第一章半導(dǎo)體器件的特性(new)

第一章

基本半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性和PN結(jié)1.2二極管1.3雙極型晶體管（BJT）1.4場(chǎng)效應(yīng)管（FET）主要內(nèi)容及要求基礎(chǔ)，必須掌握：基本概念，原理，特征曲線、參數(shù)，應(yīng)用等。了解原理，掌握特征曲線、參數(shù)。半導(dǎo)體材料：物質(zhì)根據(jù)其導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，可劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體：ρ<10－4Ω·cm

絕緣體：ρ>109Ω·cm

半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間。典型的元素半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge，此外，還有化合物半導(dǎo)體砷化鎵GaAs等。1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性和PN結(jié)半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化模型元素半導(dǎo)體硅和鍺共同的特點(diǎn)：原子最外層的電子（價(jià)電子）數(shù)均為4。圖1.1.1硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化模型1.1.1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：純凈的且具有完整晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。圖1.1.2硅單晶共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)空穴自由電子圖1.1.3本征激發(fā)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)共價(jià)鍵由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱為空穴本征激發(fā)：在室溫或光照下價(jià)電子獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，并在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位(空穴)的過(guò)程?？昭ǎ汗矁r(jià)鍵中的空位。復(fù)合：自由電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中相遇重新結(jié)合成對(duì)消失的過(guò)程。動(dòng)態(tài)平衡：當(dāng)溫度T一定時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的自由電子空穴對(duì)數(shù)目與單位時(shí)間內(nèi)因復(fù)合而消失掉的自由電子空穴對(duì)數(shù)目相等，稱為載流子的動(dòng)態(tài)平衡。載流子：物資內(nèi)部運(yùn)載電荷的粒子。半導(dǎo)體中的兩種載流子：自由電子，空穴。兩種載流子導(dǎo)電的差異：●自由電子在晶格中自由運(yùn)動(dòng)●空穴運(yùn)動(dòng)即價(jià)電子填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)，始終在原子的共價(jià)鍵間運(yùn)動(dòng)。外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動(dòng)方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。熱力學(xué)溫度0K時(shí)不導(dǎo)電。結(jié)論：1.本征半導(dǎo)體中電子空穴成對(duì)出現(xiàn)，且數(shù)量少；2．半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；3．本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)。

1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體+5+4+4+4+4+4載流子數(shù)

電子數(shù)一、N型半導(dǎo)體圖1.1.4N型半導(dǎo)體正離子磷原子自由電子多數(shù)載流子少數(shù)載流子空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多了？少了？為什么？電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子+3+4+4+4+4+4電子

—

少子載流子數(shù)

空穴數(shù)二、P型半導(dǎo)體空穴

—

多子圖1.1.5P型半導(dǎo)體硼原子空穴負(fù)離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時(shí)，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性小結(jié)基本概念：本征半導(dǎo)體本征激發(fā)、空穴、載流子雜質(zhì)半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體受主雜質(zhì)、施主雜質(zhì)、多子、少子1.1.3PN結(jié)的形成載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)PN結(jié)的形成過(guò)程：1.載流子的濃度差引起多子的擴(kuò)散；2.復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)；3.空間電荷區(qū)阻止多子擴(kuò)散，引起少子漂移；4.擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。一、外加正向電壓

外電場(chǎng)使多子向PN結(jié)移動(dòng),中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，形成了一個(gè)流入P區(qū)的正向電流

IF

。二、外加反向電壓外電場(chǎng)使少子背離PN結(jié)移動(dòng)，空間電荷區(qū)變寬。漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成反向電流IR。1.1.4PN結(jié)的特性

PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大;反偏截止，電阻很大，電流近似為零。PN結(jié)小結(jié)

PN結(jié)形成：擴(kuò)散、復(fù)合、空間電荷區(qū)（耗盡層、勢(shì)壘區(qū)、阻擋層、內(nèi)建電場(chǎng)）、漂移、動(dòng)態(tài)平衡

PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通、反偏截止1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)構(gòu)成：PN結(jié)+引線+管殼=二極管符號(hào)：＋－分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型平面型1.2二極管1.2二極管點(diǎn)接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線

面接觸型N型鍺PN結(jié)

正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極

引線負(fù)極

引線集成電路中平面型PNP型支持襯底1.2.2二極管的伏安特性一、PN結(jié)的伏安特性1.2二極管：溫度的電壓當(dāng)量:玻耳茲曼常數(shù)：熱力學(xué)溫度:電子的電量室溫時(shí)：正向特性反向特性反向擊穿擊穿電壓反向飽和電流二、實(shí)際二極管的伏安特性1.2二極管：門限電壓（開(kāi)啟電壓）實(shí)際二極管伏安特性和PN結(jié)伏安特性略有差別三、理想二極管的特性

