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第1章 半导体器件,1.1 半导体的基础知识1.2 PN结与晶体二极管1.3 特殊二极管1.4 晶体三极管1.5 场效应晶体管,1.1 半导体的基础知识,1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体,半导体之所以受到人们的高度重视,并获得广泛的应用,是由于它具有其他物体所没有的独特性质，具体表现在以下3个方面：(1)掺杂性(2)热敏性(3)光敏性,1.1.1 本征半导体 本征半导体是指纯净的、不含杂质的半导体。在近代电子学中,用得最多的半导体是硅和锗,它们都是四价元素，原子最外层有4个价电子。硅和锗的原子结构示意图如图1-1所示。,图11 原子结构示意图(a)硅;(b)锗,在硅和锗等半导体材料中,内部原子排列是有规律的,即为晶体结构。晶体硅(或锗)的原子排列示意图如图12(a)所示。每个硅原子受邻近4个原子的束缚,组成4个共价键。共价键像纽带一样将排列整齐的原子联结起来,如图(b)所示。,图12 硅晶体结构和共价键结构示意图(a)晶体结构;(b)共价键结构,1.1.2 杂质半导体 1.N型半导体 2.P型半导体,图13 N型半导体的共价键结构,图14 P型半导体的共价键结构,1.1.3 载流子的运动方式及形成的电流 1.扩散运动和扩散电流 2.漂移运动和漂移电流,1.2 PN结与晶体二极管,1.2.1 PN结的基本原理 1.2.2 晶体二极管 1.2.3 晶体二极管应用电路举例,1.2.1 PN结的基本原理 1.PN结的形成,图15 平衡状态下的PN结(a)初始状态;(b)平衡状态;(c)电位分布,2.PN结的特性 PN结在不同的运用状态下表现的特性不同，了解这些特性是理解和使用晶体二极管、三极管的重要依据。1)PN结的单向导电性 2)PN结的击穿特性(1)雪崩击穿。(2)齐纳击穿(隧道击穿)。,图16 PN正向运用,图17 PN反向运用,3)PN结的电容效应(1)势垒电容CT。势垒电容CT与普通电容不同,它的容量随外加电压的改变而改变,并且不成线性关系。而普通金属板电容器,其容量为一常数。分析表明,(11),(2)扩散电容。PN结正向运用时,除了存在势垒电容以外,还有一种特殊的电容,叫做扩散电容,用CD表示。,(12),1.2.2 晶体二极管 1.晶体二极管的结构 二极管是由PN结、电极引线和管壳构成的。按其结构特点可分为点接触型、面结合型和平面型3大类,如图18所示。,图18 二极管结构与符号,(1)点接触型二极管如图18(a)所示。(2)面结合型二极管如图18(b)所示。(3)平面型二极管如图18(c)所示。二极管的符号如图18(d)所示。,2.晶体二极管的伏安特性(1)正向特性(2)反向特性(3)击穿特性(4)伏安特性,图19 二极管伏安特性,图110 温度对二极管特性的影响(a)正向特性;(b)反向特性;(c)击穿特性,温度升高,门限电压Ur下降,如图110(a)所示。一般有,(13),温度升高时，由于少数载流子增加，使反向饱和电流增大,如图110(b)所示。温度每升高10,反向饱和电流约增大一倍,即,(14),3.伏安特性的数学表达式 根据理论分析,二极管的电流与端电压u存在如下关系:,(15),式(15)可近似为,(16a),当u为负值,且满足eu/UT 1时,则,(16b),(17),4.二极管的主要参数 1)性能参数(1)直流电阻RD RD是二极管电压与电流的比值,即,(18),(2)交流电阻rd它是二极管在工作点附近电压微变量与电流微变量之比,即,(19),rd的数值还可以从二极管的伏安特性表达式中得出,由式(15)得,(110),图111 二极管直流电阻和交流电阻(a)直流电阻RD;(b)交流电阻rd,3)势垒电容CT 2)极限参数(1)最大允许整流电流IOM(2)最高反向工作电压URM(3)最大允许功耗PDM,5.晶体二极管分析方法 图112(a)是一二极管电路,我们可以把该电路分成两部分进行考虑：左边是由E和R组成的线性电路，右边是二极管。分析时主要有两种分析方法：图解法和解析法。,图112 二极管电路分析(a)电路；(b)图解法,1)图解法 二极管的特性曲线如图112（b）所示，将图112（a）左边的线性电路写成方程为,2）迭代法 由式（15）的二极管特性方程和式(111)联立的方程组可以求出非线性电路的解。但无法直接计算，一般采用迭代法求解。