1、第一章第一章1.1 PN結及晶體二極管總結1.2 晶體三極管半導體基礎知識結型場效應管(JFET)1.3 場效應管金屬-氧化物-半導體場效應管（MOSFET）第一章第一章半導體基礎知識半導體基礎知識 自然界中物質按其導電能力可分為自然界中物質按其導電能力可分為 導體 : 很容易傳導電流的物質 （銅 鉛）絕緣體: 幾乎不能傳導電流 (橡皮 陶瓷 石英 塑料) 半導體: 導電能力介于導體與絕緣體之間 (硅 鍺)(本征 雜質)(都是4階元素 )第一章第一章半導體物理基礎知識半導體物理基礎知識 一一 本征半導體本征半導體: - : - 純凈的半導體純凈的半導體 共價鍵共價鍵 在本征半導體晶體中，原子有

2、序排列構成空間點陣（晶格），外層電子為相鄰原子共有，形成 共價鍵共價鍵 價電子共價鍵第一章第一章半導體物理基礎知識半導體物理基礎知識 電子電子空穴對空穴對 當T 或光線照射下,少數價電子因熱激發而獲得足夠的能量掙脫共價鍵的束縛 ,成為自由電子.同時在原來的共價鍵中留下一個空位空位稱 空穴空穴本征半導體在熱或光照射作用下, 產生電子空穴對-本征激發 T光照電子-空穴對導電能力 所以 半導體的導電能力 與 T，光照 有關 在本征半導體中電子和空穴是成對出現的Ge第一章第一章半導體物理基礎知識半導體物理基礎知識 電子電流電子電流 電子在電場作用下移動產生的電流 x3 x2 x1 空穴電流空穴電流 空

3、穴移動產生的電流 x1 x2 x3 激發激發 束縛電子獲能量成為自由電子和空穴 自由電子濃度=空穴濃度電子和空穴稱為載流子電子和空穴稱為載流子第一章第一章半導體物理基礎知識半導體物理基礎知識 復合復合 運動中的自由電子如果“跳進”空穴.重新被共價鍵束縛起來,電子空穴對消失 稱復合 在一定溫度下,復合使半導體中載流子濃度一定 +4+4+4+4+4第一章第一章半導體物理基礎知識半導體物理基礎知識 二二 雜質半導體雜質半導體- - 在本征半導體中摻入微量的雜 質使其導電能力產生明顯變化 N N型半導體型半導體- - 摻入微量的五價元素(磷 砷 銻)由于雜質原子提供自由電子-稱 施主原子 N N型型雜

4、質半導體中電子濃度比同一溫度下本征半導體的電子濃度大得多 所以 加強了導電能力多子電子 少子空穴+5+4+4+4+4+3+4+4+4+4 + -第一章第一章半導體物理基礎知識半導體物理基礎知識 P P型半導體型半導體 摻入微量的三價元素（硼 鋁） 由于雜質原子吸收電子受主原子 多子空穴少子電子雜質半導體中 多子濃度由摻雜濃度決定 少子濃度由溫度決定 P P型型雜質半導體中空穴濃度比同一溫度下本征半導體的空穴濃度大得多，所以加強了導電能力1.1 PN1.1 PN結及二極管結及二極管 在一塊硅片上，用不同的摻雜工藝，使其一邊形成N型半導體，另一邊形成P型半導體，則在其交界面附近形成了PN結。一一

5、PNPN結的形成結的形成1.1.空間電荷區空間電荷區 P型 N型半導體 結合在一起時， 由于交界面兩側多子與少子 濃度不同 引起 擴散運動擴散運動 （濃度差引起） + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -1.1 PN1.1 PN結及二極管結及二極管 所以所以 在交界面附近形成了不能移動的帶電離子組成的空間電荷區 P區空穴 N區與電子復合在N區留下帶正電荷的離子 N區電子 P型與空穴結合在P區留下帶負電荷的離子 空間電荷區形成一個由N指向P的電場 內電場 平衡后的PN結1.

