現(xiàn)代電子線路02半導(dǎo)體性質(zhì)

1、2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.1,第二章：半導(dǎo)體器件的特性,本章內(nèi)容： 2.1半導(dǎo)體基本知識 2.2PN結(jié)及二極管 2.3雙極型晶體管,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.2,2.1半導(dǎo)體基本知識,一、什么是半導(dǎo)體（semiconductors）,根據(jù)物體導(dǎo)電能力（電阻率）的不同，可以將物體分為導(dǎo)體(conductor)、絕緣體(insulator)和半導(dǎo)體。,硅、鍺,純水,硬玻璃,橡膠,云母,石英,絕緣體,半導(dǎo)體,導(dǎo)體,半導(dǎo)體的電阻率介于1

2、0-3106之間。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.3,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機制不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點：,1、當受外界熱和光的作用時，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力將發(fā)生顯著變化；（光敏電阻、熱敏電阻）,常見的半導(dǎo)體有：硅、鍺、-族化合物（如GaN、GaAs）、-族化合物（如一些硫化物和氧化物）等，目前，硅半導(dǎo)體制品約占整個半導(dǎo)體市場的95%。,2、在純凈的半導(dǎo)體中摻入微量的某些雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力會有顯著的增加。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章

3、No.4,二、共價鍵（covalent bond）結(jié)構(gòu),以最常見的半導(dǎo)體硅和鍺為例，它們的最外層電子（即價電子，valence electron）都是四個。,價電子,1、本征半導(dǎo)體（intrinsic semiconductor）,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.5,通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。,在硅和鍺的本征半導(dǎo)體中，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。,共價鍵共用電子對,形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。,共價鍵內(nèi)的兩個電子稱為束縛電子（bonded elec

4、tron）。,完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征半導(dǎo)體。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.6,共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。,共價鍵正四面體，鍵之間的夾角10928：每個原子處于四面體中心，而有四個其它原子位于四面體的頂點。,空間利用率約34，雜質(zhì)粒子很容易在晶體內(nèi)運動并存在于體內(nèi)，且為替位雜質(zhì)的擴散運動也提供了足夠的條件。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.7,在絕對零度（即T=0K）和無外界激發(fā)（光照、電磁輻射）

5、時，共價鍵中的價電子被束縛，在本征半導(dǎo)體內(nèi)沒有可以自由運動的帶電粒子載流子（carrier），此時半導(dǎo)體相當于絕緣體。,束縛電子,自由電子,空穴,在室溫（300K）下，由于熱激發(fā)，會使一些價電子獲得足夠的能量而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子（free electron），這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)（intrinsic excitation）。,價電子成為自由電子后，共價鍵中就留下一個空位，這個空位稱為空穴（hole）?？昭ǖ某霈F(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個重要特點。,在本征半導(dǎo)體內(nèi)，自由電子與空穴總是成對出現(xiàn)的（稱為電子空穴對）。因此，在任何時刻，本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴數(shù)總是相等的。,2020/1

6、0/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.8,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電（電子空穴對導(dǎo)電）,半導(dǎo)體導(dǎo)電的特殊性：兩種載流子參與導(dǎo)電。,外電場E,自由電子導(dǎo)電：形成電子電流,空穴導(dǎo)電：形成空穴電流,自由電子電流和空穴電流之和為半導(dǎo)體中的電流（符號相反，電流方向相同）。,空穴（可看作帶正電的粒子）的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.9,本征半導(dǎo)體載流子濃度：,電子濃度,空穴濃度,式中，A為與材料有關(guān)的系數(shù)，T為絕對溫度，k為波

7、耳茲曼常數(shù)， EG為禁帶寬度（eV），表示熱力學(xué)零度時掙脫共價鍵所需要的能量。,T=300K時，本征硅的電子和空穴濃度為：,本征半導(dǎo)體中雖然存在兩種載流子，但因本征載流子的濃度很低（本征硅的原子濃度為51022/cm3），所以總的來說導(dǎo)電能力很差（電阻率為104cm）。,本征載流子的濃度對溫度十分敏感。而且隨著溫度的升高，基本上按指數(shù)規(guī)律增加。,negative,positive,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.10,2、摻雜半導(dǎo)體（doped semiconductor）,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半