将式(111)和式(15)改写为,(111),(112a),(112b),单变量的非线性代数方程的一般形式如下：首先对方程的解做一初次猜测值x(0)，若它不满足式(114)，则在x(0)处将f(x)展为泰勒级数,(113),(114),(115),(116),(117),式(117)是个线性方程，只要f(x(0)0便可解得,(118),将x作为方程f(x)=0的一个一次修正后的近似解，即令,(119),依此类推，可得第（K+1）次修正后的近似解,(120),3）折线化近似 以上的分析方法都比较繁琐，在工程分析计算中一般将二极管特性曲线作近似处理，使问题得到简化。特性曲线一般有4种折线化近似，如图113所示，它们没有考虑击穿区特性。,图113 二极管特性曲线折线近似,1.2.3 晶体二极管应用电路举例 1.整流电路 2.门电路 3.二极管限幅电路,图114 二极管半波整流电路(a)电路；(b)输出波形,图115 二极管门电路,图116 二极管限幅电路(a)电路;(b)波形,1.3 特殊二极管,1.3.1 稳压管1.3.2 光电二极管 1.3.3 发光二极管 1.3.4 变容二极管,1.3.1 稳压管 稳压管的主要参数如下:(1)稳定电压UZ(2)稳定电流IZ(3)动态电阻RZ(4)电压温度系数(5)额定功耗PZ,(121),图117 稳压管的伏安特性及符号,图118 稳压管动态电阻,图119 稳压管等效电路,图120示出了稳压管稳压电路,图中稳压管VZ并接在负载RL两端。由图可知,(122),图120 稳压管稳压电路,例11 在图120的稳压电路中,稳压管选为2CW14(UZ=6V,IZmin=5mA,IZmax=33mA),R=510。假定输入电压变化范围为1824V,试确定负载电流的允许变化范围。解(1)计算IRmax和IRmin,(2)计算ILmax及ILmin:由于IR=IL+IZ,当Ui=Uimax和IL=ILmin时,流过IZ的电流最大,为了使稳压管能安全工作,应使 IZmaxIRmax-ILmin当Ui=Uimin和IL=ILmax时,流过IZ的电流最小,为了稳定输出电压,应使 IZminIRmin-ILmax因此 ILmaxIRmin-IZmin=23.5-5=18.5mA ILminIRmax-IZmax=35.3-33=2.3mA 即IL的允许变化范围为2.318.5mA。,1.3.2 光电二极管 光电二极管的性能主要从以下几个方面考虑：（1）光谱特性（2）光照特性（3）频率响应,图121 光电二极管的符号及特性(a)符号;(b)光谱特性；(c)光照特性,1.3.3 发光二极管 发光二极管简称LED,通常用化学元素周期表中、族元素的化合物如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)等制成,其符号如图122(a)所示。,图122发光二极管(a)符号；(b)光谱特性,图123 二极管型光电耦合器,1.3.4 变容二极管 利用PN结的势垒电容随外加反向电压的变化而变化的特性可制成变容二极管,其符号及特性如图124所示。变容二极管的容量很小,为皮法数量级,所以主要用于高频场合下,例如电调谐、调频信号的产生等。,图124变容二极管符号及特性(a)符号;(b)特性,1.4 晶体三极管,1.4.1 晶体三极管的结构与符号1.4.2 晶体管的放大原理 1.4.3 晶体三极管特性曲线 1.4.4 晶体管的运用状态 1.4.5 晶体管的主要参数 1.4.6 晶体三极管模型,1.4.1晶体三极管的结构与符号 晶体三极管(常称晶体管)是在一块半导体(锗或硅)上通过掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的PN结,并引出3个电极而构成的,如图125所示。晶体管有3个区:发射区发射载流子的区域;基区传输载流子的区域;集电区收集载流子的区域。,图125 晶体三极管的结构与符号,1.4.2 晶体管的放大作用 1.载流子的传输过程 1)发射区向基区注入电子 2)注入电子在基区边扩散边复合 3)集电区收集扩散来的电子 4)集电结两边少子的漂移,图126 晶体三极管工作原理,2.电流关系 由三极管内载流子的传输可见,三极管各极电流分别为,(123),(124),(125),(126),所以,而,IE传输到集电极的电流分量,发射极电流IE,(127),IE传输到集电极的电流分量,基区复合电流,(128),利用 得到各极电流之间的关系为,由式(129)和式(132)可以看出,当ICBO很小时有,(129),(130),(131),(132),(133),(134),3.基区非平衡载流子的密度分布,图127 基区非平衡载流子的密度分布,1.4.3 晶体三极管特性曲线 三极管特性曲线用来描述晶体管外部各极电流与电压的关系。