《半導體器件的特性》PPT課件.ppt

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電子學基礎(chǔ),制作：王林煒,第一章半導體器件的特性,1.1半導體的導電特性1.2PN結(jié)1.3二極管1.4雙極型晶體管1.5場效應管,,第一章半導體器件的特性,1.1半導體的導電特性,一、本征半導體的導電特性二、雜質(zhì)半導體的導電特性,第一章半導體器件的特性1.1半導體的導電特性,,一、本征半導體的導電特性,第一章半導體器件的特性1.1半導體的導電特性,一、本征半導體的導電特性,導體,絕緣體,半導體,ρ＜10－4Ωcm,ρ＞109Ωcm,半導體的導電性能由其原子結(jié)構(gòu)決定,,以硅、鍺為例：硅的原子序數(shù)是14，鍺的原子序數(shù)是32，它們有一個共同點，即都是4價元素，且都具有晶格結(jié)構(gòu)。,本征半導體,純凈的、不含其他雜質(zhì)的半導體,T=0K(－273℃)，電阻率約1014Ωcm,一、本征半導體的導電特性,第一章半導體器件的特性1.1半導體的導電特性,一、本征半導體的導電特性,,當溫度升高，如室溫條件,自由電子,空穴,空穴是半導體區(qū)別于導體的重要特征,空穴運動,共有電子的填補運動相當于正電荷的運動,將物質(zhì)內(nèi)部運載電荷的粒子稱為載流子，物質(zhì)的導電能力取決于載流子的數(shù)目和運動速度。,第一章半導體器件的特性1.1半導體的導電特性,一、本征半導體的導電特性,半導體中存在兩種載流子,本征半導體中自由電子和空穴成對出現(xiàn)，稱為電子—空穴對，故兩種載流子的濃度是相同的。,一、本征半導體的導電特性,由于物質(zhì)的熱運動，半導體中的電子—空穴對不斷地產(chǎn)生，同時，當電子與空穴相遇時又因復合而使電子—空穴對消失。在一定溫度下，產(chǎn)生和復合兩種運動達到了動態(tài)平衡，使電子—空穴對的濃度一定。本征半導體中載流子的濃度，除與半導體材料本身的性質(zhì)有關(guān)外，還與溫度密切相關(guān)，隨溫度的升高，基本上按指數(shù)規(guī)律增加。故本征載流子對溫度十分敏感。硅材料每升高8℃、鍺材料每升高12℃，本征載流子濃度增加一倍；可見溫度是影響半導體導電性能的一個重要因素。,第一章半導體器件的特性1.1半導體的導電特性,一、本征半導體的導電特性,一、本征半導體的導電特性,二、雜質(zhì)半導體的導電特性,本征半導體中雖存在兩種載流子，但因本征載流子濃度很低，所以導電能力很差。若在本征半導體中摻入某種特定的雜質(zhì)，成為雜質(zhì)半導體，則它們的導電性能將發(fā)生顯著變化。,第一章半導體器件的特性1.1半導體的導電特性,二、雜質(zhì)半導體的導電特性,根據(jù)摻雜的不同，雜質(zhì)半導體可分為N型和P型兩種。,1、N型半導體,如果在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價元素，如磷、砷、銻等，則原來晶格中的某些硅原子將被5價雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子最外層有5個價電子，因此它與周圍4個硅原子組成共價鍵時多余一個電子。這個電子不受共價鍵束縛，只受自身原子核的吸引，這種束縛較弱，在室溫條件下即可成為自由電子。,第一章半導體器件的特性1.1半導體的導電特性,二、雜質(zhì)半導體的導電特性,在這種雜質(zhì)半導體中，自由電子的濃度將大大高于空穴的濃度，即n>>p。因此這類半導體主要依靠電子導電，故稱為電子型半導體或N型半導體(由于電子帶負電，故用Negative表示)，其中的5價雜質(zhì)原子可以提供電子，所以稱為施主原子。N型半導體中的自由電子稱為多數(shù)載流子(簡稱多子)，而其中的空穴稱為少數(shù)載流子(簡稱少子)。,第一章半導體器件的特性1.1半導體的導電特性,二、雜質(zhì)半導體的導電特性,2、P型半導體,如果在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素,如硼、鎵、銦等，此時雜質(zhì)原子最外層有3個價電子，因此它與周圍4個硅原子組成共價鍵時，由于缺少一個電子而形成空穴，如圖所示。,第一章半導體器件的特性1.1半導體的導電特性,二、雜質(zhì)半導體的導電特性,因此，在這種雜質(zhì)半導體中，空穴的濃度將比自由電子的濃度高的多，即p>>n。因此這類半導體主要依靠空穴導電，故稱為空穴型半導體或P型半導體(由于電子帶正電，故用Positive表示)，這種3價雜質(zhì)原子能夠產(chǎn)生多余的空穴，起著接受電子的作用，故稱為受主原子。在P型半導體中多子是空穴，少子是電子。,第一章半導體器件的特性1.1半導體的導電特性,二、雜質(zhì)半導體的導電特性,*在雜質(zhì)半導體中，多子的濃度主要取決于摻入的雜質(zhì)濃度，且基本上等于雜質(zhì)的濃度；少子的濃度雖然很低，但受溫度影響顯著；多子的濃度基本不受溫度影響。