第1章常用半导体器件.ppt

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1、模拟电子技术基础,第三版 童诗白 华成英 主编 课件制作 李雪梅 刁修睦,第一章 常用半导体器件,1.1 半导体的基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型晶体管 1.4 场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6 集成电路中的元件,1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体 1.1.3 PN结,1.1 半导体基础知识,第一章,1.1.1 本征半导体,第一章,一、半导体 物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。 半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 二、本征半导体的晶体结构 晶体中的原子在空间 形成排列整齐的点阵， 称为晶 格。,第一章

2、,三、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为 载流子。 本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电，这是半导体的特殊性质。 本征半导体中自由电子和空穴数目相等，,第一章,四、本征半导体中的载流子的浓度,半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。 自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。 在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，在一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。,第一章,五、 半导体的特性,掺入杂质则导电率增加几百倍,（1）掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增加,

3、（2）温度特性,热敏器件,光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势,（3）光照特性,1.1.2 杂质半导体,第一章,通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，便可得到杂质半导体。,杂质半导体,P型半导体,N型半导体,一、N型半导体,在纯净的硅晶体中惨入五价元素，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。 自由电子的浓度大于空穴的浓度，故称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。 由于杂质原子可以提供电子，故称之为施主原子。,第一章,二、P型半导体,在纯净的硅晶体中惨入三价元素，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。 自由电子的浓度小于空穴的浓度，故称自由电子为少数载流

4、子，空穴为多数载流子。 由于杂质原子可以俘获电子，故称之为受主原子。,1.1.3 PN结,第一章,一、PN结的形成,采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在他们的交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性。,一、PN结的形成,第一章,P区,N区,扩散运动,载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流,内电场,内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动,扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡,3, 内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V, 接触电位V决定于材料及掺杂浓度 硅： V=0.7 锗：

5、 V=0.2,一、PN结的形成,第一章,二、PN结的单向导电性,第一章,1. PN结外加正向电压时处于导通状态,外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。 于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。 扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响 PN结呈现低阻性。,P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,内,外,二、PN结的单向导电性,第一章,2. PN结外加反向电压时处于截止状态,外电场方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。阻止扩散运动的进行，加剧漂移运动的进行，因少子数目极少，反向漂移电流很小。 PN处于截止状态，呈现高阻性,P区的电位低于N区的电位，称为加

6、反向电压，简称反偏；,内,外,三、结的电流方程,第一章,式中 Is 饱和电流; UT = kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数； T=300k（室温）时 UT= 26mv,由半导体物理可推出：, 当加反向电压时：, 当加正向电压时：,(UUT),PN结两端的电压与 流过PN结电流的关系式,四、PN结的伏安特性,第一章,其中U大于0的部分称为正向特性，U小于0的部分称为反向特性。 当反向电压超过一定 数值后，反向电流急剧增加，称之为反向击穿。,五、PN结的电容效应,第一章,1.势垒电容 耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb,PN结加正向电压时，主要体现为多子的扩散运动，在扩散区内，电荷的积

7、累和释放过程与电容器充放电过程相同，这种电容效应称为扩散电容Cd,五、PN结的电容效应,第一章,2.扩散电容 耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb,结电容Cj是Cb与Cd之和,即 Cj=Cb+Cd,第一章,1.2.1 半导体二极管的几种常见结构 1.2.2 二极管的伏安特性 1.2.3 二极管的主要参数 1.2.4 二极管的等效电路 1.2.5 稳压二极管 1.2.6 其它类型二极管,1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的几种常见结构,第一章,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管,二极管按结构分,点接触型,面接触型,平面型,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路,往往用于

8、集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。,1.2.1 半导体二极管的几种常见结构,第一章,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路,第一章,1.2.2 二极管的伏安特性,与PN结一样，二极管具有单向导电性。但是，由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，所以当外加正向电压时，在电流相同的情况下，二极管的端电压大于PN结上的压降；或者说，在外加正向电压相同的情况下二极管的正向电流要小于PN结的电流。,一、二极管和PN结伏安特性的区别,第一章,1.2.2 二极管的伏安特性,（1）正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。 硅：Ur=0.5-0.6v; 锗：

