模拟电子技术之半导体器件

第1章半导体器件本章教学内容1.1半导体的特性1.2半导体二极管1.3双极型三极管1.4场效应三极管1.1半导体的特性半导体(semiconductor)：特性热敏性光敏性掺杂性热敏电阻光电电阻、光电二极管、光电晶体管二极管、晶体管和晶闸管本征半导体杂质半导体导电能力介乎于导体和绝缘体之间的物质。Si、GeSiSiSiSi自由电子空穴E载流子:运载电荷的粒子自由电子+空穴300ºK1.4×1010/cm3本征半导体中载流子浓度极小，导电性能很差；温度越高，本征半导体中载流子浓度越高，导电能力越强。半导体导电能力受温度影响很大。4.96×1022/cm3杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体P型半导体N型半导体(N-typesemiconductor)在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它五价元素锑、砷等）。自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由本征激发形成。SiSiP+Si多余电子施主杂质P型半导体(P-typesemiconductor)在硅或锗晶体中掺入硼（或其它三价元素镓、铟等）。空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由本征激发形成。SiSiB-Si空穴受主杂质N型半导体中多数载流子是自由电子。P型半导体中多数载流子是空穴。不论是N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然是不带电的，宏观上保持电中性。PN结PN结的形成浓度差多子的扩散运动PN空间电荷区UD少子漂移运动扩散电流漂移电流PN1.2半导体二极管耗尽层阻挡层Si:（0.6~0.8）VGe:（0.2~0.3）VPNPN结的单向导电性R+–I内电场外电场空间电荷区变窄PN结加正向电压Ｐ－正,Ｎ－负特点：多子的扩散运动占主导地位，扩散电流大于漂移电流，空间电荷区变窄；PN结电阻较小，处于导通状态；PN内电场R+–I外电场空间电荷区变宽PN结加反向电压Ｐ－负,Ｎ－正特点：少子的漂移运动占主导地位，漂移电流大于扩散电流，空间电荷区变宽；一定温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流IS。PN结电阻很大，处于截止状态；二极管的伏安特性DiD+uD—正向特性死区电压锗管：0.2V硅管：0.5V导通电压锗管：0.3V硅管：0.7VuD/ViD0正向导通锗硅0.20.50.30.7反向特性uD/ViD0正向导通反向截止0.5锗硅0.2反向饱和电流IS0.30.7击穿电压UBR击穿电击穿热击穿不可恢复发生击穿并不一定意味着PN结被损坏。可恢复温度的影响T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移增大1倍/10℃二极管的电路模型理想二极管的电路模型iDuDO导通电压UD与二极管材料有关：硅管为0.6~0.7V，锗管为0.2~0.3V。考虑导通电压的二极管模型：iDuDO_+uDiDuDUDuDUD+uDiD_例半导体二极管主要参数uDiD0URWMIRIOMUBR最大整流电流IF：二极管长时间安全工作所允许流过的最大正向平均电流。反向工作峰值电压UR：为保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向工作电压。反向电流IR：二极管未被击穿时，流过二极管的反向电流。最高工作频率fM：二极管维持单向导电性的最高工作频率。由多数载流子在扩散过程中的积累引起，正向偏置时起主要作用。电容效应势垒电容Cb由PN结的空间电荷区形成，又称结电容，反向偏置时起主要作用。扩散电容Cd稳压二极管一种特殊的硅二极管;允许通过较大的反向电流;反向击穿电压比普通二极管低得多;在电路中可起稳压的作用;uDiDOUBRDZ+-uziz稳压二极管的特性izuzO正向偏置时，其特性和普通二极管相同。反向偏置时，如果电压较小，则二极管处于截止状态，电流近似为0。如果电压达到击穿电压值时，电流迅速增大，稳压二极管处于稳压状态。UZ稳压二极管的主要参数izuz0UZIZIZM△UZ△IZ稳定电压UZ稳定电流IZ最大稳定电流IZM最大允许耗散功率PZM动态电阻电压温度系数UZMZzmIUP稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。zzzUrI动态电阻越小稳压管稳压效果越好。稳压管受温度变化的影响系数。使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：UORLVDZRUIIRIOIZ++--稳压管必须工作在反向击穿区。稳压管应与负载RL并联。必须限制流过稳压管的电流IZ。例BJT结构特点：发射区的掺杂浓度最高；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。发射极集电极基极发射区基区集电区晶体管电流分配及放大原理µAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE共发射极接法UBEUCE由此实验及测量结果可得出如下结论：（1）IE=IC+IB符合基尔霍夫电流定律。（2）IE和IC比IB大的多。IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA0.0010.701.502.303.103.95IE/mA0.0010.721.542.363.184.05输入特性曲线UBEUBE0.7V(硅)0.3V(锗)0V1V10V0uBEiBUCE当UCE=0，特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似。当UCE1，特性曲线的形状不变，位置右移。