,第一章半導體器件的特性1.1半導體的導電特性,二、雜質(zhì)半導體的導電特性,1.2PN結(jié),一、PN結(jié)的形成二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?第一章半導體器件的特性1.2PN結(jié),,一、PN結(jié)的形成,第一章半導體器件的特性1.2PN結(jié),一、PN結(jié)的形成,如果將一塊半導體的一側(cè)摻雜成P型半導體，而另一側(cè)摻雜成N型半導體。,在交界處將形成一個由不能移動的正、負離子組成的空間電荷區(qū)，也就是PN結(jié)。,,,耗盡層,阻擋層,內(nèi)電場對應的電位差VD稱電位壁壘,硅材料約0.6~0.8V鍺材料約0.2~0.3V,多子擴散,少子漂移,如果PN結(jié)兩端加上不同極性的直流電壓，就可以打破上述的動態(tài)平衡。,二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?第一章半導體器件的特性1.2PN結(jié),二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?,外電源的正極接P區(qū)，負極接N區(qū)時，稱為正向偏置，即PN結(jié)加正向電壓。,,加正向電壓，PN結(jié)導通,如果PN結(jié)兩端加上不同極性的直流電壓，就可以打破上述的動態(tài)平衡。,二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?第一章半導體器件的特性1.2PN結(jié),二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?,外電源的正極接N區(qū)，負極接P區(qū)時，稱為反向偏置，即PN結(jié)加反向電壓。,加反向電壓，PN結(jié)截止,,1.3二極管,一、二極管的結(jié)構(gòu)二、二極管的伏安特性三、穩(wěn)壓二極管四、二極管電路,第一章半導體器件的特性1.3二極管,,一、二極管的結(jié)構(gòu)及分類,第一章半導體器件的特性1.3二極管,一、二極管的結(jié)構(gòu),,在PN結(jié)兩端引出相應的電極并加上外殼，就制成一個半導體二極管，如圖所示。,按結(jié)構(gòu)分,點接觸型,面接觸型,按材料分,平面型,硅管,鍺管,按用途分,整流二極管,檢波二極管,發(fā)光二極管,穩(wěn)壓二極管,…………,由P區(qū)引出的電極叫正(或陽)極(A)，由N區(qū)引出的電極叫負(或陰)極(K)，符號中的箭頭方向表示正向?qū)?即電流)方向。,二、二極管的伏安特性,第一章半導體器件的特性1.3二極管,二、二極管的伏安特性,1、PN結(jié)的伏安特性,第一章半導體器件的特性1.3二極管,二、二極管的伏安特性,正向特性,反向特性,,正向特性,反向特性,二、二極管的伏安特性,1、PN結(jié)的伏安特性,2、二極管的伏安特性,第一章半導體器件的特性1.3二極管,二、二極管的伏安特性,二極管的伏安特性曲線可以用逐點測量的方法測繪,,二極管的伏安特性與PN結(jié)的伏安特性略有差別，原因在于：,二極管正向偏置時,PN結(jié)以外P區(qū)和N區(qū)的體電阻、電極的接觸電阻及引線電阻的存在，使正向電流有所減?。?在反向偏置時,由于PN結(jié)表面漏電流的存在，使反向電流稍有增大，且隨反向電壓的增高略有增加。,當反向電壓繼續(xù)升高超過V(BR)以后,反向電流將急劇增大，此現(xiàn)象稱為二極管的擊穿，V(BR)稱為反向擊穿電壓。,門限電壓開啟電壓,開啟電壓：硅管0.5V左右鍺管0.1V左右,二極管正常導通工作時的管壓降：硅管0.7V，鍺管0.3V。,3、二極管的主要參數(shù),,第一章半導體器件的特性1.3二極管,三、二極管的主要參數(shù),⑴、最大正向電流IFM：指二極管長期工作時允許通過的最大正向平均電流。IFM的數(shù)值由二極管溫升(PN結(jié)的面積、材料和散熱條件)所限定。管子使用時不應超過此值，否則可能使二極管過熱而損壞。,⑵、反向峰值電壓VRM：指二極管在正常使用時,不允許超過的反向電壓的極限值。為確保管子工作安全，通常反向峰值電壓VRM為擊穿電壓V(BR)的一半，即,⑷、最高工作頻率fM：二極管具有單向?qū)щ娦缘淖罡吖ぷ黝l率,其值主要由管子的勢壘電容和擴散電容的大小決定。,第一章半導體器件的特性1.3二極管,三、二極管的主要參數(shù),二極管的參數(shù)反映二極管性能好壞，是選擇使用二極管的依據(jù)。二極管的類型和參數(shù)可從半導體器件手冊中查出。