9、Ur=0.1-0.2v （2）加反向电压时，反向电流很小 Is硅(nA)Is锗(A) 硅管比锗管稳定 （3）当反压增大UB时再增加，反向激增，发生反向击穿， UB称为反向击穿电压。,二极管的特性对温度很敏感，温度升高，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。其规律是：在室温附近，在同一电流下，温度每升高1，正向电压减小22.5mV；温度每升高10，反向电流增大约1倍。,二、温度对二极管伏安特性的影响,第一章,1.2.3 二极管的主要参数,（1）最大整流电流IF： IF是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，其值与PN结面积及外部散热条件等有关。 （2）最高反向工作电压UR： UR是二极管

10、工作时允许外加的最大反向电压，超过此值时，二极管有可能因反向击穿而损坏。 （3）反向电流IR： IR是二极管未击穿时的反向电流。 （4）最高工作频率fM： fM是二极管工作的上限频率。,第一章,1.2.4 二极管的等效电路,能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路。也称为等效模型。 一、由伏安特性折线化得到的等效电路,第一章,（a）理想模型 （b）恒压降模型 （c）折线模型,1.2.4 二极管的等效电路,第一章,二、二极管的微变等效电路,在二极管工作点附近，电压的微变值与相应的微变电流值之比，称为该点的交流电阻rd，即 从其几何意义上讲，当U0 时， rd就是工作点Q处的切线斜率倒数,第一

11、章,在交流信号ui幅值较小的情况下，uR的波形 是在一定的直流电压的基础上叠加上一个与ui一样的正弦波，该正弦波的幅度值决定于 rd与R的分压。,二、二极管的微变等效电路,1.2.5 稳压二极管,第一章,稳压二极管有着与普通二极管相似的伏安特性, 其正向特性为指数曲线. 稳压二极管反向击穿时，击穿区的曲线很陡,一、稳压二极管的伏安特性,1.2.5 稳压二极管,第一章,二、稳压二极管的主要参数,(1)稳定电压UZ:在规定电流下稳压管的反向击穿 电压. (2)稳定电流IZ：稳压管工作在稳压状态时的参考 电流。 (3)额定功耗PZM：稳压管的稳定电压UZ与最大稳 定电流IZM的乘积. (4)动态电阻

12、rz ：稳压管工作在稳压区时,端电压 变化量与其电流变化量之比。 (5)温度系数：温度每变化1 稳压值的变 化量.,第一章,1.2.6 其它类型二极管,第一章,一、发光二极管,发光二极管包括可见光,不可见光,激光等不同的类型,这里只对可见光发光二极管做一简单介绍 发光二极管的发光颜色决定于所用材料,目前有红,绿,黄,橙等色,可以制成各种形状,如长方型,圆形,第一章,二、光电二极管,1.2.6 其它类型二极管,光电二极管是远红外线接受管,是一种光能与电能进行转换的器件.它的几种常见外形如图如下,第一章,光电二极管的伏安特性.在无光照时,与普通二极管一样,具有单向导电性.有光照时,特性曲线下移,它

13、们分布在第三,四象限内.,二、光电二极管,1.2.6 其它类型二极管,第一章, 变容二极管,利用结势垒电容CT随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管。,符号：,注意：使用时，应加反向电压,三、变容二极管,1.2.6 其它类型二极管,第一章,第一章,重点：晶体二极管的原理、伏安特性及电流方程。 难点：1.两种载流子 2.PN结的形成 3.单向导电性 4.载流子的运动,重点难点,第一章,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,附 录,半导体二极管图片,第一章,半导体二极管图片,第一章,半导体二极管图片,第一章,第一章,1.3 双极晶体管,第一章,1.3.1 晶体管的结构及类

14、型 1.3.2 晶体管的电流放大作用 1.3.3 晶体管的共射特性曲线 1.3.4 晶体管的主要参数 1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响 1.3.6 光电三极管,E-B间的PN结 称为发射结(Je),C-B间的PN结 称为集电结(Jc),从结构上看主要有两种类型：,发射区,集电区,基区,发射极E,基极B,集电极C,NPN型,PNP型,第一章,1.3.1 晶体管的结构及类型,1.3.2 晶体管的电流放大作用,放大的条件：,发射结正向偏置、集电结反向偏置,第一章,1.3.2 晶体管的电流放大作用,一、晶体管内部载流子的运动,第一章,、多子在发射区和 基区之间的扩散,、“少子” 在基区和集 电