6、1 PN1.1 PN結及二極管結及二極管擴散使空間電荷區加寬。內電場加強，而內電場阻止擴散進行 漂移運動（內電場引起） 促使P區電子N N區空穴P 引起 內電場增加，擴散減弱，漂移增加。 最后 漂移 = 擴散 動態平衡 通過PN結之間電流為零 1.1 PN1.1 PN結及二極管結及二極管2. 對稱結與不對稱結對稱結與不對稱結 空間電荷區中沒有載流子 又稱耗盡層 當N與P區雜質濃度相同時，耗盡層在兩個區內的寬度也相等 對稱結對稱結否則雜質濃度較高的一側耗盡層寬度小于低的一側不對稱結不對稱結 P+N結 PN結 耗盡層中正負電荷量相等圖 1-8 不對稱PN結 1.1 PN1.1 PN結及二極管結及二

7、極管二二 PNPN結的特征結的特征單向導電性單向導電性 1 1. .正向特征正向特征又稱又稱PNPN結正向偏置結正向偏置 外電場作用下多子推向耗盡層，使耗盡層變窄，內電場削弱 擴散 漂移 從而在外電路中出現了一個較大的電流 稱 正向電流 VbV1.1 PN1.1 PN結及二極管結及二極管 在正常工作范圍內，PN結上外加電壓只要有變化，就能引起電流的顯著變化。 I I 隨V V急劇上升，PN結為一個很小的電阻（正向電阻小） 在外電場的作用下，PN結的平衡狀態 被打破，使P區中的空穴和N區中的電子 都向PN結移動，使耗盡層變窄 1.1 PN1.1 PN結及二極管結及二極管1.1.PNPN結的反向特

8、性結的反向特性 外電場使耗盡層變寬 使 漂移（少子） 擴散（多子） 回路中的反向電流 I非常微弱一般Si 為nA 級 Ge 為uA 級又少子是本征激發產生管子制成后其數值與溫度有關 T IT I 1.1 PN1.1 PN結及二極管結及二極管 反向電流不僅很小，而且當外加電壓超過零點幾伏后， 少子供應有限，它基本不隨外加電壓的增加而增加。 稱為反向飽和電流 反偏時電壓變化很大，而電流變化極微 PN結等效為一大電阻（反向電阻大） PN結這種只允許一個方向電流順利 通過的特性 單向導電性單向導電性2022-3-15-+1.1 PN1.1 PN結及二極管結及二極管3.3.PNPN結伏安特性表示式結伏安

9、特性表示式 IsIs 反向飽和電流 決定于PN結的材料，制造工藝、溫度 U UT T =kT/q - =kT/q - 溫度的電壓當量或熱電壓 當 T=300K時, UT = 26mV K K波耳茲曼常數 T T絕對溫度q q電子電荷 u u外加電壓U U 為反向時，且 1)(!1)1()1(nnTSUuSTkuqSUunIeIeIiT1.1 PN1.1 PN結及二極管結及二極管U正正偏時, UUT I=I=I Is se eU U/UT/UT 實際特性在I I較大時與指數特性有一定差異在上面討論忽略了引出線的接觸電阻，P區N區的體電阻及表面漏電流影響 導通電壓- 正向電流有明顯數 值時所對應的

10、電壓 正向電壓較小時,不足影響內電場 載流子擴散運動尚未明顯增加 正向電流0 I GeSi導通電壓死區電壓閾值電壓 UGe 0.2-0.3V 0.2V0.2VSi 0.6-0.8V 0.7V0.7V1.1 PN1.1 PN結及二極管結及二極管三三 溫度對伏安特性影響溫度對伏安特性影響 T T正向特性左移，反向電流明顯增大，T T 每升高10攝氏度 IsIs增加一倍 V(BR)IUTT當T到一定程度時，由本征激發產生的少子濃度超過原來雜質電離產生的多子濃度，雜質半導體與本征半導體一樣，PN結不再存在 關系式:1012122)()(ttSStItIIS1IS2 當PN結處于反向偏置時,在一定范圍內

11、的反向電壓作用下,流過PN結的電流是很小的反向飽和電流,但當反向電壓超過某一數值后,反向電流會急劇增加 稱 PNPN結的擊穿結的擊穿 把反向電流開始明顯增大時所對應的反向電壓 稱 擊穿電壓擊穿電壓 V V(BR)(BR)1.1 PN1.1 PN結及二極管結及二極管 為保證PN結正常工作。它的工作溫度不能 太高，溫度的限制與摻雜濃度有關，摻雜越 大，最高工作溫度越高三三 PNPN結的擊穿結的擊穿 1.1 PN1.1 PN結及二極管結及二極管雪崩擊穿雪崩擊穿輕摻雜 摻雜越低 擊穿電壓越大 PN結一旦擊穿后,可認為反向電壓幾乎不變 近似為V V(BR(BR) 擊穿齊納擊穿齊納擊穿重摻雜 摻雜越高 擊