了解晶体管特性曲线是进行晶体管电路分析的基础。,图128 共发射极接法的输入特性曲线(a)测试原理图;(b)输入特性曲线,1.共发射极接法的输入特性曲线 共发射极输入特性曲线是指以集电极与发射极输出电压uCE为参变量,输入电流iB与输入电压uBE之间的关系曲线,即 iB=f1(uBE,uCE)(135)(1)uCE=0时,iBuBE曲线和普通二极管的特性相似。(2)uCE1V时的iBuBE曲线与uCE=0时的曲线相比,特性右移,且不同uCE的曲线基本重合。,2.共发射极接法的输出特性曲线 输出特性是指以输入基极电流iB为参变量,输出集电极电流iC和集电极与发射极之间输出电压uCE的关系,即 iC=f2(iB,uCE)(136)1)截止区 2)放大区,常数,(137),3)饱和区 4)击穿区,图129 共发射极接法的输出特性曲线,图130 基调效应原理(保持iB不变),图131 ICEO的形成原理,图132 饱和时基区非平衡载流子分布曲线,1.4.4 晶体管的运用状态,表11 三极管的四种运用状态,1.4.5 晶体管的主要参数 1.电流放大系数 2.极间反向电流,图133 测量电路,3.极限参数 1)集电极最大允许电流ICM 2)反向击穿电压(1)BVCBO发射极开路时,集电结的反向击穿电压。(2)BVCEO基极开路时,集电极与发射极间反向击穿电压。3)集电极最大允许功耗PCM,(139),图134 PCM功耗线,4.温度对晶体管参数的影响(1)温度对ICBO的影响(2)温度对UBEO(对于PNP管，则为UEBO)的影响(3)温度对的影响,(140),1.4.6 晶体三极管模型 1.注入型EM1模型,（141）,IR为反向二极管的参考电流，可表示为,（142）,图135 注入型EM1模型,由图135可知：IC=FIF-IR（143）IE=IF-RIR（144）IB=IE-IC=(1-F)IF+(1-R)IR（145）FIES=RICS=IS（146）,（共发射极正向电流放大系数）,（共发射极反向电流放大系数）,（147）,（148）,2.4 种工作状态的简化模型 如果令集电极开路，发射结反向偏置，则这时IE=-IEBO；如果令发射极开路，集电极反向偏置，则这时IC=ICBO，利用式（139）和（140）不难得到,（149）,（150）,于是也可把式（141）和（142）改写为,（151）,（152）,1）放大区 由于集电结反向运用，通常满足UBC-3KT/q，所以,将式（145）和（153）代入式（143）得,将式（143）和（153）带入式（141）可得,（153）,（154）,（155）,图136 放大区模型,图137 截止区模型,2）截止区 由于发射结和集电结都反向偏置，所以 IF-IES（156）IR-ICS（157）于是图135可改画为图137（a），图（b）是它的近似模型。,3）饱和区 利用式（143）（145）和式（151）（1 52）不难得到,只要UBE和UBC大于零，就进入饱和区。于是,（161）,（160）,（159）,（158）,图138饱和区模型 图139反向放大模型,4）反向放大区与放大区分析类似，不难得到,（162）,（163）,图140 理论的晶体管输出特性曲线,例12已知如图141所示的三极管反相器（所谓反相器即当输入是高电平时，输出是低电平；输入是低电平时，输出是高电平）的参数如下：IES=1.5310-11mA，ICS=310-11mA，F=0.98,R=0.5,试分析其传输特性（Uo与UI关系曲线）。解 当UI从零逐渐增大时，三极管由放大区过渡到饱和区。,可以通过假设i，计算UO和UI。例如设i=0.5mA,则,图141 三极管反相器,图142 反相器放大区模型,图143 反相器饱和区模型,设输入电压UI=5V时，晶体管处于饱和状态，并假设UBE=0.62V，UBC=0.6V，于是,为了证明晶体管处于饱和状态，计算,已知R=0.5，根据式（148）求得R=1，由式（158）和式（149）得,由式（159）和式（151）得,于是得,图144 反相器传输特性,1.5 场效应晶体管,1.5.1 结型场效应晶体管(JFET)1.5.2 绝缘栅场效应管（IGFET）1.5.3 场效应管的参数及特点,1.5.1 结型场效应晶体管 1.结型场效应晶体管(JFET)的结构 图145(a)是N沟道结型场效应管的示意图。,图145 N沟道结型场效应管结构与电路(a)N沟道结构示意图;(b)N沟道管电路;(c)P沟道管电路,2.结型场效应管的工作原理,图146 JFET放大原理,3.