晶体管的特性曲线ConstBEBCE|)(UUfI输出特性曲线OuCEiCIB=0IB3IB2IB1IB3IB2IB10截止饱和放大集电极电流受基极电流控制，所以晶体管又称为电流控制器件。uCE=uBEConstCECB|)(IUfI晶体管的输出特性曲线是一组曲线。截止区条件：发射结零偏或反偏BE0U集电结反偏RCUCCTRBUBBIB=0ICIEIB=0,IC=IE=ICEO(穿透电流)由于ICEO很小，此时UCE近似等于UCC，C与E之间相当于断路。OuCEiCIB=0IB3IB2IB1IB3IB2IB10截止饱和放大饱和区条件：发射结正偏，集电结正偏。即：UBE0，UBEUCE,UCUB。饱和时UCE电压记为UCES，硅管UCES=0.2~0.3V，锗管UCES=0.1~0.2V。C与E之间相当于短路。RCUCCTRBUBBIBICIE此时IB对IC失去了控制作用，ICβIB，管子处于饱和导通状态。OuCEiCIB=0IB3IB2IB1IB3IB2IB10截止饱和放大放大区条件：发射结正偏；集电结反偏；UCE变化时，IC基本不变。这就是晶体管的恒流特性。改变IC的唯一途径就是改变IB,而这正是IB对IC的控制作用。RCUCCTRBUBBIBICIEIC=IB，因此放大区又称为线性区。特性曲线的均匀间隔反映了晶体管电流放大作用的能力，间隔大，即△IC大，因而放大能力（）也大。OuCEiCIB=0IB3IB2IB1IB3IB2IB10截止饱和放大例晶体管的主要参数电流放大系数CBII直流(静态)FE()h交流(动态)(hfe)CBii和含义不同，但在输出特性放大区内，曲线接近于平行等距，由于制造工艺的分散性，同一型号的晶体管，值也有很大差别。常用的晶体管的值一般在20~200之间。注意：极间反向电流集－基反向饱和电流ICBO集－射穿透电流ICEOCEOCBO(1)IIICBO是发射极开路时，集—基反向饱和电流。通常希望ICBO越小越好。在温度稳定性方面，硅管比锗管好。ICEO是基极开路时，从集电极直接穿透晶体管到达发射极的电流。集－射反向击穿电压U(BR)CEO当基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。U(BR)CEOOuCEiC集电极最大允许电流ICM集电极电流IC超过一定值时，值要下降，当降到原来值的2/3时，对应的IC称为ICM。ICM集电极最大允许耗散功率PCM集电结允许工作的最高温度时消耗的功率。U(BR)CEOOuCEiCICM安全工作区UCEIC=PCM过损耗区1.4场效应三极管场效应管（FET）是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。主要用于大规模和超大规模集成电路中。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）场效应管FET结型JFET绝缘栅型MOSFET(IGFET)UGDUGS(off)时，UGS对iD的控制作用UGD=UGS-UDSUGS(off)时，UDS再增加，iD不再增加。此时，可通过改变UGS来控制iD的大小。∣UGS∣减小，iD增加。故称场效应管为电压控制元件（VCCS）。场效应管用低频跨导gm来描述动态栅源电压对漏极电流的控制作用。DGSmigU小结：（1）当uGD＝uGS－uDSUGS(off)时，导电沟道未出现夹断，对应不同的uGS，d－s间可等效不同的电阻；（2）当uGD＝UGS(off)时，导电沟道出现预夹断；（3）当uGD＝uGS－uDSUGS(off)时，导电沟道出现夹断，iD取决于uGS，而与uDS无关。此时，可以把iD近似看成uGS控制的电流源。（4）PN结反偏，iG≈0。结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达107Ω以上，但在某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。绝缘栅型场效应管可以很好地解决这些问题2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。绝缘栅型场效应管(MOSFETMetal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor)由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达1010以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。N沟道增强型MOS场效应管结构P型衬底N+N+SiO2源极s漏极d衬底引线B栅极gsgdB++NNP型衬底工作原理uDSuGSuGS＝0，uDS0两个PN结背靠背，不存在导电沟道，即iD＝0；uDS＝0，uGS0uGS排斥SiO2附近得空穴，剩下不能移动的离子，形成耗尽层；宽，衬底的自由电子吸引到耗尽层预绝缘层之间，形成一个N型薄层，即反型层，也是d－s之间的导电沟道；随着uGS增大，耗尽层加开启电压UGS(th)(UT)：刚刚形成反型层的uGS电压。GDGSDSuuu++NNP型衬底uDSuGSuGSUGS(th)，uDS0由于有导电沟道，会产生漏极电流iD；iD导电沟道存在电位梯度，导电沟道不均匀，沿着s→d方向逐渐变窄；当uGD＝UGS(th)时，导电沟道出现预夹断；当uGDUGS(th)时，导电沟道出现夹断；此时，iD的大小与uDS无关，由uGS控制，恒流区。当uGDUGS(th)时，uDS增大，iD也增大，可变电阻区；特性曲线转移特性UGSUGS(th)，iD=0；UGS≥UGS(th)，形成导电沟道，随着UGS的增加，ID逐渐增大。2GSDDO()(1)UuiIGSth(当UGSUGS(th)时)UGS(th)2UGS(th)IDOuGS/ViD/mA0输出特性预夹断轨迹恒流区可变电阻区iD/mAuDS/V0GSGS(th)UU夹断区UGS增加N沟道耗尽型MOS场效应管预先在SiO2中掺入大量的正离子，使uGS＝0时，在正离子的作用下也能形成反型层。--gsN+dBN+++++++++++++P型衬底uGS为正时，反型层变宽；反