,⑶、反向直流電流IR(sat)：指二極管未被擊穿時的反向直流電流，IR(sat)越小，管子的單向?qū)щ娦栽胶谩?3、二極管的主要參數(shù),三、穩(wěn)壓二極管,穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管，實質(zhì)是一個面接觸型硅二極管，具有陡峭的反向擊穿特性，通常工作在反向擊穿狀態(tài)。,第一章半導體器件的特性1.3二極管,三、穩(wěn)壓二極管.,1、穩(wěn)壓管的伏安特性,,當穩(wěn)壓管處于擊穿狀態(tài)時，反向電流的變化量ΔIz較大時,引起管子兩端的電壓變化量ΔVz卻很小,說明其具有“穩(wěn)壓”特性。,穩(wěn)壓管除在制造工藝上保證其能在反向擊穿狀態(tài)下長期工作，外部電路還應有限流措施，否則，流過穩(wěn)壓管的電流超過其最大允許電流，穩(wěn)壓管就會因熱擊穿而損壞。,第一章半導體器件的特性1.3二極管,三、穩(wěn)壓二極管.,,由圖可以看出擊穿特性越陡，穩(wěn)壓性能越好。引入描述穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能的參量：動態(tài)內(nèi)阻rz,1、穩(wěn)壓管的伏安特性,2、主要參數(shù),(1)穩(wěn)定電壓Vz：穩(wěn)壓管正常工作時的穩(wěn)定壓值。(2)穩(wěn)定電流Iz：使穩(wěn)壓管正常工作時的參考電流。(3)動態(tài)電阻rz：穩(wěn)壓管正常工作時的電壓變化量與電流變化量之比，即它是衡量穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能好壞的指標，rz越小穩(wěn)壓性能越好。(4)最大穩(wěn)定電流Izmax和最小穩(wěn)定電流Izmin即穩(wěn)壓管的最大和最小工作電流。,第一章半導體器件的特性1.3二極管,三、穩(wěn)壓二極管.,四、二極管電路,第一章半導體器件的特性1.3二極管,四、二極管電路,1、限幅電路,理想二極管,二極管限幅電路,,,理想開關(guān),,第一章半導體器件的特性1.3二極管,四、二極管電路,2、穩(wěn)壓電路,,穩(wěn)壓原理,負載RL不變，VI變化,,,,,,,VI不變，負載RL變化,,,,,,,,1.4雙極型晶極管,一、晶體管的結(jié)構(gòu)二、晶體管的放大作用三、晶體管的共射組態(tài)特性曲線四、晶體管的主要參數(shù),第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,,一、晶體管的結(jié)構(gòu),雙極型晶體管簡稱三極管或晶體管。從結(jié)構(gòu)上看,晶體管相當于兩個二極管背靠背地串聯(lián)在一起，如圖所示。,根據(jù)PN結(jié)的結(jié)合方式不同，可分為PNP和NPN兩種類型；根據(jù)材料的不同，又有硅管和鍺管之分。,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,一、晶體管的結(jié)構(gòu),第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,一、晶體管的結(jié)構(gòu),無論是PNP型還是NPN型三極管，均可分為三個區(qū)，即發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。從這三個區(qū)分別引出三個電極，即發(fā)射極(emitter)e、基極(base)b、集電極(collector)c。發(fā)射區(qū)和集電區(qū)都是同類型的半導體(N型或P型)。發(fā)射區(qū)的摻雜濃度要比集電區(qū)大，以便發(fā)射更多的載流子；集電區(qū)的面積比發(fā)射區(qū)大，以便收集載流子?；鶇^(qū)做的很薄(約幾微米~幾十微米)，且摻雜濃度低，這樣形成兩個靠的很近的PN結(jié)?；鶇^(qū)和發(fā)射區(qū)之間的PN結(jié)叫做發(fā)射結(jié)，基區(qū)和集電區(qū)之間的PN結(jié)叫做集電結(jié)。這種結(jié)構(gòu)使基極起著控制多子流動的作用。,符號中的箭頭方向表示發(fā)射結(jié)正向偏置時發(fā)射極電流的方向。,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,一、晶體管的結(jié)構(gòu),PNP型和NPN型三極管的工作原理是相同的，現(xiàn)以NPN型三極管為例說明三極管的工作原理。晶體管具有放大作用和開關(guān)作用，模擬電路部分只討論放大作用。,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,一、晶體管的結(jié)構(gòu),二、晶體管的放大作用,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,二、晶體管的放大作用,,放大電路,輸入端,輸出端,公共端,利用晶體管的放大作用組成放大電路時，晶體管的三個電極中一個極作為輸入端，一個極作為輸出端，還有一個極作為輸入和輸出的公共端。