15、区之间的漂移,1.3.2 晶体管的电流放大作用,二、晶体管的电流分配关系,第一章,1.3.2 晶体管的电流放大作用,三、晶体管的共射电流放大系数,第一章,其中，ICN为发射区的多数载流子经复合后剩余的 量，是集电极电流的主要部分。 为发射区的多数 载流子到达集电极的过程中被复合掉的量。,直流电流放大系数：,交流电流放大系数：,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,第一章,一、输入特性曲线,输入特性曲线描述了在管压降uCE一定的情况下,基极电流iB与发射结压降uBE之间的函数关系,即:,1. Uce=0V时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联的正向特性曲线。,2. 当U

16、ce 1V时， Ucb= Uce - Ube 0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB 增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但Uce再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。, 非线性区, 死区, 线性区,正常工作区，发射极正偏 NPN Si: Ube= 0.60.7V PNP Ge: Ube= -0.2-0.3V,一、 输入特性曲线,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,第一章,输入特性曲线描述了在基极电流IB一定的情况下,集电极极电流iC与管压降压降uCE之间的函数关系,即:,二、 输出特性曲线,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,第一章,第一章,饱和区: (1)

17、iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE 的数值较小，一般uCE 0.7V(硅管)。 (2) Uces=0.3V左右,截止区： Ib=0的曲线的下方的区域 Ib=0 Ic=Iceo NPN：Ube0.5V,管子就处于 截止态,二、 输出特性曲线,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,放大区 IC平行于Uce轴的区域，曲线基本 平行等距。 发射结正偏，集电结反偏， 电压Ube大于0.7V左右(硅管) 。 (2) Ic=Ib,即Ic主要受Ib的控制。 (3) ,第一章,1.3.4 晶体管的主要参数,一、直流参数,2、共基直流电流放大系数,1、共射直流电流放大系数,3、级间反向电流,（1）集电极基极间

18、反向饱和电流ICBO,（2）集电极发射极间的穿透电流ICEO ICEO和ICBO有如下关系 ICEO=（1+ ）ICBO,2、共基交流电流放大系数,1、共射交流电流放大系数,第一章,1.3.4 晶体管的主要参数,二、交流参数,3、特征频率fT,特征频率为使的数值下降到1的信号频率fT,第一章,1.3.4 晶体管的主要参数,三、极限参数,1.最大集电极耗散功PCM 决定于晶体管的温升. 2.最大集电极电流ICM 3.极间反向击穿电压 晶体管的某一电极开路时, 另外的两个电极所允许加 的最高反向电压即为极间 反向击穿电压.,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,第一章,一.温度对ICBO的影响

19、 温度每升高10 ,ICBO增加约一倍. 二.温度对输入特性的影响 温度升时,正向特性将左移,反之将右移,三.温度对输出特性的影响 温度升高时增大 集电极电流增大,1.3.6 光电三极管,第一章,光电三极管可等效为一只光电二极管与一只晶体管相连,并仅引出集电极与发射极, 其符号如图(b)所示,常见外形如图(c)所示.,1.3.6 光电三极管,光电三极管与普通三极管的输出特性曲线相类似,只是将参数变量基极电流IB用入射光照度E取代,如图所示. 使用光电三极管时,也应该特别注意其反向击穿电压,最高工作电压,最大集电极功耗等极限参数.,第一章,第一章,1.4.1 结型场效应管 1.4.2 绝缘栅型场

20、效应管 1.4.3 场效应管的主要参数 1.4.4 场效应管与晶体管的比较,1.4 场效应管,概 述,场效应管与晶体管的区别,1. 晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。 2. 晶体管参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件； 场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子， 因此称其为单极型器件。 3. 晶体管的输入电阻较低，一般102104； 场效应管的输入电阻高，可达1091014,场效应管的分类,结型场效应管JFET,MOS型场效应管MOS FET,1.4.1 结型场效应管,第一章, 结型场效应管（JFET)结构, 结型场效应管（JFET)分类,可分为N沟道和P沟道两种，输