8、導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子（電子，空穴）濃度大大增加。,為了盡量保持半導(dǎo)體的原有晶體結(jié)構(gòu)，摻入的雜質(zhì)主要是微量的價電子數(shù)較為接近的三價或五價元素。,N型半導(dǎo)體：摻入五價雜質(zhì)元素（如磷、銻），主要載流子為電子，也稱作電子型半導(dǎo)體；,P型半導(dǎo)體：摻入三價雜質(zhì)元素（如硼、銦），主要載流子為空穴，也稱作空穴型半導(dǎo)體。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.11,N型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），取代晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導(dǎo)體原

9、子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易被激發(fā)而形成自由電子。,在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子（majority carrier），它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子（minority carrier）, 由熱激發(fā)形成。,提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為不能移動的正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)（donor impurities）。,多余電子,N型半導(dǎo)體表示法,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.12,P型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素硼（或銦），取代晶體點陣中的某些半導(dǎo)體

10、原子，硼原子的最外層只有三個價電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時會產(chǎn)生一個空穴，這個空穴很容易吸引周圍的束縛電子來填充而在其它半導(dǎo)體原子處產(chǎn)生一個空穴。,在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；自由電子是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。,得到束縛電子的三價雜質(zhì)原子因帶負電荷而成為不能移動的負離子，因此三價雜質(zhì)原子也稱為受主雜質(zhì)（acceptor impurities）。,空穴,P型半導(dǎo)體表示法,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.13,P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,一般摻雜濃度為1014/cm31018/cm3，常

11、溫下這些粒子都會激發(fā)出載流子，即半導(dǎo)體中載流子濃度等于雜質(zhì)粒子濃度（遠大于本征半導(dǎo)體載流子濃度1010/cm3 ），因此，摻雜可以大大增強半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.14,一、PN結(jié)（PN junction）,1、PN結(jié)的形成,在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時，在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面附近，由于多數(shù)載流子的相互擴散并且相互結(jié)合，會形成一個很?。╪mm）的由不能移動的帶電離子組成的空間電荷區(qū)（space charge region），稱之為P

12、N結(jié)。在這個區(qū)域中沒有載流子，所以又稱之為耗盡層（depletion layer），電阻率非常高。,2.2PN結(jié)及二極管,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.15,P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,（由載流子濃度差引起）,PN結(jié)處的載流子運動,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.16,P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,（由內(nèi)電場引起）,PN結(jié)處的載流子運動,擴散運動的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬，內(nèi)電場越大。,內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電

13、荷區(qū)變薄。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.17,P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,PN結(jié)處的載流子運動,擴散和漂移這一對相反的運動最終將達到動態(tài)平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，即空間電荷區(qū)的厚度固定不變。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.18,2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕╱nilateral conductivity）,當外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓（forward bias），簡稱正偏；反之稱為加反向電壓（rever

14、se bias），簡稱反偏。,E,R,N區(qū),P區(qū),內(nèi)電場,外電場,(1) PN結(jié)正向偏置,正向電流,PN結(jié)正偏時，外加電場與內(nèi)電場方向相反，抵消內(nèi)電場的作用，使得PN結(jié)變薄。此時，擴散運動將大于漂移運動，從而產(chǎn)生擴散電流。,擴散電流由多數(shù)載流子形成，所以電流較大。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.19,E,R,N區(qū),P區(qū),內(nèi)電場,外電場,(2) PN結(jié)反向偏置,PN結(jié)反偏時，外加電場與內(nèi)電場方向相同，使得PN結(jié)變厚。此時，擴散運動將趨于停止，PN結(jié)內(nèi)存在少量漂移運動，從而產(chǎn)生漂移電流。,漂移電流由少數(shù)載流子形成，所以

15、電流很小。,反向電流,PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；,PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.20,(3) PN結(jié)的伏安特性 （V-A characteristics）,u,i,0,(V),(mA),0.5,1,0.5,1,-0.5,-1,PN結(jié)的伏安特性：,式中Is為反向飽和電流，UT為溫度的電壓當量，即,k為波耳茲曼常數(shù)，q為電子電量,反向飽和電流 Is：反向電流是由少數(shù)載流子形成的，而少數(shù)載流子數(shù)量很少，即使全部參