结型场效应管的特性曲线 1)输出特性曲线 输出特性曲线是一簇uGS固定为不同值时的iDuDS关系曲线,即（1)截止区(2)可变电阻区(3)线性放大区,图147 JFET输出特性曲线,图148 uGS=UP时的沟道状态,图149 uDS对耗尽层的影响(a)uDG=|UP|;(b)uDG|UP|,2)转移特性 在饱和区,漏源电压一定时,iD随uGS变化的关系曲线称为转移特性,即 iD=f2(uDS,uGS),(164),图150 N沟道结型场效应管的转移特性曲线,1.5.2 绝缘栅场效应管(IGFET)1.N沟道增强型MOSFET 1)N沟道增强型MOSFET的结构,图151 N沟道增强型MOSFET结构及符号,2)增强型NMOS管的工作原理 增强型NMOS管在uGS=0时,两个重掺杂的N+源区和漏区之间被P型衬底所隔开,就好像两个背向连接的二极管。这时不论漏极、源极间加何种极性电压,总有一个PN结处于反向偏置,所以漏极、源极之间只有很小的反向电流通过,可以认为增强型NMOS管处于关断状态。,图152 N沟道的形成,3)增强型NMOS管特性曲线(1)转移特性曲线。增强型NMOS管转移特性如图153所示,其主要特点如下:当0uGSUT时,iD=0。尽管uGS0,但无栅流。当uGSUT时,导电沟道形成,iD0。,(165),图153 增强型NMOS管转移特性曲线,图154 增强型NMOS管输出特性曲线,图155 uDS增大时增强型MOS管沟道的变化过程(a)uDSuGS-UT,4)衬底电位对场效应管特性的影响,图156 衬底与源极间电压uBS对iD的影响,2.N沟道耗尽型MOSFET 增强型NMOS管在uGS=0时,管内没有导电沟道。耗尽型则不同,它在uGS=0时就有导电沟道,它的导电沟道是在制造过程中就形成了的。,图157 耗尽型NMOS管特性曲线(a)转移特性曲线;(b)输出特性曲线,3.P沟道绝缘栅场效应管(PMOS)PMOS管也有两种:增强型和耗尽型。增强型PMOS管在工作时为了在漏源极之间形成P型沟道,栅源极之间电压uGS必须为负,而且漏源极电压uDS及漏极电流iD也与NMOS管的相反。,表12 各种类型的FET的特性,表12 各种类型的FET的特性,1.5.3 场效应管的参数及特点 1.主要参数 1)直流参数(1)夹断电压UP:uDS固定时,使耗尽型场效应管(JFET,MOSFET)漏极电流减小到某一微小值(测试时用iD1A)时的栅源电压值。(2)开启电压UT:uDS固定时,使增强型MOSFET开始导电时的栅源电压值。,(3)饱和漏极电流IDSS:在uGS=的情况下,对于耗尽型场效应管，当uDS|UP|时的iD值,称为饱和漏极电流IDSS。(4)直流输入电阻RGS:漏、源极短路时栅极直流电压UGS与栅极直流电流IG的比值称为直流输入电阻RGS。,2)交流参数(1)跨导gm:在uDS、uBS为常数时,漏极电流的微变量与栅源电压的微变量之比,即,常数,(166),(2)背栅跨导gmb:当uDS、uBS为常数时,iD的微变量与uBS电压的微变量之比,即,常数,(167),gmb和gm之比称为跨导比,用表示,即,(168),图158与衬底浓度NA和衬底负偏压uBS的关系(a)与NA关系;(b)与uBS关系,(3)输出电阻rds:在恒流区，当uGS、uBS为常数时,uDS的增量与iD的增量之比,即(4)极间电容:场效应管3个电极之间存在极间电容CGS、CGD和CDS,一般为皮法量级。,常数,(169),3)极限参数(1)栅源击穿电压BVGS(2)漏源极击穿电压BVDS(3)最大功耗PDM,(170),图159 温度对转移特性的影响(a)耗尽型;(b)增强型,2.场效应管与晶体三极管的比较(1)场效应管是利用多数载流子导电的器件,称为单极型晶体管,温度性能较好,并具有零温度系数工作点。(2)场效应管是电压控制器件,输入电阻很高.(3)MOSFET的噪声比BJT低,JFET的噪声比MOSFET的噪声还要低。(4)正常工作时,耗尽型MOSFET的栅压可正可负,灵活性较大,而增强型MOSFET、JFET的栅极电压和BJT的基极偏压只能是一种极性。(5)正常工作时,BJT的发射极和集电极不能互换。,(6)MOSFET工艺最简单(与BJT、JFET相比),功率又小,封装密度极高,适合于制造大规模、超大规模集成电路。(7)BJT具有跨导大、电压增益高、非线性失真小、性能稳定等优点,所以在分立元件电路和中、小规模模拟集成电路中,BJT电路占优势。(8)FET在小电流、小电压工作时,漏源极间可以等效为一受栅压控制的可变电阻器,因此被广泛应用于自动增益控制、电压控制衰减器等中。,