21、入电阻约为107。,G,S,D,N沟道结型场效应管,导电沟道,1.4.1 结型场效应管,第一章,一、结型场效应管（JFET)的工作原理,根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。,预夹断,UGS=UP 夹断状态 ID=0,1.4.1 结型场效应管,第一章,当UGS=0时，沟道较宽，在UDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID。 当UGS0时，PN结反偏，PN结加宽，漏源间的沟道将变窄，ID将减小， 当UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，

22、ID继续减小直至为0。 当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UP。,一、结型场效应管（JFET)的工作原理,1.4.1 结型场效应管,第一章,二、 结型场效应管（JFET)的特性曲线,UP,转移特性曲线,输出特性曲线,第一章,第一章,UGS一定时， iD与uDS的变化曲线，是一族曲线,1、输出特性曲线,(1) 可变电阻区：,当UGS变化时，RON将随之变化，因此称之为可变电阻区 当UGS一定时，RON近似为一常数，因此又称之为恒阻区,二、 结型场效应管（JFET)的特性曲线,第一章,（2） 恒流区（放大区）： uDSuGS-UGS(off) ，该区内UGS一定，iD基本不随uDS

23、变化而变,（3）夹断区： uGS 0. 预夹断轨迹： uGD=UGS(off) , uDS 0, iD0 （4）击穿区： uDS 增加到某一值时，iD开始剧增而出现击穿。,当UGS=0时，沟道较宽，电子定向运动形成漏极电流ID。 当UGS0时，PN结反偏，沟道将变窄，ID将减小， 当UGS继续向负方向增加，ID继续减小直至为0。 当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压。,二、 结型场效应管（JFET)的特性曲线,第一章,2、转移特性曲线,二、 结型场效应管（JFET)的特性曲线,UDS一定时， iD与uGS的变化曲线,在恒流区 iD与uGS的关系近似为,在可变电阻区，对不同的UDS

24、，转移特性曲线将有很大 变化,结型场效应管,N 沟 道,P 沟 道,第一章,-,1.4.2 绝缘栅型场效应管,第一章,MOS场效应管,N沟道增强型的MOS管,P沟道增强型的MOS管,N沟道耗尽型的MOS管,P沟道耗尽型的MOS管,第一章,一、N沟道增强型MOS场效应管结构,漏极D集电极C,源极S发射极E,栅极G基极B,衬底B,电极金属 绝缘层氧化物 基体半导体 因此称之为MOS管,1.4.2 绝缘栅型场效应管,第一章,当UGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。,1、工作原理,增强型MOS管,-,-,-,-,当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之

25、间是否加上电压,不会在D、S间形成电流ID,即ID0.,当UGSUT时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加,当UGS=UT时, 在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成ID。,开始无导电沟道， 当在UGSUT时才形 成沟道,这种类型的管 子称为增强型MOS管,第一章,漏源电压uDS对漏极电流iD的控制作用,当uGSUT，且固定为某一值时，来分析漏源电压uDS对漏极电流 iD 的影响。 uDS 的不同变化对沟道的影响。,uDS=uDGuGS =uGDuGS uGD=uGSuDS,当uDS为0或较小时，相当于 uGDUT,此时uDS 基本均

26、匀降落在沟道 中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成ID,第一章,当uDS增加到使uGD=UT时，,当uDS增加到 uGDUT时，,漏源电压uDS对漏 极电流iD的控制作用,这相当于uDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流iD 基本饱和,此时预夹断区域加长，伸向S极。 uDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， iD基本趋于不变。,第一章,2、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,uDS一定时，uGS对漏极电流 iD 的控制关系曲线 iD=f(UGS)uDS=C,转移特性曲线,在恒流区，iD与uGS的关系为,iDK(uGS-UT)2,沟道较短时，应考虑uDS对