16、與導(dǎo)電，也只能產(chǎn)生一個微弱的電流（A量級），即反向飽和電流。,（voltage-equivalent of temperature）,（reverse saturation current）,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.21,3、PN結(jié)的反向擊穿（reverse breakdown）,當PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。此時的電壓稱為反向擊穿電壓UBR。,熱擊穿：不可逆過程，即過熱燒毀；,電擊穿：可逆過程，能加以利用（如穩(wěn)壓管）。,雪崩擊穿：多發(fā)生于摻雜濃度低，

17、PN結(jié)厚的情形，所需反向擊穿電壓較大，電子在運動時能獲得較大動能，當與原子發(fā)生碰撞時能激發(fā)出電子空穴對，從而達到倍增效應(yīng)；,齊納擊穿：多發(fā)生于摻雜濃度高，PN結(jié)薄的情形， PN結(jié)處的強電場能破壞共價鍵而把電子分離出來形成電子空穴對。,（avalanche breakdown）,（Zener breakdown）,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.22,4、PN結(jié)的電容效應(yīng),(1) 勢壘電容CB,PN結(jié)反偏時，當外加電壓變化時，PN結(jié)厚度相應(yīng)改變，即在耗盡層中的空間電荷數(shù)發(fā)生變化，從而形成電容效應(yīng)，稱為勢壘電容。,勢壘電

18、容類似于平行板電容器。,結(jié)面積,PN結(jié)寬度,反向偏置的PN結(jié)常被當作壓控可變電容器使用。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,E,R,N區(qū),P區(qū),（capacitance effect）,（barrier capacitance）,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.23,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,E,R,N區(qū),P區(qū),x,nNp,nPn,(2) 擴散電容CD,電流,PN結(jié)正偏時，隨著多子的擴散運動，在另一區(qū)將形成濃度梯度，相當于電荷的積累。當外加電壓變化時，濃度梯度將發(fā)生變化，即積累的電

19、荷量發(fā)生變化，從而形成電容效應(yīng)，稱為擴散電容。,PN結(jié)電容為兩者之和，即,一般的，CJ為pf 量級。,（diffusion capacitance）,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.24,1、結(jié)構(gòu)工藝,在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個晶體二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。,(1) 點接觸型二極管,含鎵的金屬觸絲壓在鍺晶體上，在正方向通過很大的瞬間電流，使觸絲與半導(dǎo)體熔接在一起，形成PN結(jié)。,點接觸型二極管示意圖,特點：PN結(jié)面積小，結(jié)電容小。適用于檢波和變頻等高頻電路。,二、晶體二極管（s

20、emiconductor diode）,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.25,面接觸型二極管示意圖,平面型二極管示意圖,正極 引線,負極引線,鋁合金小球,P型硅,N型硅,金銻合金,底座,正極 引線,負極 引線,P,N,P型支持襯底,(2) 面接觸型二極管,(3) 平面型二極管,用合金法（鋁合金球壓在N型硅片上，加熱使熔合、滲透，形成合金）或擴散法形成PN結(jié)。,特點：PN結(jié)面積大，結(jié)電容大，允許較大電流通過。適用于整流等工頻電路。,使用集成電路制造工藝生產(chǎn)，基本取代面接觸型二極管。,特點：PN結(jié)面積可大可小。適用范圍廣

21、。,(4) 二極管符號,(anode),(cathode),2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.26,常見的半導(dǎo)體二極管,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.27,2、伏安特性,二極管的伏安特性曲線：,Is反向飽和電流,二極管的直流參數(shù)：,、最大整流電流IF （maximum DC (direct current) forward current ）,指二極管允許通過的最大正向平均電流。,、反向擊穿電壓UBR和最大反向工作電壓URM,為保證二極管安

22、全工作，一般情況，取URM=UBR/2,（maximum peak reverse voltage ）,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.28,、反向電流IR（reverse current）,IR越小，說明二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。當溫度上升時，IR將會劇增。,、導(dǎo)通電壓UD（forward voltage）,指二極管導(dǎo)通后的管壓降。,、開啟電壓Uon（cut-in voltage）,、最高工作頻率fM,二極管正常工作的上限截止頻率。,二極管正向電流開始迅速增大時的管壓降。,2020/10/29,School of P

