,穩(wěn)壓二極管的參數(shù):,（1）穩(wěn)定電壓UZ,（3）動態(tài)電阻,(1-37),負載電阻。,要求當輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動時，負載電壓基本不變。,穩(wěn)壓二極管的應用舉例,穩(wěn)壓管的技術參數(shù):,解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax。,求：電阻R和輸入電壓ui的正常值。,方程1,(1-38),令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin。,方程2,聯(lián)立方程1、2，可解得：,(1-39),1.3.2光電二極管,反向電流隨光照強度的增加而上升。,(1-40),1.3.3發(fā)光二極管,有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般
13、二極管類似。,(1-41),1.4.1基本結構,基極,發(fā)射極,集電極,NPN型,PNP型,1.4半導體三極管,(1-42),基區(qū)：較薄，摻雜濃度低,集電區(qū)：面積較大,發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高,(1-43),發(fā)射結,集電結,(1-44),1.4.2電流放大原理,EB,RB,EC,進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IBE，多數(shù)擴散到集電結。,發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。,(1-45),EB,RB,EC,集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。,從基區(qū)擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。,(1-46),IB=IBE-ICBOIBE
14、,(1-47),ICE與IBE之比稱為電流放大倍數(shù),要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結正偏，集電結反偏。,(1-48),NPN型三極管,PNP型三極管,(1-49),1.4.3特性曲線,IC,V,UCE,UBE,RB,IB,EC,EB,實驗線路,(1-50),一、輸入特性,工作壓降：硅管UBE0.60.7V,鍺管UBE0.20.3V。,死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。,(1-51),二、輸出特性,IC(mA),此區(qū)域滿足IC=IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。,當UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關，IC=IB。,(1-52),此區(qū)域中UCEUBE,集電結正偏，IBIC，UCE0.3V稱為飽
15、和區(qū)。,(1-53),此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。,(1-54),輸出特性三個區(qū)域的特點:,放大區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結反偏。即：IC=IB,且IC=IB,(2)飽和區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結正偏。即：UCEUBE，IBIC，UCE0.3V,(3)截止區(qū)：UBE死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO0,(1-55),例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k當USB=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？,當USB=-2V時：,IB=0，IC=0,IC最大飽和電流：,Q位于截止區(qū),(1-56),例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=
16、6k當USB=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？,ICICmax(=2mA)，Q位于放大區(qū)。,USB=2V時：,(1-57),USB=5V時:,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k當USB=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？,Q位于飽和區(qū)，此時IC和IB已不是倍的關系。,(1-58),三、主要參數(shù),前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接法，相應地還有共基、共集接法。,共射直流電流放大倍數(shù)：,工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號?；鶚O電流的變化量為IB，相應的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數(shù)為：
17、,1.電流放大倍數(shù)和,(1-59),例：UCE=6V時：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。,在以后的計算中，一般作近似處理：=,(1-60),2.集-基極反向截止電流ICBO,ICBO是集電結反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。,(1-61),B,E,C,N,N,P,ICBO進入N區(qū)，形成IBE。,根據放大關系，由于IBE的存在，必有電流IBE。,集電結反偏有ICBO,3.集-射極反向截止電流ICEO,ICEO受溫度影響很大，當溫度上升時，ICEO增加很快，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。,(1-62),4.集電極最大電流ICM,集電極電流
18、IC上升會導致三極管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。,5.集-射極反向擊穿電壓,當集-射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)CEO。,(1-63),6.集電極最大允許功耗PCM,集電極電流IC流過三極管，所發(fā)出的焦耳熱為：,PC=ICUCE,必定導致結溫上升，所以PC有限制。,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作區(qū),(1-64),場效應管與雙極型晶體管不同，它是多子導電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。,結型場效應管JFET,絕緣柵型場效應管MOS,場效應管有兩種:,1.5場效應晶體管,(1
19、-65),N,基底：N型半導體,兩邊是P區(qū),G(柵極),S源極,D漏極,一、結構,1.5.1結型場效應管:,導電溝道,(1-66),N溝道結型場效應管,(1-67),P溝道結型場效應管,(1-68),二、工作原理（以P溝道為例）,UDS=0V時,PN結反偏，UGS越大則耗盡區(qū)越寬，導電溝道越窄。,(1-69),ID,UDS=0V時,UGS越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。,但當UGS較小時，耗盡區(qū)寬度有限，存在導電溝道。DS間相當于線性電阻。,(1-70),P,G,S,D,UDS,UGS,UDS=0時,UGS達到一定值時（夾斷電壓VP）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時，即使UDS0V，漏
20、極電流ID=0A。,ID,(1-71),UGS0、UGDVP時耗盡區(qū)的形狀,越靠近漏端，PN結反壓越大,ID,(1-72),UGSVp且UDS較大時UGDVP時耗盡區(qū)的形狀,溝道中仍是電阻特性，但是是非線性電阻。,ID,(1-73),UGSVpUGD=VP時,漏端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。,UDS增大則被夾斷區(qū)向下延伸。,ID,(1-74),UGSVpUGD=VP時,此時，電流ID由未被夾斷區(qū)域中的載流子形成，基本不隨UDS的增加而增加，呈恒流特性。,ID,(1-75),三、特性曲線,飽和漏極電流,夾斷電壓,轉移特性曲線一定UDS下的ID-UGS曲線,(1-76),ID,UDS,恒流區(qū),輸出特
21、性曲線,0,(1-77),N溝道結型場效應管的特性曲線,轉移特性曲線,(1-78),輸出特性曲線,N溝道結型場效應管的特性曲線,(1-79),結型場效應管的缺點：,1.柵源極間的電阻雖然可達107以上，但在某些場合仍嫌不夠高。,3.柵源極間的PN結加正向電壓時，將出現(xiàn)較大的柵極電流。,絕緣柵場效應管可以很好地解決這些問題。,2.在高溫下，PN結的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。,(1-80),1.5.2絕緣柵場效應管:,一、結構和電路符號,P型基底,兩個N區(qū),SiO2絕緣層,導電溝道,金屬鋁,N溝道增強型,(1-81),N溝道耗盡型,予埋了導電溝道,(1-82),P溝道增強型,(1-8
22、3),P溝道耗盡型,予埋了導電溝道,(1-84),二、MOS管的工作原理,以N溝道增強型為例,UGS=0時,對應截止區(qū),(1-85),UGS0時,感應出電子,VT稱為閾值電壓,(1-86),UGS較小時，導電溝道相當于電阻將D-S連接起來，UGS越大此電阻越小。,(1-87),當UDS不太大時，導電溝道在兩個N區(qū)間是均勻的。,當UDS較大時，靠近D區(qū)的導電溝道變窄。,(1-88),UDS增加，UGD=VT時，靠近D端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。,(1-89),三、增強型N溝道MOS管的特性曲線,轉移特性曲線,(1-90),輸出特性曲線,UGS0,(1-91),四、耗盡型N溝道MOS管的特性曲線,耗盡型的MOS管UGS=0時就有導電溝道，加反向電壓才能夾斷。,轉移特性曲線,(1-92),輸出特性曲線,UGS=0,UGS0,UGS0,(1-93),電子技術,第一章結束,模擬電路部分,
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