12、穿電壓越低 V V(BR)(BR) 7V以上 擊穿 (SiSi)V V(BR)(BR) IEP IE IEN=IBN+ICN 1.21.2晶體三極管晶體三極管 B B區區：傳遞和控制電子 復合產生的電流IBN IB=IBNICBO（擴散）（復合） 被復合的電子數極少,大部分都擴散到c結邊沿 基區很薄 空穴濃度低C C區區：收集電子ICN（漂移）IC=ICNICBO（反向飽和電流）集電區和基區的少子在結反向電壓作用下漂移到對方 形成ICBO過程：注入 擴散 復合 收集1.21.2晶體三極管晶體三極管 二二. . 電流分配關系電流分配關系 根據輸入輸出回路的公共端不同，可構成三種組態. 無論哪種接

13、法為保證正向受控作用 須使發射結正偏、 集電結反偏 且滿足 IE=IB+IC外接電路使發射結正偏、 集電結反偏外因：內因：提高傳輸效率的條件：1）制成不對稱結P+NP或N+PN 2）基區薄3）增加集電結面積1.21.2晶體三極管晶體三極管 三種組態共基極共集電極共發射極注注 意意發射極 即能做輸入端 又能做輸出端基極 只能做輸入端 不能做輸出端 集電極 只能做輸出端 不能做輸入端1.21.2晶體三極管晶體三極管 電流分配關系電流分配關系 定義 共基極直流電流放大系數 1ECBOCENCNIIIII IC= IE+ICBO IE 定義 共e極直流電流放大系數 CBOIIIIIIBCBOCBNCN

14、ICEO = (1+ ) ICBO ICEO穿透電流 ICBO反向飽和電流IB = IBNICBO= IEIC =（1 ）IEICBO（1 ）IE IE= IC+IB IC=ICN ICBO= IB+(1+ ) ICBO IB IEIEN= IBN+ ICN =(1+ ) IB(1+ ) ICBO(1+ ) IB 1.21.2晶體三極管晶體三極管 由于 都反映了管中基區擴散與復合的關系 11，由定義可得： 總結：總結：IC IE IE (1+ ) IB IC IB IB（1 ）IEIE= IC+IB1.21.2晶體三極管晶體三極管 一一. . 共射極特性共射極特性 1. 共射極輸入共射極輸入特

15、性曲線特性曲線： 以 為參量， 與 的關系 CEuBiBEuCBEBCE)(uufi特點：類似二極管特性， 但并非是e結特性， 因e結與c結是相關的 即受 控制的 CEuSi UBE: 0.60.8V 0.7V Ge UBE: 0.10.3V 0.2V1.21.2晶體三極管晶體三極管 2. 2. 共射極輸出特性共射極輸出特性曲線：曲線： 以為參量時 與 的關系 BiCiCEu CCEC)(Biufi輸出特性劃分為三個區域 放大區放大區發射結正偏 集電結反偏的工作區 對 有很強的控制作用，反映在共射極交流放大系數上 BiCiCCEuBCII定義 =i iB B= =I ICBOCBOV VCE

16、CE = V= VBEBE飽和區飽和區截止區截止區放放 大大 區區1.21.2晶體三極管晶體三極管 變化對 影響很小 CEuCi飽和區飽和區發射結和集電結都正偏 VCE的變化對Ic影響很大 而Ic基本不隨IB變化，僅受VCE控制。 把VCE = VBE 稱臨界飽和飽和時 C.E間電壓 稱 飽和壓降飽和壓降 用V VCESCES表示 (Si管約為0.5V)小功率截止區截止區發射結和集電結均處于反偏 此時 iE=0 ,iC=ICBO 截止區 即為iB=ICBO 的那條曲線以下的區域 但小功率管ICBO很小 可忽略 近似以 iB=0 為其截止條件1.21.2晶體三極管晶體三極管 3. 3. 溫度對晶

17、體管特性的影響溫度對晶體管特性的影響溫度對V VBEBE的影響T VBE（導通電壓） 即輸入特性曲線左移溫度對I ICBOCBO的影響T ICBO 即輸出特性曲線上移溫度對 的影響T 即輸出特性曲線上曲線間距離T T對 V VBEBE、 I ICBOCBO 、 的影響反映在集電極電流I IC C上都使I IC C 1.21.2晶體三極管晶體三極管 二二. . 晶體管的主要參數晶體管的主要參數 1. 1. 電流放大系數電流放大系數 共射級電流（直流、交流）放大系數 CBCCBOBCBOCBNCNCE ,uIIIIIIII直流交流共基級電流（直流、交流）放大系數 CuECECEOCENCNCBII

