第一章半導(dǎo)體器件特性.ppt

1、第一章半導(dǎo)體器件的特性,1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 1.2 PN結(jié) 1.3 二極管 1.4 雙極型晶體管（BJT） 1.5 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：109cm 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,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。,1.1

2、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,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)體的導(dǎo)電特性 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。 載流子：物資內(nèi)部運(yùn)載電荷的粒子。 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)的過程。 空穴：共價(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。,1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,空穴,自由 電子,圖1.1.2 硅

3、單晶共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),圖1.1.3 本征激發(fā)產(chǎn)生 電子空穴對(duì),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)。 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 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,電子為多數(shù)載流子,空穴為少數(shù)載流子,載流子數(shù) 電子數(shù),一、N 型半導(dǎo)體,圖1.1.4 N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,1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特

4、性,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1.1.5 P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,1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,小結(jié) 本講主要介紹了下列半導(dǎo)體的基本概念： 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,1.2.1 PN結(jié)的形成,1.2 PN結(jié),圖1.2.1 載流子的 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),圖1.2.2 PN結(jié)的形成,過程： 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。,1.2 PN結(jié),1.2.2

5、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?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。,1.2 PN結(jié),單向?qū)щ娦裕?正偏導(dǎo)通，呈小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。,1.2 PN結(jié),小結(jié) 本講主要介紹了以下基本內(nèi)容： 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 PN結(jié),1.3.1 二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào),構(gòu)成：,PN 結(jié) +

6、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,1.3二極管,1.3 二極管,1.3.2 二極管的伏安特性 一、PN結(jié)的伏安特性,1.3 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,1.3 二極管,：門限電壓（開啟電壓）,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，可用理想二極管來等效二極管。理想二極管的門限電壓和正向壓降均為

7、零，反偏時(shí)反向電流也為零。,1.3 二極管,二極管的理想等效模型,1.3.3 二極管的主要參數(shù) 1、最大整流電流IF：二極管長(zhǎng)期工作運(yùn)行通過的最大正向平均電流。 2、最高反向工作電壓UR：為保證管子安全工作，通常取為擊穿電壓的一半。 3、反向飽和電流IR：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fMax：是二極管具有單向?qū)щ娦缘淖罡吖ぷ黝l率。,1.3 二極管,1.3.4 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)。,1.3 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=VZ/ IZ：穩(wěn)壓管的動(dòng)態(tài)電阻，越小穩(wěn)壓性能越好

8、。,二、穩(wěn)壓管的參數(shù) 1、穩(wěn)定電壓VZ 2、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IZmin,1.3 二極管,1.3.5 二極管電路 一、限幅電路,1.3 二極管,1.3 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1.3.1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

9、.3 二極管,1.3 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,1.4.1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),1.4 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。,1.4 雙極型晶體管,1.4.2晶體管內(nèi)載流子的傳輸過程 晶體管正常工作的外部條件：發(fā)射結(jié)外加正

10、向電壓VBE，集電結(jié)加上較大的反向偏壓VCB。,1.4 雙極型晶體管,管內(nèi)載流子的傳輸過程,傳輸過程可分三步： 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IC,1.4.3 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)hFB：,1.4 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：,1.4 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,1.4 雙極型晶體管,共

11、集電極直流電流傳輸方程：,1.4.4 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 反偏過渡，開始收集電子。 后，曲線基本不變，電流分配關(guān) 系確定。,1.4 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,1.4 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

12、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),1.4.5 晶體管的主要參數(shù) 一、電流放大系數(shù),1.4 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)：,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,1.4 雙極型晶體管,2）共基極截止頻率,3）特征頻率,1.4 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PCM 3）反向擊穿特性： V(BR)CBO發(fā)射極開路，集電極基極間的反向擊

13、穿電壓。 V(BR)CEO基極開路，集電極發(fā)射極間的反向擊穿電壓。 V(BR)EBO集電極開路，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),1.4 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（1071012），噪聲低，熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)，功

14、耗小。 分類：,1.5 場(chǎng)效應(yīng)管,1.5.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 一、結(jié)構(gòu),1.5 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,1.5 場(chǎng)效應(yīng)管,VDS=0時(shí)， VGS 對(duì)溝道的控制作用,當(dāng)VGS0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。 VGS0時(shí)，ID較大； VGSVGS(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

15、轉(zhuǎn)移特性,1.5 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,絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管,1.5 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,1.5.3主要參數(shù),1.5 場(chǎng)效應(yīng)管,（一）直流參數(shù),開啟電壓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。,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。, 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。, 直流輸入電阻RGS：對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極

16、管，RGS大于107， MOS管的RGS大于109 。,（二）交流參數(shù), 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。,1.5 場(chǎng)效應(yīng)管,極間電容： Cgs和Cgd約為13pF，和 Cds約為0.11pF。高頻應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮極間電容的影響。,（三）極限參數(shù), 最大漏極電流IDM：管子正常工作時(shí)漏極電流的上限值。, 擊穿電壓V(BR) DS、 V(BR) GS：管子漏-源、柵-源擊穿電壓。, 最大耗散功率 PDM ：決定于管子允許的溫升。,1.5.4使用注意事項(xiàng),1.5 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

17、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。,1.5.5場(chǎng)效應(yīng)管和雙極型晶體管的比較,1.5 場(chǎng)效應(yīng)管,1 場(chǎng)效應(yīng)管的漏極d 、柵極g和源極s分別對(duì)應(yīng)晶體管的集電極c、基極b和發(fā)射極e，其作用類似。,2 場(chǎng)效應(yīng)管以柵-源電壓控制漏極電流，是電壓控制型器件，且只有多子參與導(dǎo)電，是單極性晶體管；三極管以基極電流控制集電極電流，是電流控制型器件，晶體管內(nèi)既有多子又有少子參與導(dǎo)電，是雙極性晶體管。,3 場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻遠(yuǎn)大于晶體管的輸入電阻，其溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、噪聲系數(shù)小。,4 場(chǎng)效應(yīng)管的漏極和源極可以互換，而互換后特性變化不大；晶體管的集電極和發(fā)射極互換后特性相差很大。,6 場(chǎng)效應(yīng)管的種類多，柵-源電壓可正、可負(fù)，使用更靈活。,7 場(chǎng)效應(yīng)管