第一章：半导体器件.pptx

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1、1绪论模拟信号的特点：在时间上和幅值上都是连续的，并且，在一定动态范围内可以取得任意值。模拟电路：处理模拟信号的电子电路第1页/共93页21.1 半导体的基本知识半导体基本知识 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。半导体的特点：当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显增加。第2页/共93页3 本征半导体一、本征半导体的结构特点GeSi现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。第3页/共93页4硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子第4页/共93页5二、本征半导体的导电机

2、理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。在常温下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴 这一现象称为本征激发，也称热激发。第5页/共93页62.本征半导体的导电机理+4+4+4+4本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。第6页/共93页7 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子同时也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示。本征激发和复合在一定温

3、度下会达到一种动态平衡状态。本征激发和复合的过程三、本征半导体中载流子的浓度 第7页/共93页8 杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，因掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加,所以半导体的导电性能发生显著变化。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。第8页/共93页9+4+4+5+4多余电子施主原子掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。因此自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。一、N 型半导体第9页/共93页10二、P 型半导体+4+4+3

4、+4空穴受主原子掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，空穴浓度远大于自由电子浓度。因此空穴称为多数载流子（多子），自由电子称为少数载流子（少子）。第10页/共93页11三、杂质半导体的浓度（N型半导体）（P型半导体）第11页/共93页121.2 PN结121 PN 结的形成将半导体一侧参杂成P 型，另一侧参杂成N 型，经过载流子的扩散和漂移运动，在它们的交界面处就形成了PN 结。漂移运动：载流子在电场作用下形成的定向运动扩散运动：载流子从浓度高的地方向浓度低的地 方运动第12页/共93页13P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内

5、电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。第13页/共93页14+空间电荷区N型区P型区电位VV0第14页/共93页151、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:第15页/共93页16+RE1、PN 结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。1-2-2 PN结的单向导电性第16页/共93页172、PN 结反向偏置+内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多

6、子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE第17页/共93页18 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。结论：PN结具有单向导电性。结论：第18页/共93页19 3 PN结伏安特性其中IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K）第19页/共93页20 1-2-3、PN结的温度特性正向特性：反向特性：TIVTISIIS的作用远大于VTI第20页/共93页21 1-2-4 PN结的反向击穿根据击穿机理 分类：雪崩击穿条件：低掺杂、高 齐纳击穿条件：高掺杂，PN结的击穿特性

7、反压低反压时就会发生第21页/共93页22+空间电荷区N型区P+型区电位VV0非对称结空间电荷区伸向低掺杂的一侧第22页/共93页23+雪崩击穿:内电场外电场NP_RE+空间电荷区N型区P型区+在空间电荷区产生碰撞电离，有大量载流子参与导电第23页/共93页24+齐纳击穿:内电场外电场NP_RE空间电荷区N型区P型区+第24页/共93页25UD7V 发生雪崩击穿击穿特性的好处：发生击穿以后，PN结两端反压保持恒定，而流过的电流可以在较大的范围内变动，可以利用这个性质制作稳压二极管。UD4V 发生齐纳击穿4VUD1V:发 射结正偏、集电结正偏第43页/共93页44共射放大器UoVCCIBRCVE

8、EICUCEUBE第44页/共93页45二、共射输出特性uCE(V)36912iC(mA )1234IB=020A40A60A80A100A此区域满足iC=iB称为线性区（放大区）此区域为饱和区，此区域为截止区，5uCE=uBE第45页/共93页461、饱和区：两个结均为正偏，随着 的减小，将迅速减小,电流传输方程已经不满足。2、放大区：发射结正偏、集电结反偏 ，仅仅决定于 ，而与 无关3、截止区：两个PN结均为反偏，放大的线性很差，管子没有了放大能力。第46页/共93页471-4-3、主要参数一.极限参数1.集电极最大允许电流ICM：2.集电极最大允许功耗PCM：3.击穿电压：二.直流参数1

