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1、电子线路基础 第1章 半导体器件第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 场效应晶体管电子线路基础 第1章 半导体器件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 电子线路基础 第1章 半导体器件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 电子线路基础 第1章 半导体器件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
2、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。 电子线路基础 第1章 半导体器件图11 原子结构示意图(a)硅;(b)锗 电子线路基础 第1章 半导体器件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。 电子线路基础 第1章 半导体器件图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 电子线路基础 第1章 半导体器件1.1.2 杂质半导体 1. N型半导体 2. P型半导体 图
3、13 N型半导体的共价键结构 电子线路基础 第1章 半导体器件图14 P型半导体的共价键结构 电子线路基础 第1章 半导体器件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 电子线路基础 第1章 半导体器件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 电子线路基础 第1章 半导体器件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 电子线路基础 第1章 半导体器件2. PN结的特性 PN结在不同的运用状
4、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)。 电子线路基础 第1章 半导体器件图16 PN正向运用 电子线路基础 第1章 半导体器件图17 PN反向运用 电子线路基础 第1章 半导体器件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) 电子线路基础 第1章 半导体器件(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
5、电容,用CD表示。 (12) 电子线路基础 第1章 半导体器件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。电子线路基础 第1章 半导体器件图18 二极管结构与符号 电子线路基础 第1章 半导体器件(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。电子线路基础 第1章 半导体器件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 电子线路基础
6、第1章 半导体器件图19 二极管伏安特性 电子线路基础 第1章 半导体器件图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 电子线路基础 第1章 半导体器件温度升高,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) 电子线路基础 第1章 半导体器件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|UP|电子线路基础 第1章 半导体器
7、件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) 电子线路基础 第1章 半导体器件图150 N沟道结型场效应管的转移特性曲线 电子线路基础 第1章 半导体器件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 电子线路基础 第1章 半导体器件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
8、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。电子线路基础 第1章 半导体器件图152 N沟道的形成 电子线路基础 第1章 半导体器件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) 电子线路基础 第1章 半导体器件图153 增强型NMOS管转移特性曲线 电子线路基础 第1章 半导体器件图154 增强型NMOS管输出特性曲线 电子线路基础 第1章 半导体器件图155 uDS增
9、大时增强型MOS管沟道的变化过程(a)uDSuGS-UT电子线路基础 第1章 半导体器件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 电子线路基础 第1章 半导体器件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。 电子线路基础 第1章 半导体器件图157 耗尽型NMOS管特性曲线(a)转移特性曲线; (b)输出特性曲线 电子线路基础 第1章 半导体器件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
10、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。 电子线路基础 第1章 半导体器件表12 各种类型的FET的特性 电子线路基础 第1章 半导体器件表12 各种类型的FET的特性 电子线路基础 第1章 半导体器件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。电子线路基础 第1章 半导体器件(3)饱和漏
11、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。 电子线路基础 第1章 半导体器件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) 电子线路基础 第1章 半导体器件图158与衬底浓度NA和衬底负偏压uBS的关
12、系(a)与NA关系;(b)与uBS关系 电子线路基础 第1章 半导体器件(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) 电子线路基础 第1章 半导体器件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) 电子线路基础 第1章 半导体器件图159 温度对转移特性的影响(a)耗尽型; (b)增强型 电子线路基础 第1章 半导体器件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
13、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。 电子线路基础 第1章 半导体器件(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。