若二極管的正向壓降遠(yuǎn)小于和它串聯(lián)的電壓，反向電流遠(yuǎn)小于和它并聯(lián)的電流，可用理想二極管來(lái)等效二極管。理想二極管的門限電壓和正向壓降均為零，反偏時(shí)反向電流也為零。1.2二極管二極管的理想等效模型1.2.3二極管的主要參數(shù)1、最大正向電流IFM：二極管長(zhǎng)期工作運(yùn)行通過(guò)的最大正向平均電流。2、反向峰值電壓VRM：為保證管子安全工作，通常取為擊穿電壓的一半。3、反向直流電流IR(sat)：是管子未擊穿時(shí)反向直流電流的數(shù)值。4、最高工作頻率fM：是二極管具有單向?qū)щ娦缘淖罡吖ぷ黝l率。1.2二極管1.2.4穩(wěn)壓二極管 一、穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓特性

具有陡峭的反向擊穿特性，工作在反向擊穿狀態(tài)。1.2二極管符號(hào)和特性曲線VZ：反向擊穿電壓，即穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。

rZ=ΔVZ/ΔIZ：穩(wěn)壓管的動(dòng)態(tài)電阻，越小穩(wěn)壓性能越好。二、穩(wěn)壓管的參數(shù)1、穩(wěn)定電壓VZ2、穩(wěn)定電流IZ：3、動(dòng)態(tài)電阻rZ

：4、最大穩(wěn)定電流IZmax和最小穩(wěn)定電流IZmin1.2二極管1.2.5二極管電路一、限幅電路1.2二極管1.2二極管二、穩(wěn)壓電路當(dāng)負(fù)載RL不變而輸入電壓增加時(shí)，

當(dāng)輸入電壓不變而負(fù)載RL減小時(shí)，

穩(wěn)壓管控制電流，使總電流改變或保持不變，并通過(guò)限流電阻產(chǎn)生調(diào)壓作用，使輸出電壓穩(wěn)定。穩(wěn)壓條件：例1.2.1題：當(dāng)負(fù)載最小時(shí)，輸出電流最大。這時(shí)穩(wěn)壓管的電流也應(yīng)大于其最小工作電流，可求得最大限流電阻。當(dāng)負(fù)載最大時(shí)，輸出電流最小，這時(shí)穩(wěn)壓管的電流也應(yīng)小于其最大工作電流，可求得最小限流電阻。1.2二極管1.2二極管小結(jié)

本講主要介紹了以下基本內(nèi)容：半導(dǎo)體二極管的構(gòu)成和類型：點(diǎn)接觸型、面接觸型、平面型；硅管、鍺管。半導(dǎo)體二極管的特性：與PN結(jié)基本相同。半導(dǎo)體二極管的參數(shù)穩(wěn)壓二極管二極管電路1.3.1晶體管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)結(jié)構(gòu)：三個(gè)區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)三個(gè)極：發(fā)射極、基極和集電極 兩個(gè)結(jié)：發(fā)射結(jié)、集電結(jié)1.3雙極型晶體管晶體管結(jié)構(gòu)示意圖晶體管符號(hào)生成類型：合金型和平面型要實(shí)現(xiàn)電流放大作用，要求： 發(fā)射區(qū)摻雜濃度高； 基區(qū)薄且摻雜濃度低； 集電結(jié)面積大。1.3雙極型晶體管1.3.2晶體管的電流放大作用晶體管正常工作的外部條件：發(fā)射結(jié)外加正向電壓VBE，集電結(jié)加上較大的反向偏壓VCB。1.3雙極型晶體管管內(nèi)載流子的傳輸過(guò)程傳輸過(guò)程可分三步：1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入載流子，形成發(fā)射結(jié)電流IE

；2）電子在基區(qū)擴(kuò)散和與基區(qū)空穴復(fù)合，形成基極電流IB

；3）集電結(jié)收集電子，形成集電極電流ICE

晶體管直流電流傳輸方程一、共基極直流電流傳輸方程共基極電流放大系數(shù)：

1.3雙極型晶體管共基極直流電流傳輸方程：

三個(gè)極之間電流關(guān)系：1.3雙極型晶體管二、共發(fā)射極直流電流傳輸方程定義共發(fā)射極直流放大系數(shù)：

共發(fā)射極直流電流傳輸方程：

穿透電流：三、共集電極直流電流傳輸方程1.3雙極型晶體管共集電極直流電流傳輸方程：1.3.3晶體管的共射組態(tài)特性曲線一、輸入特性曲線分析：時(shí)：集電結(jié)正偏，相當(dāng)于兩個(gè)二極管并聯(lián)的正向特性。時(shí)：曲線右移，集電結(jié)由正偏向反偏過(guò)渡，開(kāi)始收集電子。后，曲線基本不變，電流分配關(guān)系確定。