18、IIIII ,直流交流I ICBOCBO I ICEO CEO 都很小 在數值上 1.21.2晶體三極管晶體三極管 2. 2. 極間反向電流極間反向電流 I ICBO CBO 射極開路 集一基反向電流 集電極反向飽和電流 I ICEO CEO 基極開路 集一射反向電流 集電極穿透電流 I IEBO EBO 集電極開路 射一基反向電流 3. 3. 結電容結電容 發射結電容Cbe，集電結電容Cbc，它們影響晶體管的頻率特性 4.4.極限參數極限參數 集電極最大允許功耗PCM 這參數決定于 管子的溫升。使用時不能超過且注意散熱1.21.2晶體三極管晶體三極管 由 PCM=ICVCE 在輸出 特性上畫

19、出這一曲線PCMICMU（BR）CEO集電極最大允許電流ICM 引起明顯下降時 的最大集電極電流ICICM時 管子不一定會損壞 但明顯下降在晶體管線性運用時 i ic c不應超過ICM反向擊穿電壓 U(BR)CBO 射極開路 集一基反向擊穿電壓 U(BR)CEO 基極開路 集一射反向擊穿電壓 U(BR)EBO 集電極開路 射一基反向擊穿電壓 1.21.2晶體三極管晶體三極管 1.21.2晶體三極管晶體三極管 eecbibicrbbgmVbebrcerbeicibeecbNPN型晶體管小信號混合型等效電路（中頻）1.3 1.3 場效應管場效應管 場效應管不僅具有一般晶體管體積小，重量輕，耗電省，

20、壽命長等特點 而且還有輸入阻抗高（可達1015）、噪音低、熱穩定性好、抗輻射能力強和制造工藝簡單等優點。 因而應用范圍很廣，特別是大規模、超大規模集成電路中應用很廣 特點：特點： 也是一種具有正向受控作用的有源器件晶體管 電流電流控制器件場效應管 電壓電壓控制器件1.3 1.3 場效應管場效應管晶體管： 是由電子和空穴二種 載流子運動形成電流的場效應管： 是利用改變電場來控 制固體材料的導電能力 場效應管場效應管（按結構不同）分：（按結構不同）分：結型場效應管(JFET)絕緣柵場效應管(IGFET)N溝道P溝道 MOS管P溝道增強型耗盡型N溝道增強型耗盡型1.3 1.3 場效應管場效應管（利用

21、半導體（利用半導體內的電場效應內的電場效應進行工作的）進行工作的） 在一塊N型半導體材料兩邊擴散高濃度P型區（重摻雜）形成兩個P+ +N結，P區和N區摻雜濃度不同 兩個P+區中間所夾的N型半導體區稱為導電溝道N N溝道結型溝道結型 場效應管場效應管箭頭方向為柵源箭頭方向為柵源PNPN結的正偏方向結的正偏方向P P溝道溝道一、結型場效應管一、結型場效應管(JFET)(JFET)N N溝道溝道1.3 1.3 場效應管場效應管一一.JFET.JFET的結構與工作原理的結構與工作原理( (以以N N溝道為例溝道為例) )1.V1.VGSGS對漏極電流對漏極電流I ID D的控制作用的控制作用 對N溝道

22、JFET，正常工作時 UGS0 ，但ID=0 夾斷狀態時夾斷狀態時 I ID D=0 =0 |V|VGSGS| |P P+ +N N結的耗盡層結的耗盡層溝道變窄溝道變窄 （即溝道電阻（即溝道電阻 ）（1）改變VGS的大小就可達到控制溝道寬度的目的，從而實現了對溝道電阻的控制作用。 （2）當VDS0時，ID就隨VGS的變化而變化，從而達到VGS對ID的控制作用 1.3 1.3 場效應管場效應管 場效應管GS上加反向偏壓，則反向電流很小， 若忽略反向電流 ，則柵極電流基本為零。 控制信號的能量消耗很小(輸入電阻大)。 但當GS上加正向偏壓時會產生柵極電流若不采取限流措施會燒壞管子 使用時應注意+

23、+_0VGS 01.3 1.3 場效應管場效應管2. U2. UDSDS對對I ID D的影響的影響 (V(VGSGS=0)=0)一般對N溝道JFET， VDS0(1)當VGS=VDS=0時靠漏端與靠源端的 溝道寬度一樣，即具有均勻的溝道(2)當VGS=0而 VDS0時， 靠漏端的P+N結的反偏程度靠源端的P+N結反偏程度這使溝道兩側的耗盡區從源極到漏極逐漸加寬，結果使溝道逐漸變窄。隨著VDS 溝道不等寬的情況越明顯溝道在漏極附近越來越窄 1.3 1.3 場效應管場效應管 當VDS增大到VDG= Vp 時 在漏極附近的耗盡區開始靠攏 稱預夾斷預夾斷在預夾斷狀態I ID D較大為 I IDSSD