根據(jù)接公共端電極的不同，晶體管有三種不同的連接方式：共基極，共發(fā)射極和共集電極接法。,無論那種接法，要使三極管具有放大作用，必須在各電極間加上極性適當?shù)碾妷?，使發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置。這是三極管實現(xiàn)放大作用的外部條件。,NPN管,PNP管,1、晶體管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,二、晶體管的放大作用,(1)發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子,當發(fā)射結(jié)正向偏置時，發(fā)射區(qū)有大量的電子向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE(注：電流方向與電子擴散方向相反)。同時，基區(qū)空穴也會擴散到發(fā)射區(qū)形成空穴電流，它也是IE的組成部分，只不過基區(qū)的空穴濃度太低，故空穴電流與電子電流相比，可忽略。,(2)電子在基區(qū)中擴散與復合,(3)集電區(qū)收集電子,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,二、晶體管的放大作用,集電結(jié)反向偏置，使集電結(jié)內(nèi)電場很強，因而它阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴散，但有利于從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的大量電子穿過集電結(jié)，從而被集電極收集形成集電極電流IC。實際上IC還應包括集電結(jié)兩邊的少子漂移所形成的反向飽和電流ICBO，但常因其數(shù)值很小，可忽略，但其受溫度影響顯著。,在基區(qū)中，同時存在著擴散和復合兩種過程，但擴散占優(yōu)勢，復合形成基極電流IB是很小的。,2、晶體管直流電流傳輸方程,(1)共基極直流電流傳輸方程,由發(fā)射區(qū)傳輸?shù)郊妳^(qū)的電流ICN與IE之間保持一定的比例，比例系數(shù)稱為共基極電流放大系數(shù)hFB。,——共基極直流電流傳輸方程,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,二、晶體管的放大作用,則,即：,由圖可得晶體管三個電極的電流關(guān)系,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,二、晶體管的放大作用,(2)共發(fā)射極直流電流傳輸方程,雖然共發(fā)射極放大電路和共基極放大電路的放大性能各不相同，但管內(nèi)載流子的運動規(guī)律相同，因此，可從前面討論得到的晶體管三個電極的電流基本關(guān)系,導出共射電路的直流電流傳輸方程。,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,二、晶體管的放大作用,表示基極開路(IB=0)時，集電極到發(fā)射極的直通電流，稱為穿透電流。,如果取電流變化量，則有ΔIC=hfeΔIB，其中hfe叫交流電流放大系數(shù)。這表明基極電流一個小的變化ΔIB，可以引起集電極電流一個大的變化ΔIC。這就是晶體三極管的電流放大作用。需要說明的是，hFE與hfe的含義是不同的，但對大多數(shù)三極管，hFE與hfe的數(shù)值相差不大，故在計算時，不嚴格區(qū)分。,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,二、晶體管的放大作用,IC>>ICEO,(3)共集電極直流電流傳輸方程,共集電極電路中，輸入電流為IB，輸出電流為IE。故共集電極直流電流傳輸方程為：,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,二、晶體管的放大作用,晶體管三個電極的直流電流關(guān)系,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,四、晶體管的主要參數(shù),晶體管外部各極電流和電壓的關(guān)系曲線，稱為晶體管的特性曲線，特性曲線全面反映了晶體管性能，是分析放大電路的重要依據(jù)。對于晶體管不同的連接方式，有不同的特性曲線，下面討論的是最常用的共發(fā)射極接法的輸入特性和輸出特性。