9、.共基直流电流放大系数2.共射直流电流放大系数3.极间反向电流：第47页/共93页481.共基交流放大倍数三.交流参数2.共射交流放大倍数第48页/共93页491.对集-基极反向截止电流ICBO的影响AICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。1-4-4 三极管的温度特性一般可以近似认为：每升温10，ICBO增大一倍。第49页/共93页50 温度升高时，对于正向偏置的发射结，如果保持正向电流i iE E不变，那么正偏电压必须要减小。无论硅管还是锗管，每升温11，减小2 22.5mV/2.5mV/，可以表示为：3、温度对 的影响：温度升高会使晶体管的增大，工程上面

10、可以表示为：也就是说，温度每升高一度，值增加 2.温度对发射结正偏电压的影响第50页/共93页51场效应晶体管(FET)分类:N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)1-5 场效应管 场效应管(FET)与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。第51页/共93页52结构1-5-1 结型场效应管:DGSN基底：N型半导体P+两边是P区G(栅极)S源极D漏极导电沟道P+第52页/共93页53GSDuGSNPPiDuGSGSDNPPiDuGS0uGS2V一、工作原理（以N沟道为例）1、uDS0,iD与 u

11、GS的关系第53页/共93页54GSDuGSNPPiDuDS=0uGS达到一定值时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使uDS 0V，漏极电流iD=0A。uGS4V第54页/共93页55iD2、uGS0,iD与 uDS的关系NGSDuDSNPPiDuDS0uDS-VP第55页/共93页56ID负栅压时（uGS0）,iD与uDS的关系N第56页/共93页57二、伏安特性曲线1.输出特性 (1)可变电阻区（uDS uGS-VP）uGS-uDS=VP 形成预夹断轨迹，所以可变电阻区没有夹断发生（uDS uGS-VP）（uDS uGS-VP）(3)截止区（uGS uGS VPVP所

12、对应的漏极电流iD，也就是刚刚被全部夹断时的iD（3）直流输入电阻RGS 反偏PN结的电阻，反偏时RGS约大于107第59页/共93页60 （1）低频跨导gm 跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用 2.微变参数 因为 第60页/共93页61（2）漏极输出电阻rds （3）极间电容 3、极限参数 （1）最大漏极电流IDM：（2）最大允许功耗PDM：（3）击穿电压：漏源击穿电压栅源击穿电压第61页/共93页62小结：（1）JFET是利用uGS 所产生的电场变化来改变沟道电阻的大小，即利用电场效应控制沟道中流通的电流大小。（2）场效应管为一个电压控制型的器件。（3）在N沟道JFET中，VP为负值。在P

13、沟道JFET中，VP为正值。第62页/共93页63例 在图示电路中，已知场效应管的 ；问在下列三种情况下，管子分别工作在那个区？(a)uGS=-8V,uDS=4V,(b)uGS=-3V,uDS=4V,(c)uGS=-3V,uDS=1V,解（a）因为uGSVP 管子工作在放大区（c）因为uDG=uDS uGS=4VuDG0,uDS=0PN+SGN+iD=0D+产生垂直向下的电场uDS uGS 第70页/共93页71PN+SGN+iD=0D+电场排斥空穴形成耗尽层吸引电子uGSuDS+第71页/共93页72当uGS=uGS(th)时PN+SGN+iD=0D+形成导电沟道出现反型层uDSuGS第72

14、页/共93页73PN+SGN+iD0D+uDS(d)沟道反型层呈楔形(b)沿沟道有电位梯度当uGS uGS(th）,uDS0时(c)不同点的电场强度不同,左高右低(a)漏极电流iD0uDS增大，iD增大。第73页/共93页74a.uDS升高沟道变窄PN+SGN+iD0D+uDS反型层变窄uGSuDS第74页/共93页75b.当uGD=uGS-uDS=uGS(th）时uDSPN+SGN+iD0D+uDS沟道在漏极端夹断管子预夹断uGS第75页/共93页76c.当uDS进一步增大iD基本保持恒定uDSPN+SGN+D+uDS沟道夹断区延长(b)管子进入恒流区uDSuGSiD0第76页/共93页77