23、hysics, Peking University,第二章 No.29,3、圖解分析法,如圖，求iD、uD。,線性方程,非線性方程,uD,iD,0,(V),(mA),P,Us,UP,IP,在二極管伏安平面上畫出相應(yīng)的曲線，兩曲線交于P點，則P點對應(yīng)的電壓電流即為所求。即,iD IP,uD UP,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.30,4、等效電路分析法,理想模型,恒壓降模型,、靜態(tài)等效電路,、理想模型（開關(guān)模型）(ideal model),將二極管當作開關(guān)處理：當uD0，二極管相當于短路；而uD 0，二極管相當于斷路。

24、,、恒壓降模型(constant voltage drop model),UD,等效,a,b,a,b,UD,當uD UD時，用二極管導(dǎo)通電壓UD來等效； 當uD UD時，二極管相當于斷路。,即：,(DC equivalent circuits),2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.31,、動態(tài)等效電路,用折線來近似二極管的特性曲線，當二極管電壓超過開啟電壓后，用斜線來代替特性曲線，斜線的斜率為工作范圍內(nèi)電流、電壓的比值，其倒數(shù)為等效的電阻rD，此時的管壓降用開啟電壓Uon等效。,(AC(alternating curre

25、nt) equivalent circuits),折線模型,、折線模型(piecewise model),2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.32,、微變等效電路(small signal model),各模型適用范圍：,UiUD時，使用理想模型； 考慮二極管影響時，使用恒壓降模型（常用）或折線模型； 當外加信號幅度動態(tài)范圍較小時，使用微變等效電路。,只考慮二極管兩端的電壓在某一固定值附近作微小變化時引起的電流變化，可用曲線在該固定值處的切線來近似表示這一小段曲線，而將二極管等效成一個微變等效電阻rd。,微變等效電路,2

26、020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.33,5、應(yīng)用,利用二極管的單向?qū)щ娦裕蓪π盘栠M行限幅處理，實現(xiàn)整流、檢波等功能。,R,ui,D,uo,ui,uo,、整流電路,整流電路的作用是將交流電壓變成直流電壓，常用于直流穩(wěn)壓電源中。,半波整流電路,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.34,另外，利用二極管的其它特性，還能完成一些特殊功能。如穩(wěn)壓二極管（Zener diode，反向電擊穿時管壓降不變）、光電二極管（photoelectric diode，受

27、光照導(dǎo)電能力劇變）、發(fā)光二極管（light-emitting diode，激發(fā)的自由電子回到基態(tài)會產(chǎn)生輻射）、變?nèi)荻O管（varactor diode，PN結(jié)電容會因外加電壓的變化而改變），等等。,限幅電路,R,ui,D,uo,ui,uo,、限幅電路：限制電壓，起保護作用,UR,UR,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.35,-UZ,6、穩(wěn)壓二極管,、特性,穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管，正常工作在反向擊穿狀態(tài)。其反向擊穿曲線非常陡峭，擊穿時管壓降幾乎不隨電流的變化而變化。,、主要參數(shù),uD,iD,0,符號,伏安特性,穩(wěn)壓電壓UZ

28、：是穩(wěn)壓管工作在反向擊穿時的穩(wěn)定工作電壓； 穩(wěn)定電流IZ：是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時的參考電流值，有一定的 取值范圍，即IZminIZmax，小于IZmin時穩(wěn)壓效果變壞， 大于IZmax時管子容易燒毀； 動態(tài)電阻rZ： 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓工作時可以用折線模型等效。,DZ,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.36,、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,并聯(lián)型穩(wěn)壓電路，R為限流電阻。,穩(wěn)壓原理：,當UI變化、負載不變時：,UI,UO,IZ、 IO,I R,UO=UI-IR,當UI不變、負載變化時：,RL,IZ,I 幾乎不變,UO基本不變,IO,為了讓穩(wěn)

29、壓管安全的工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，必須選取合適的R值。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.37,例：穩(wěn)壓電路如圖。已知US=12V，RL=600，查手冊知穩(wěn)壓管2CW14參數(shù)如下：UZ=7.5V，IZmin=10mA，額定功率PZM=250mW，rZ10，估算限流電阻R的取值范圍。,解：忽略rZ， IRL不變。,當IZ=IZmin時，R值最大，有,當IZ=IZmax時，R值最小，有,其中 、 ，代入數(shù)值可得,98 R 200,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章