,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,三、晶體管的共射組態(tài)特性曲線,三、晶體管的共射組態(tài)特性曲線,測量共射極特性曲線的電路,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,三、晶體管的共射組態(tài)特性曲線,,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,三、晶體管的共射組態(tài)特性曲線,1、輸入特性曲線,指集射電壓VCE一定時,基極電流IB與基－射極電壓VBE之間的函數(shù)關(guān)系曲線。,,對硅管而言VCE≥1V時，反向偏置的集電結(jié)的內(nèi)電場已足夠強，且基區(qū)很薄，可以把發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子絕大部分拉入集電區(qū)，此時再增大VCE，只要VBE不變(從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子數(shù)就一定)，IB也就不在明顯減小，這就是VCE≥1V后的輸入特性曲線基本上是重合的原因。,與二極管(正向特性)一樣，晶體管的輸入特性曲線亦為一指數(shù)曲線，也有一開啟電壓，硅管約0.5V；鍺管0.2V)。正常工作時，VBE很小，硅管約0.7V(鍺管的約0.3V)左右。,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,三、晶體管的共射組態(tài)特性曲線,1、輸入特性曲線,,指基極電流IB為常數(shù)時，集電極電流IC與集射極電壓VCE之間的函數(shù)關(guān)系曲線，即,在IB取不同值時，可得出不同的曲線，所以晶體管的輸出特性是一個曲線簇，如圖所示。,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,三、晶體管的共射組態(tài)特性曲線,2、輸出特性曲線,,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,三、晶體管的共射組態(tài)特性曲線,2、輸出特性曲線,,當VCE從0V升高到1V左右，IC隨VCE升高而很快增加。這是因為VCE很小時，加在集電結(jié)的反向電壓很小，不能把發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子大部分拉過去；隨著VCE的增大，拉過去的電子急劇增多,IC迅速增大。,當VCE＞1V以后，曲線平坦，IC幾乎不受的VCE的影響。這是因為VCE增大到一定數(shù)值后，已有足夠能力將發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子幾乎全部拉過去，VCE再增大，IC幾乎不變。此時IC主要由IB決定，與VCE無關(guān)，這段特性稱為恒流特性。若VCE繼續(xù)增加大于某一值時，IC將急劇增大，產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。,從輸出特性曲線還可看出，IB=0(相當于基極開路)時，IC=ICEO≠0。,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,三、晶體管的共射組態(tài)特性曲線,2、輸出特性曲線,,放大區(qū),截止區(qū),飽和區(qū),通常把晶體管輸出特性曲線分為三個工作區(qū)。,截止區(qū)：即圖中為IB=0特性曲線下的陰影部分(IB≤0的的區(qū)域)。該區(qū)特點：e結(jié)和c結(jié)均處于反向偏置，晶體管失去了放大能力;處于截止狀態(tài),IC=ICEO≈0;c極和e極間等效阻抗很大，相當于斷開的開關(guān)。,放大區(qū)：放大區(qū)內(nèi)各條特性曲線比較平坦，近似為水平的直線，表示IB一定時，IC基本不隨VCE而變化。該區(qū)特點：e結(jié)正向偏置,c結(jié)反向偏置,IC隨IB變化。,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,三、晶體管的共射組態(tài)特性曲線,2、輸出特性曲線,,放大區(qū),截止區(qū),飽和區(qū),飽和區(qū)：圖中虛線左邊的陰影部分，由各條輸出特性曲線的上升部分構(gòu)成。此區(qū)域內(nèi)不同IB值的各條特性曲線基本重疊在一起，表明在VCE較小時,管子的集電極電流IC基本不隨基極電流IB而變化，稱為飽和。,一般認為當VCE=VBE，即VCB=0時，三極管達到臨界飽和狀態(tài)，當VCE＜VBE時稱為過飽和。三極管飽和時的管壓降記為VCES該區(qū)特點:e結(jié)和c結(jié)均處于正向偏置，晶體管失去放大能力；此時三極管的飽和管壓降VCES很小(一般小功率硅管的VCES＜0.4V)；c極和e極間相當于接通的開關(guān)。