27、 沟道长度的调节作用：,iDK(uGS-UT)2（1+uDS),K导电因子（mA/V2),沟道调制长度系数,n沟道内电子的表面迁移率 COX单位面积栅氧化层电容 W沟道宽度 L沟道长度 Sn沟道长宽比 K本征导电因子,第一章,2、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,uGS一定时， uD与uDS的变化曲线，是一族曲线 iD=f(uDS)uGS=C,输出特性曲线,1.可变电阻区： iD与uDS的关系近线性 iD 2K(uGS-UT)uDS,当uGS变化时，RON将随之变化 因此称之为可变电阻区 当uGS一定时，RON近似为一常数 因此又称之为恒阻区,第一章,输出特性曲线,2. 恒流区： 该区内，u

28、GS一定，iD基本不随uDS变化而变化,3.击穿区： UDS 增加到某一值时，iD开始剧增而出现击穿。 当uDS 增加到某一临界值时，iD开始剧增时uDS称为漏源击穿电压。,2、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,二、N沟道耗尽型MOS场效应管结构,第一章,+ + + + + + +, ,耗尽型MOS管存在 原始导电沟道,第一章,各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N 沟 道 增 强 型,P 沟 道 增 强 型,-,-,第一章,绝缘栅场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,-,-,各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线,1.4.3 场效应管的主要参数,一、直流参数,2

29、. 夹断电压UP :夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UP 时,漏极电流为零。,3. 饱和漏极电流IDSS : 耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。,第一章,4. 直流输入电阻RGS 栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比 结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107， 绝缘栅场效应三极管RGS约是1091015。,5. 漏源击穿电压BUDS 使ID开始剧增时的UDS。,6.栅源击穿电压BUGS JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压 MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压,一、直流参数,第一章,1. 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用,gm的求法:

30、 图解法gm实际就是转移特性曲线的斜率 解析法：如增强型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2,二、交流参数,第一章,2. 衬底跨导gm b 反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用,跨导比,二、交流参数,第一章,3. 漏极电阻rds,反映了UDS对ID的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率,4.导通电阻Ron,在恒阻区内,二、交流参数,第一章,5. 极间电容,Cgs栅极与源极间电容 Cgd 栅极与漏极间电容 Cgb 栅极与衬底间电容 Csd 源极与漏极间电容 Csb 源极与衬底间电容 Cdb 漏极与衬底间电容,主要的极间电容有：,二、交流参数,第一章, 低频微变等效电路,由输出特

31、性：,ID=f(UGS,UDS),二、交流参数,第一章,三、极限参数,1、最大漏极电流IDM,2、击穿电压U(BR)DS,3、最大耗散功率PDM,第一章,1.4.4 场效应管与晶体管的比较,一、场效应管用栅-源电压控制漏极电流，栅极基本不取电流；晶体管工作时基极总是要索取一定的电流。 二、场效应管只有多子参与导电；晶体管多子和少子均参与导电。 三、场效应管的噪声系数很小；晶体管的噪声系数大。 四、场效应管的漏极和源极可以互换；晶体管则一般不能。 五、场效应管比晶体管种类多，组成电路时更加灵活。 六、场效应管和晶体管均可用于放大和开关电路，均可构成集成电路，但场效应集成电路工艺简单，且省电、工作

32、电源电压范围宽。,第一章,第一章,1.5.1 单结晶体管 1.5.2 晶闸管,1.5 单结晶体管和晶闸管,1.5 单结晶体管和晶闸管,根据PN结外加电压时的工作特点,还可以由PN结构其它类型的三端器件.本节将介绍利用一个PN结构成的具有负阻特性的器件-单结晶体管以利用三个PN结构成的大功率可控制整流器件-晶闸管.,1.5.1单结晶体管的结构和等效电路,在一个低参杂的N型硅棒上利用扩散工艺形成一个高参杂P区,在P区与N区接触面形成PN结,就构成单结晶体管(UJT) 其结构示意图如图1.5.1(a)所示,单结晶体管因有两个基极,故也称为双基极晶体管.其符号如图(b)所示. 单结晶体管的等效电路如图