30、 No.38,2.3雙極型晶體管（BJT：bipolar junction transistor）,一、結(jié)構(gòu)特點,雙極型晶體管又稱晶體三極管(semiconductor triode)或晶體管(transistor)，可以近似看作兩個二極管背靠背組合而成，它包含兩個PN結(jié)。,發(fā)射極 (Emitter),用E或e表示,基極(Base),用B或b表示,集電極 (Collector),用C或c表示,發(fā)射區(qū)：摻雜濃度高,基區(qū)：摻雜濃度低，很薄(m量級),集電區(qū)：中度摻雜，面積較大,e,b,c,N,P,N型硅襯底,2020/10/29,School of Physics, Peking Universi

31、ty,第二章 No.39,根據(jù)各區(qū)性質(zhì)不同，三極管分為PNP型和NPN型兩種。,結(jié)構(gòu),符號,PNP型,NPN型,e,b,c,P,P,N,e,b,c,N,N,P,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.40,二、工作原理,要使三極管正常工作（放大），外加電壓必須滿足一定的條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。,1、載流子的運動,、e區(qū)向b區(qū)發(fā)射電子：由于發(fā)射結(jié)正偏，利于擴散運動，形成擴散電流IEN、IEP，而e區(qū)摻雜濃度高，故有IEN IEP，兩者之和形成發(fā)射極電流IE。 IEP往往被忽略不計。,IE,IEN,IEP,注：圖中箭頭所指

32、為載流子的運動方向，而不是電流方向，電子的運動方向與電流方向相反。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.41,、電子在b區(qū)的擴散與復(fù)合：e區(qū)注入到b區(qū)的電子，因濃度差而繼續(xù)向c區(qū)擴散，在擴散的過程中有部分電子與b區(qū)中的空穴復(fù)合，形成電流IBN，由于空穴由基極補充，故IBN是IB的一部分。,IE,IEN,IEP,IBN,IB,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.42,、電子被集電極收集：由于集電結(jié)反偏，且所加反偏電壓較大，擴散到集電結(jié)邊沿的電子在電場

33、的作用下很容易漂移過集電結(jié)，到達c區(qū)，形成電流ICN ，構(gòu)成集電極電流IC的一部分。,、集電結(jié)的反向電流：集電結(jié)反偏，則在基極與集電極間有反向飽和電流ICBO（collector-base cut-off current） 。,IE,IEN,IEP,IBN,IB,ICN,ICBO,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.43,2、電流分配關(guān)系,定義：,共基直流電流放大系數(shù),當ICICBO時，,則,一般為0.90.99,靜態(tài) （直流）,(common base direct current amplification fact

34、or),2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.44,整理上式，將IE消去，可得：,令,共射直流電流放大系數(shù),則：,當基極開路，即IB=0時，,穿透電流,動態(tài)（交流）：,ICBO為本征熱激發(fā)引起，只與溫度有關(guān)，與結(jié)電壓變化無關(guān)，當溫度一定時是一個常數(shù)。,(common emitter direct current amplification factor),2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.45,定義：,共基電流放大系數(shù),共射電流放大系數(shù),則：,1

35、10100,三極管的聯(lián)接法,b,e,c,b,e,c,e,c,b,共發(fā)射極接法 （CE configuration）,共基極接法 （CB configuration）,共集電極接法 （CC configuration）,電壓放大倍數(shù)大，用于電壓放大電路,頻帶寬，功率放大，用于高頻放大和寬帶放大器,電壓放大倍數(shù)1，輸入電阻大，輸出電阻小，用于多級放大器中輸入級、輸出級及中間隔離級,(common base alternating current amplification factor),2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.