15、N沟道增强型MOS管的特性曲线转移特性曲线 iD=f(uGS)uDS=const输出特性曲线iD=f(uDS)uGS=const第77页/共93页78N 沟道耗尽型GSDGSDP 沟道耗尽型PNNGSD予埋了导电沟道+NPPGSD予埋了导电沟道+第78页/共93页79二、耗尽型N沟道MOS管耗尽型的MOS管uGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断，uGS=VP。(a)结构示意图(b)转移特性曲线第79页/共93页80输出特性曲线iDu DS0uGS=0uGS0区别：N沟道结型管工作在负栅压，耗尽型MOS管在 零栅压就可以工作。第80页/共93页81三、P沟道MOSFET P沟道MOSFET

16、的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。不论增强型还是耗尽型，对于P沟道器件，ID为空穴电流。因而uDS必为负值，为了保证PN结反偏，衬底必须接在电路的高电位上；对于N沟道器件，ID为电子电流。因而uDS必为正值，为了保证PN结反偏，衬底必须接在电路的低电位上。就uGS而言，增强型是单极性的，N沟道为正，P沟道为负，而耗尽型可正可负；不论增强型还是耗尽型，N沟道器件，uGS越向正值方向增大，ID越大；P沟道器件，uGS越向负值方向增大，ID越大；第81页/共93页82总结（一）半导体的基本知识 1、本征半

17、导体2、本征激发与复合3、空穴4、杂质半导体(1)N型半导体(2)P型半导体（二）PN结的基本特性 1、PN结是由P型半导体和N型半导体相结合形成的空间电荷区，又叫耗尽区。2、PN结的单向导电性：PN结外加正向电压时，耗尽区变窄，有电流流过；外加反压时，耗尽区变宽，没有电流流过或电流很小。第82页/共93页833、PN结的VI特性4、PN结方向击穿：雪崩击穿：发生在低掺杂的PN结，击穿电压较高；齐纳击穿：发生在高掺杂的PN结，击穿电压较低；5、PN结电容：势垒电容：发生在势垒区，正偏和反偏时都会发生，扩散电容：发生在P区和N区，反偏时发生，第83页/共93页84正偏时主要是扩散电容，反偏时主要

18、是势垒电容（三）半导体二极管 1、二极管正向VI特性模型(1)理想模型：正偏时压降为0，反偏时电阻为无穷大，流过的电流为0；(2)恒压降模型：正偏时硅管压降为0.7V，反偏时为反向饱和电流；2、二极管基本应用电路 整流电路、限幅电路、稳压电路3、稳压管：利用PN结的正向击穿特性，工作于反偏状态。正向压降与普通二极管相同。第84页/共93页85（四）半导体三极管 1、BJT是由2个PN结组成的器件，分为NPN和PNP 2、BJT的放大作用要求其内部结构特点是发射区掺杂高，基区掺杂低且非常薄，集电区掺杂低；外部特点是发射结正偏，集电结反偏。3、BJT的电流分配关系：IE=ICIC=IBIE=IB+

19、IC=(+1)IB4、2种电流放大系数的关系：5、2种极间反向电流关系：ICEO=（1）ICBO第85页/共93页86（五）场效应管 场效应管的转移特性场效应管的输出特性 第86页/共93页87例1 有两只晶体管，一只的200，ICEO200A；另一只的100，ICEO10A，其它参数大致相同。你认为应选用哪只管子？为什么？第87页/共93页8818KA25K140K10K5K2K10V15V+-BCIo-4K12V15V+-+例2(a)(c)判断二极管是否导通 判断方法：首先将所有二极管断开，按直流电路算出 各个二极管的开路电压，然后将最能优先导通（两端电位差最大）的一个接入电路；再按照这个

20、方法把第二个接入，最后把所有的二极管导通和截止分析清楚。7K-10V13K+10V(b)第88页/共93页89电路如图所示，已知ui5sint(V)，二极管导通电压UD0.7V。试画出ui与uO的波形，并标出幅值。例3 第89页/共93页90判断各电路中晶体管是否有可能工作在哪种状态。例4 第90页/共93页91电路如图所示，当uI4V、8V、18V三种情况下场效应管分别工作在什么区域。uTh=5V例5 GDSVDD=+12VuI第91页/共93页92测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位如表，它们的开启电压也在表中。试分析各管的工作状态(截止区、恒流区、可变电阻区）管管 号号UGS（th）/VUS/VUG/VUD/V工作状态工作状态T14513T243310T34605例6 第92页/共93页93感谢您的观看！第93页/共93页