,四、晶體管的主要參數(shù),低頻時hfe值不變，記為hfeo，高頻時hfe隨f的升高而減小；圖中共射極截止頻率；fT：特征頻率。,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,四、晶體管的主要參數(shù),1、電流放大系數(shù),共射直流電流放大系數(shù),共射交流電流放大系數(shù),,ICBO為e極開路，集電結(jié)反向偏置時，基極回路中的集電極反向飽和電流。ICEO為集－射反向穿透電流。,第一章半導體器件的特性1.4雙極型晶極管,四、晶體管的主要參數(shù),2、極間反向電流ICBO和ICEO,ICEO=(1+hfe)ICBO,3、極限參數(shù),①集電極最大允許電流ICM②集電極最大功耗PCM=ICMVCE③集－基極反向擊穿電壓V(BR)CBO④集－射極反向擊穿電壓V(BR)CEO⑤射－基極反向擊穿電壓V(BR)EBO,1.5場效應管,一、絕緣柵型場效應管二、N溝道增強型MOS場效應管三、N溝道耗盡型MOS場效應管四、場效應管的主要參數(shù),第一章半導體器件的特性1.5場效應管,,一、絕緣柵型場效應管,前面介紹的晶體管又稱雙極型三極管，這是因為這類三極管參與導電的有兩種極性的載流子：多子和少子?，F(xiàn)在要討論另一種類型的三極管，它們依靠一種極性的載流子(多子)參與導電，所以稱為單極型三極管。又因這類管子是利用電場效應來控制電流的，因此又稱場效應管。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,一、絕緣柵型場效應管,場效應管其外觀與普通晶體管相似，但它們的控制特性卻截然不同，普通晶體管是電流控制元件，即通過基極電流來控制集電極電流，晶體管要求信號源必須提供一定的電流才能工作，因此它的輸入電阻較低，僅102~104Ω。場效應管是電壓控制元件，它的輸出電流取決于輸入電壓的大小，基本上不需要信號源提供電流，所以它的輸入電阻很高，高達109~1014Ω。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,一、絕緣柵型場效應管,一、絕緣柵型場效應管,場效應管按其結(jié)構(gòu)的不同分為兩大類：①結(jié)型場效應管，②絕緣柵型場效應管。本節(jié)只討論絕緣柵型場效應管的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性曲線。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,一、絕緣柵型場效應管,絕緣柵型場效應管由金屬(metal)、氧化物(oxide)和半導體(semiconductor)制成，所以又稱為金屬－氧化物－半導體場效應管，簡稱MOS場效應管。由于這類場效應管的柵極被絕緣層(如SiO2)隔離，因此其輸入電阻很高，達109Ω以上。以導電溝道來分，MOS管有N溝道和P溝道兩種類型。無論N溝道或P溝道，又都可以分為增強型和耗盡型兩種。這里首先介紹N溝道增強型MOS管的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性曲線。,二、N溝道增強型MOS場效應管,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,二、N溝道增強型MOS場效應管,1、結(jié)構(gòu),N溝道增強型MOS場效應管的結(jié)構(gòu)如圖所示用一塊摻雜濃度較低的P型半導體作為襯底，在其表面上覆蓋一層SiO2的絕緣層，再在SiO2絕緣層上刻出兩個窗口，通過擴散形成兩個高摻雜的N區(qū)(用N＋表示)，分別引出源極S和漏極D，然后在源極和漏極之間的SiO2上面引出柵極G，柵極與其他電極之間是絕緣的。襯底也引出一根線，用B表示，通常情況下將它與源極在管子內(nèi)部連接在一起。,,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,二、N溝道增強型MOS場效應管,二、N溝道增強型MOS場效應管,2、工作原理,,從圖可知，N＋型源區(qū)與N＋型漏區(qū)之間被P型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個背靠背的PN結(jié)，當柵源電壓VGS=0時，不管漏極和源極之間所加的電壓極性如何，總是不能導電。,,如果在柵極和源極之間加正向電壓VGS(>0)，此時柵極的金屬極板(鋁)與P型襯底之間構(gòu)成一個平行板電容，中間為SiO2絕緣層作為介質(zhì)。由于柵極的電壓為正，它所產(chǎn)生的電場對P型襯底中的多子(空穴)起排斥作用，對少子(電子)有吸引作用。即P型襯底中的少子(電子)在電場作用下吸引到靠近SiO2的一側(cè)，與空穴復合，形成由負離子組成的耗盡層。耗盡層的寬度隨VGS的增大而變寬。