36、46,三、三極管特性曲線(characteristic curve),測量電路(共發(fā)射極接法),共射極（CE）接法,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.47,1、輸入特性曲線,以集電極電壓UCE為參變量，輸入回路中基極電壓UBE與基極電流IB的關(guān)系曲線，稱為輸入特性曲線。 即：,UBE,IB,0,(V),(A),0.2,0.8,40,120,80,0.4,0.6,UCE 0V,UCE 1V,UCE 0V，相當于兩個二極管正向并聯(lián)的伏安特性；,UCE 01V，曲線向右移動明顯。,在UCE UBE （約0.7V）以前，集電結(jié)

37、處于正偏狀態(tài)，收集電子的能力弱，隨著UCE增大，集電結(jié)逐漸過渡到反向偏置，收集電子的能力逐漸增強，使e區(qū)的電子更多地漂移到c區(qū)，使得IB明顯減小，曲線向右移動。當UCE 1V時，e區(qū)注入的電子絕大多數(shù)被c區(qū)收集，故UCE 再增加， IB也不再明顯減小，所以UCE 1V以后的輸入特性曲線基本重合。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.48,Jc反偏，使e區(qū)注入到b區(qū)的電子絕大部分漂移到c區(qū)。此時IC大小不隨UCE明顯變化，其大小受IB控制，滿足 的關(guān)系。,2、輸出特性曲線,UCE,IC,0,(V),(mA),2,8,1,3

38、,4,4,6,2,放大區(qū),飽和區(qū),截止區(qū),放大區(qū)：Je正偏，Jc反偏。,當IB等量變化時，輸出特性曲線基本是平行等距的。,隨著UCE的增加， IC稍有增大，使曲線略為上翹，這是由于基調(diào)效應(yīng)（基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，base-width modulating effect）引起的。,(active region),2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.49,UCE,IC,0,(V),(mA),2,8,1,3,4,4,6,2,放大區(qū),飽和區(qū),截止區(qū),飽和區(qū)：Je正偏，Jc正偏。,UCE較小，UCEUBE， Jc正偏，收集電子的能力很

39、弱，即使增加IB， IC也增加很少，晶體管處于飽和狀態(tài)， 的關(guān)系不再成立。,隨著UCE的增大，集電結(jié)收集電子的能力逐漸增大， IC變化明顯，曲線迅速上升。,臨界飽和線,UCB0V（即UCEUBE）的曲線稱為臨界飽和線。,飽和時的電壓UCE稱為飽和壓降，記做UCES，對于小功率硅管， UCES 0.3V。,(saturation region),(collector-emitter saturation voltage),2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.50,UCE,IC,0,(V),(mA),2,8,1,3,4,4,

40、6,2,放大區(qū),飽和區(qū),截止區(qū),臨界飽和線,截止區(qū)：Je反偏，Jc反偏。,通常將IB0的輸出特性曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)，此時IEIC ICEO，晶體管失去放大作用。,嚴格的講，應(yīng)把IE0，IBICBO的曲線下方區(qū)域稱為截止區(qū)。,(cutoff region),2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.51,輸出特性曲線三個區(qū)域的特點：,放大區(qū)：,Je正偏，Jc反偏。 ， 。,飽和區(qū)：,Je正偏，Jc正偏。UCEUBE， ，UCES0.3V。,截止區(qū)：,Je反偏，Jc反偏。IB=0，IEICICEO 。,2020/10/29,

41、School of Physics, Peking University,第二章 No.52,四、三極管的主要參數(shù),1、電流放大系數(shù),共基極直流電流放大系數(shù),共射極直流電流放大系數(shù),共射極電流放大系數(shù),共基極電流放大系數(shù),一般在工作電流不太大的情況下，可認為 ，故可以混用。,的取值：如果太小，放大作用太差；而太大，晶體管的性能會不穩(wěn)定，所以一般30120為宜。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.53,2、極間反向電流,ICBO集電極基極反向飽和電流。,ICEO穿透電流。,ICBO標志晶體管的質(zhì)量，要求越小越好。,對于硅

42、管， ICBO1A， ICEO幾A；,對于鍺管， ICBO10A， ICEO幾十幾百A。,由于ICEO較大，測量容易，通常測量ICEO作為判斷晶體管質(zhì)量的重要依據(jù)。,發(fā)射極開路，集電極、基極間加反向電壓時的反向飽和電流。,基極開路，集電極、發(fā)射極間加反向電壓時的反向電流。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.54,3、特征頻率,由于PN結(jié)結(jié)電容的影響，當信號頻率增加到一定大小后，、都將隨頻率升高而下降。,當?shù)闹迪陆档降扔?時所對應(yīng)的頻率稱為特征頻率fT 。此時晶體管已失去放大能力，故又稱之為極限頻率。,(characte