1.3雙極型晶體管特性曲線測(cè)量電流輸入特性曲線二、輸出特性曲線1.3雙極型晶體管輸出特性曲線三個(gè)區(qū)：放大區(qū)：iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。飽和區(qū)：vCE減小到一定程度，集電結(jié)吸引電子能力削弱。iB失去對(duì)iC控制作用，失去放大作用，飽和。飽和壓降VCE(sat)很小。飽和時(shí)集電結(jié)、發(fā)射結(jié)都正偏。截止區(qū)：發(fā)射極和集電結(jié)均反偏。反向飽和電流存在。1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)1.3.4晶體管的主要參數(shù)一、電流放大系數(shù)1.3雙極型晶體管直流電流放大系數(shù)：1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)直流電流放大系數(shù)：2）共基極電流放大系數(shù)直流電流放大系數(shù)：交流電流放大系數(shù)：

交流電流放大系數(shù)：

二、極間反向電流

1）集電極－基極反向飽和電流ICBO

2）穿透電流ICEO三、頻率參數(shù)

1）共發(fā)射極截止頻率

1.3雙極型晶體管2）共基極截止頻率3）特征頻率1.3雙極型晶體管四、極限參數(shù)1）集電極最大允許電流ICM：2）集電極最大允許耗散功率PCM3）反向擊穿特性：

V(BR)CBO——發(fā)射極開(kāi)路，集電極－基極間的反向擊穿電壓。

V(BR)CEO——基極開(kāi)路，集電極－發(fā)射極間的反向擊穿電壓。

V(BR)EBO——集電極開(kāi)路，發(fā)射極－基極間的反向擊穿電壓。

小結(jié)本講主要介紹了以下基本內(nèi)容：雙極性晶體管的結(jié)構(gòu)和類型：NPN、PNP

晶體管的電流放大作用和電流分配關(guān)系晶體管具有放大作用的內(nèi)部條件晶體管具有放大作用的外部條件晶體管直流電流傳輸方程三種不同的連接方式：共基極、共發(fā)射極和共集電極晶體管的共射組態(tài)曲線特性晶體管的主要參數(shù)1.3雙極型晶體管特點(diǎn)：

利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)控制輸出回路的電流；僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電（單極型晶體管）；輸入阻抗高（107~1012），噪聲低，熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)，功耗小。分類：1.4場(chǎng)效應(yīng)管1.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)1.4場(chǎng)效應(yīng)管N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖N溝道管符號(hào)P溝道管符號(hào)二、工作原理1.4場(chǎng)效應(yīng)管vDS=0時(shí)，

vGS

對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS＜0時(shí)，PN結(jié)反偏，|vGS|耗盡層加厚溝道變窄。vGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄，當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵源電壓vGS稱為夾斷電壓VP

（或VGS(off)

）。對(duì)于N溝道的JFET，VP<0。若在漏源極間加上適當(dāng)電壓，溝道中有電流iD流過(guò)。vGS＝0時(shí)，iD較大；vGS＝VGS(off)時(shí)，iD近似為零，這時(shí)管子截止。三、特性曲線1輸出特性2轉(zhuǎn)移特性1.4場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性：分為三個(gè)區(qū)可變電阻區(qū)恒流區(qū)（放大工作區(qū)）擊穿區(qū)輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線1.4.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管1.4場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道特性曲線1.4.3主要參數(shù)1.4場(chǎng)效應(yīng)管（一）直流參數(shù)①開(kāi)啟電壓VGS(th)：對(duì)增強(qiáng)型MOS管，當(dāng)VDS為定值時(shí)，使ID剛好大于0時(shí)對(duì)應(yīng)的VGS值。②夾斷電壓VGS(off)

（或VP）：對(duì)耗盡型MOS管或JFET，當(dāng)VDS為定值時(shí)，使ID剛好大于0時(shí)對(duì)應(yīng)的VGS值。③飽和漏極電流IDSS：對(duì)耗盡型MOS管或JFET，VGS=0時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流。④直流輸入電阻RGS：對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，RGS大于107Ω，MOS管的RGS大于109Ω

。（二）交流參數(shù)①低頻跨導(dǎo)gm：低頻跨導(dǎo)反映了vGS對(duì)iD的控制作用。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得。1.4場(chǎng)效應(yīng)管②

極間電容：Cgs和Cgd約為1~3pF，和Cds約為0.1~1pF。高頻應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮極間電容的影響。（三）極限參數(shù)①最大漏極電流IDM：管子正常工作時(shí)漏極電流的上限值。②

擊穿電壓V(BR)DS、V(BR)GS：管子漏-源、柵-源擊穿電壓。③

最大耗散功率PDM：決定于管子允許的溫升。1.4.4使用注意事項(xiàng)1.4場(chǎng)效應(yīng)管1對(duì)于MOS管，應(yīng)將襯底引線于源極引線連在一起。2場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極可以互換，但若產(chǎn)品源極已接襯底，則不能互換。3對(duì)于MOS管，柵-襯之間的電容容量很小，RGS很大，感生電荷的高壓容易使很薄的絕緣層擊穿，造成管子的損壞。因此，無(wú)論是工作中還是存放的MOS管，都應(yīng)為柵-源之間提供直流通路，避免柵極懸空；同時(shí)，在焊接時(shí)，要將烙鐵良好接地。1.4.5