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,二、N溝道增強型MOS場效應管,當VGS增大到一定值時，由于吸引了足夠多的電子，便在SiO2絕緣層與耗盡層之間形成了由電子作為多數(shù)載流子的表面電荷層，如圖所示。因為是在P型半導體中感應產(chǎn)生出N型電荷層，所以稱之為反型層。于是，在漏極和源極之間有了N型的導電溝道(與P型襯底間被耗盡層隔開)。開始形成反型層所需的VGS稱為開啟電壓，用VGS(th)表示。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,二、N溝道增強型MOS場效應管,由于在漏極和源極之間形成了N型的導電溝道。此時加上VDS，就會產(chǎn)生漏極電流ID。當VGS>VGS(th)后，隨著VGS的升高，感應電荷增多，導電溝道變寬，溝道電阻減小，在VDS不變的條件下，ID隨之增加。這表明VGS對漏極電流ID有控制作用。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,二、N溝道增強型MOS場效應管,假設VGS為一個大于VGS(th)的固定值，并在漏極和源極之間加上正電壓VDS，且VDSVGS(th)。此時由于漏源之間存在導電溝道，所以將有一個電流ID。但因ID流過導電溝道時產(chǎn)生電壓降落，使溝道上各點電位不同。溝道上靠近漏極處電位最高，故該處柵漏之間的電位差VGD=VGS－VDS最小，因而感應電荷產(chǎn)生的導電溝道最窄；而溝道上靠近源極處電位最低，柵源之間的電位差VGS最大，所以導電溝道最寬，結(jié)果，導電溝道呈現(xiàn)一個楔形，如圖所示。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,二、N溝道增強型MOS場效應管,當VDS增大時，ID將隨之增大。與此同時，導電溝道寬度的不均勻性也愈益加劇。當VDS增大到VDS=VGS－VGS(th)，即VGD=VGS－VDS=VGS(th)時，靠近漏極處的溝道達到臨界開啟的程度，出現(xiàn)了預夾斷的情況，如圖所示。如果繼續(xù)增大VDS，則溝道的夾斷區(qū)逐漸延長，見圖，在此過程中，由于夾斷區(qū)的溝道電阻較大，所以當VDS逐漸增大時，增加的VDS幾乎都降落在夾斷區(qū)上，而導電溝道兩端的電壓幾乎沒有增大，即基本保持不變，漏極電流ID因此也基本不變。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,二、N溝道增強型MOS場效應管,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,二、N溝道增強型MOS場效應管,二、N溝道增強型MOS場效應管,3、特性曲線,通常用以下兩種特性曲線來描述場效應管的電流和電壓之間的關(guān)系：轉(zhuǎn)移特性和漏極特性。測試場效應管特性曲線的電路如圖所示。,,當場效應管的漏源之間的電壓VDS保持不變時，漏極電流ID與柵源電壓VGS的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)移特性。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,二、N溝道增強型MOS場效應管,N溝道增強型MOS管轉(zhuǎn)移特性,①轉(zhuǎn)移特性,轉(zhuǎn)移特性描述柵源電壓VGS對漏極電流ID的控制作用,②漏極特性,N溝道增強型MOS場效應管的漏極特性曲線與晶體管的共射極輸出特性曲線很相似。但二者之間有一個重要區(qū)別，即場效應管的漏極特性以柵源電壓VGS為參變量，而晶體管輸出曲線的參變量是基極電流IB。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,二、N溝道增強型MOS場效應管,漏極特性表示當柵源電壓VGS不變時,漏極電流ID與漏源電壓VDS的關(guān)系，即,N溝道增強型MOS管漏極特性曲線,N溝道增強型MOS場效應管的漏極特性曲線可以劃分為三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,二、N溝道增強型MOS場效應管,N溝道增強型MOS管漏極特性曲線,漏極特性中最左側(cè)的部分，表示當VDS比較小時，ID隨著VDS的增加而直線上升兩者之間基本上是線性關(guān)系，此時場效應管似乎是一個線性電阻。不過，當VGS不同時直線的斜率不同，相當于電阻的阻值不同；VGS越大，則相應的電阻值越小。因該區(qū)場效應管的特性呈現(xiàn)為一個由VGS控制的可變電阻，所以稱為可變電阻區(qū)。,②漏極特性,N溝道增強型MOS場效應管的漏極特性曲線可以劃分為三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,二、N溝道增強型MOS場效應管,N溝道增強型MOS管漏極特性曲線,②漏極特性,在漏極特性的中間部分，即圖中左右兩條虛線之間的區(qū)域，ID基本上不隨VDS而變化，ID的值主要決定于VGS。