43、ristic frequency),4、極限參數(shù),、集電極最大允許電流ICM,IC增大到一定程度時，將減小。定義下降到正常值的2/3時所對應(yīng)的IC為ICM。ICICM時，晶體管不一定損壞，但電路的放大倍數(shù)將明顯下降。,(maximum collector current),、集電極最大允許耗散功率PCM,管耗功率使結(jié)溫升高，使晶體管性能變差，集電極耗散功率超過PCM時，管子有可能燒毀。,(maximum power dissipation),2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.55,U(BR)EBOc極開路，e、b間的

44、反向擊穿電壓；,、反向擊穿特性：,U(BR)CBOe極開路，c、b間的 反向擊穿電壓；,U(BR)CEOb極開路，c、e間的 反向擊穿電壓；,使用時，為保證晶體管安全工作，各值要控制在極限量的60%以內(nèi)。,U(BR)EBO U(BR)CEO U(BR)CBO,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.56,半導(dǎo)體器件型號由五部分組成。（場效應(yīng)器件、半導(dǎo)體特殊器件、復(fù)合管、PIN型管、激光器件的型號命名只有第三、四、五部分） 五個部分意義如下： 第一部分：用數(shù)字表示半導(dǎo)體器件有效電極數(shù)目。 2二極管、3三極管。 第二部分：用漢語

45、拼音字母表示半導(dǎo)體器件的材料和極性。,附錄1：中國半導(dǎo)體分立器件命名方法,表示二極管時： AN型鍺材料、 BP型鍺材料、 CN型硅材料、 DP型硅材料。,表示三極管時： APNP型鍺材料、 BNPN型鍺材料、 CPNP型硅材料、 DNPN型硅材料。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.57,第三部分：用漢語拼音字母表示半導(dǎo)體器件的功能。 P普通管、V微波管、W穩(wěn)壓管、C參量管、 Z整流管、L整流堆、S隧道管、N阻尼管、 U光電器件、K開關(guān)管、X低頻小功率管(f3MHz，Pc1W）、 A 高頻大功率管（f3MHz，Pc1W

46、）、 T 半導(dǎo)體晶閘管（可控整流器）、Y 體效應(yīng)器件、B 雪崩管、J 階躍恢復(fù)管、CS 場效應(yīng)管、BT 半導(dǎo)體特殊器件、 FH 復(fù)合管、PIN PIN型管、JG 激光器件。 第四部分：用數(shù)字表示序號。 第五部分：用漢語拼音字母表示規(guī)格號。 例如：3DG6表示NPN型硅材料高頻小功率三極管。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.58,附錄2：集成電路芯片加工工藝簡介,以加工2m設(shè)計規(guī)則的硅柵等平面N溝道CMOS反相器電路為例。,1、初始材料,P型硅單晶片，電阻率30cm，相當于摻雜濃度51014/cm3。,2、形成N阱，光

47、刻1,、初始氧化（干氧濕氧干氧工藝）：生長SiO2 ，厚度3500； 、光刻1：用第一塊掩模版，經(jīng)曝光、等離子刻蝕，形成N阱窗口； 、N阱粒子注入：磷離子注入，劑量31012/cm2，能量80keV；,、形成N阱：在N2:O2=9:1的氣氛中退火和趨進，溫度1150，時間60分鐘， N阱深度為56 m，同時生長氧化層2000 ； 、去掉所有氧化層：用稀HF酸泡掉全部氧化層，結(jié)果留下N阱處約400 的硅表面高度差（ 3500 SiO2與裸硅表面氧化速度不同），此高度差可以作為光刻對準之基準。,2020/10/29,School of Physics, Peking University,第二章 No.59,3、確定NMOS有源區(qū)，光刻2,、生長緩沖SiO2薄層，厚度600 ，為減少即將淀積的Si3N4層與硅襯底之間的應(yīng)力； 、低壓化學(xué)汽相淀積Si3N4，用于掩蔽氧化，厚度1000 ； 、光刻2，確定NMOS有源區(qū)：用第二塊掩模版，經(jīng)曝光、等離子刻蝕，保留NMOS有源區(qū)和N阱區(qū)的Si3N4層，將非有源區(qū)，即場區(qū)部分的Si3N4和