24、SS(3)當VDS再時夾斷區夾斷區沿溝道加長， 夾斷區加長并不意味著ID 為零，因為若ID為零則夾斷區也不復存在。夾斷區的加長意味著溝道電阻增大， VDS繼續 時， ID趨于不變。此時的電流稱為 漏極飽和電流漏極飽和電流I IDSSDSS1.3 1.3 場效應管場效應管 但VDS不能無限 VDS到一定值時會產生反向擊穿現象。 3. V3. VGSGS00 0 時的情況時的情況VGS越負使耗盡區變寬、導電溝道變窄，VDS越正使耗盡區和導電溝道進一步變得不等寬，(1)同一VDS下，改變VGS 使溝道寬度不同， ID也隨之改變 即 ID的大小受VGS控制。 隨著|VGS|，導電溝道變窄，電阻變大，

25、在同樣VDS作用下，產生的ID |V |VGSGS| | 溝道電阻溝道電阻 I ID D 1.3 1.3 場效應管場效應管 器件達到預夾斷狀態的條件是 V VGDGD V VP P 而且 VDS=VDG+VGS 器件達到預夾斷狀態的條件是 VDS VGS-VP(2)VGS不同，產生預夾斷的VDS值也不同。(3)只有當 VGS=VP 時,溝道全部夾斷，此時 ID=01.3 1.3 場效應管場效應管二二. N. N溝道溝道JFETJFET的特性曲線的特性曲線1.1.轉移特性曲線轉移特性曲線CUGSDDSufi)(U UDSDS一定時，一定時，U UGSGS對對i iD D的控制作用的控制作用為保證

26、JFET工作在恒流區恒流區 要求V VDSDS V VGSGS-V-VP P可用方程描述定義定義: : 漏極飽和電流I IDSSDSS V VGSGS=0=0時i iD D的值的值夾斷電壓 V VP P i iD D =0=0時V VGSGS的值的值0 )1 (2GSPPGSDSSDVVVVII1.3 1.3 場效應管場效應管2.JFET2.JFET特性曲線特性曲線轉移特性曲線輸出特性曲線1.3 1.3 場效應管場效應管 在該狀態時 導電溝道暢通，漏源之間呈線性電阻特性 又稱 線性電阻區線性電阻區 且該阻值大小與VGS有關： VGS越大( (越向越向0 0電壓逼近電壓逼近) )，導電溝道越寬，

27、溝道電阻越小，在相同的VDS值時，iD越大 通過改變VGS的大小可控制漏源之間溝道電阻的大小，因而又稱 壓控電阻區。壓控電阻區。(1)(1)壓控電阻區（線性電阻區，非飽和區）壓控電阻區（線性電阻區，非飽和區）條件是：VP VGS00 VDS VGS-VP1.3 1.3 場效應管場效應管(2)(2)飽和區（恒流區，放大區）飽和區（恒流區，放大區）條件是：VP VGS VGS-VP這時器件工作于所謂預夾斷區，i iD D主要受V VGSGS控制，與V VDSDS基本無關，呈恒流特性 ，作放大器時工作于該區域。1.3 1.3 場效應管場效應管(3)(3)截止區截止區條件是：VDS 0 VGS VP這

28、時漏源之間處于開路狀態 iD=0 應用于開關電路(4)(4)擊穿區擊穿區為防器件損壞，工作時應避免進入該區須保證 V VDSDSVVT 才會形成導電溝道開啟電壓開啟電壓i iD D=0 =0 時時V VGSGS的值的值 1.3.41.3.4金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導體場效應管半導體場效應管(MOS(MOS管管) )器件達到預夾斷的條件為 VDS VGS-VT 對 N 增 MOS管 V VGSGS0 V0 VDSDS00iD+01.3.41.3.4金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導體場效應管半導體場效應管(MOS(MOS管管) )對P 增 MOS管V VGSGS0 V0 VDSDS000 對P 耗 MOS管 V VGSGS可可+ - 0 V+ - 0 VDSDS00 ，P溝道 VDS0(2)(2)耗盡型耗盡型 當VGS=0時， iD =0夾斷電壓夾斷電壓VGS(off)顯然JFET也是耗盡型MOS MOS VGS可 + - 0JFETJFET要求VGS0