此區(qū)域各條漏極特性曲線近似為水平的直線，故稱為恒流區(qū)。,漏極特性中最右側(cè)的部分，表示當VDS升高到一定程度時，反向偏置的PN結(jié)被擊穿，將急劇增大，這個區(qū)域稱為擊穿區(qū)。,場效應管的上述兩組特性曲線之間是有聯(lián)系的，可以根據(jù)漏極特性，利用作圖的方法得到相應的轉(zhuǎn)移特性。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,二、N溝道增強型MOS場效應管,P溝道增強型MOS場效應管的結(jié)構(gòu)與N溝道增強型MOS場效應管類似，如圖所示。工作原理相似，只是調(diào)換電源極性，電流方向也相反。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,二、N溝道增強型MOS場效應管,,,三、N溝道耗盡型MOS場效應管,根據(jù)前面的介紹可知，對于N溝道增強型MOS場效應管，只有當VGS>VGS(th)時，漏極和源極之間才存在導電溝道。而耗盡型MOS場效應管則不同，在制造過程中由于預先在SiO2的絕緣層中摻入了大量的正離子，因此，即使VGS=0，這些正離子產(chǎn)生的電場也能在P型襯底中“感應”出足夠的負電荷，形成反型層，從而產(chǎn)生N型導電溝道。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,三、N溝道耗盡型MOS場效應管,如果使VGS0時，ID增大；當VGS<0時，ID減小。,P溝道耗盡型MOS場效應管的工作原理與N溝道型類似，不再介紹。同學們可自己類推。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,三、N溝道耗盡型MOS場效應管,四、場效應管的主要參數(shù),第一章半導體器件的特性1.5場效應管,四、場效應管的主要參數(shù),①開啟電壓VGS(th)VGS(th)是增強型MOS管的一個重要參數(shù)。其定義是當VDS一定時，使漏極電流達到某一數(shù)值(如10μA)時所需的VGS值。②夾斷電壓VGS(off)VGS(off)是耗盡型MOS管的一個重要參數(shù)。其定義是當VDS一定時，使漏極電流減小某一微小電流(如50μA)時所需的VGS值。,1、直流參數(shù),③飽和漏極電流ID(sat)這是耗盡型場效應管的一個重要參數(shù)。它的定義是當柵源電壓VGS=0，而漏源電壓VDS大于夾斷電壓VGS(off)時對應的漏極電流。④直流輸入電阻RGS（IG≈0）指在漏-源短路的情況下，柵源直流電壓VGS與產(chǎn)生的柵極直流電流之比。由于場效應管的柵極幾乎不取電流，因此其輸入電阻很高，MOS管的輸入電阻一般大于109Ω。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,四、場效應管的主要參數(shù),①(低頻)跨導gm用于描述柵源電壓vGS對漏極電流iD的控制作用。它的定義是當vDS一定時，iD與vGS的變化量之比，即：若iD的單位是mA，vGS的單位V，則gm的單位是mS。②極間電容這是場效應管三個電極之間的等效電容，包括CGS、CGD和CDS。極間電容越小，則管子的高頻性能越好。一般為幾個皮法(pF)。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,四、場效應管的主要參數(shù),2、交流參數(shù),①漏源擊穿電壓V(BR)DS當VGS一定時，使漏極電流突然激增(雪崩擊穿)時的VDS值。②柵源擊穿電壓V(BR)GS就是使二氧化硅絕緣層擊穿的柵源電壓。這種擊穿不同于一般的PN結(jié)擊穿，而與電容器擊穿類似，屬于破壞性擊穿。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,四、場效應管的主要參數(shù),3、極限參數(shù),*最后指出，對于MOS管，由于它的輸入電阻很高，使得柵極上感應的電荷很難泄掉。柵極和襯底間的電容量很小，電荷累積造成電壓升高，使柵極氧化層易被擊穿(柵穿)，導致管子損壞。為了避免這種損壞，在保存時，必須將三個電極短接；在焊接時，應使電烙鐵有良好的接地；在電路中，柵源間應有直流通路。,第一章半導體器件的特性1.5場效應管,四、場效應管的主要參數(shù),四版P50~521.2(1)(2)1.51.61.91.12(1)(2),思考題：,四版P50~531.11.31.41.111.12(3)1.16,習題：,第一章半導體器件的特性,,五版P37~391.2(1)(2)1.51.61.91.12(1)(2),五版P37~391.11.31.41.111.12(3)1.16,