33、(c)所示,图1.5.1 单结晶体管的结构示意图和等效电路,二.工作原理和特性曲线,单结晶体管的发射电流IE与e-b1间电压UEB1的关系曲线称为特性曲线.特性曲线的测试电路如图1.5.2(a)所示,虚线筐内单结晶体管的等效电路. 单极晶体管的特性曲线如图所示1.5.2,图1.5.2 单结晶体管特性曲线的测试,应用举例,图1.5.3所示为单结晶体管组成的振荡电路. 所为振荡,是指在没有输入信号的情况下,电路输出 一定频率一定幅值的电压或电流信号. 由于充电时间常数远大于放电时间常数,当稳定振荡时,电容上电压的波形如图.,图1.5.3 单结晶体管组成的振荡电路,1.5.2 晶闸管,晶体闸流管简称

34、晶闸管,也称为硅可控元件,是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件,多用于可控整流调压等电路,也作为无触点开关. 一.结构和等效模型 常见的晶闸管外形有螺栓形和平板形,如图,图1.5.4 晶闸管的外形,二、工作原理,当晶闸管的阳极A和阴极C之间加正向电压而控制极不加电压时，J2处于反向偏置，管子不导通，称为阻断状态。 当晶闸管的阳极A和阴极C之间加正向电压而控制极和阴极加之间也加正向电压时，如图1.5.6所示，J3处于导通状态，两只管子均进入饱和状态，使晶闸管完全导通，这个过程称为触发导通过程。,图1.5.6 晶闸管的工作原理,三、晶闸管的伏安特性,以晶闸管的控制极电流IG为参数，阳极电流I与

35、A-C间电压u的关系称为晶闸管的伏安特性，图1.5.7所示为晶闸管的伏安特性曲线。 u0时的伏安特性称为正向特性。 u0时的伏安特性称为反向特性。,图1.5.7 晶闸管的伏安特性曲线,四、晶闸管的主要参数,（1）额定正向平均电流IF。 （2）维持电流IB。 （3）触发电压UG和触发电流Ig。 （4）正向重复峰值电压UDRM。 （5）反向重复峰值电压URRM。 图1.5.8所示为可控半波整流电路。,图1.5.8 例 1.5.2 电路及波形图,第一章,1.6.1 集成电路制造工艺简介 1.6.2 集成双极型管 1.6.3 集成单极型管 1.6.4 集成电路中元件的特点,1.6 集成电路中的元件,1

36、.6集成电路中的元件,集成电路就是采用一定的制造工艺，将晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容、等许多元件组成的具有完整功能的电路制作在同一块半导体基片上，然后加以封装所构成的半导体器件。由于它的元件密度高、体积小、功能强、功耗低、外部连接及焊点少，从而大大提高了电子设备的可靠性和灵活性，实现了元件、电路与系统的紧密结合。 本节将简单介绍制造工艺，并说明集成电路中元件的构成及特点。,1.6.1集成电路制造工艺简介,在集成电路的产生过程中，在直径为310mm的硅晶片上，同时制造几百甚至几千个电路。人们称整个硅晶片为基片，称每一块电路为管心，如图1.6.1所示。基片制成后，再经划片、压焊、测试、封装

37、后成为产品。图1.6.2（a）（b）所示为圆壳式集成电路的剖面图及外形，图（c）、（d）所示为双列直插式集成电路的剖面图外形。,图1.6.2 集成电路的剖面图及外形,一、几个工艺名词,（1）氧化：在温度为8001200c的氧气中使半导体表面形成SiO2薄层，一防止外界杂质的污染。 （2）光刻与淹模：制作过程中所需的版图称为淹模，利用照相制版技术将淹模刻在硅片上称为光刻。 （3）扩散：在1000c左右的炉温下，将磷，砷或硼等元素的气体引入扩散炉，经一定时间形成杂质浓度一定的N型半导体或P型半导体。 （4）外延：在半导体基片上形成一个与基片结晶轴同晶向的半导体薄层，称为外延生长技术。 （5）蒸铝：

38、在真空中将铝蒸发，沉积在硅片表面，为制造连线或引线作准备。,二、隔离技术,虽然集成电路各元件均制作在一块硅片上，但各元件之间是相互绝缘的。图（a）所示为制成集成电路的原始材料，第一步在P型衬底上“氧化”生成SiO2保护层见图（b）暴光部分变成聚合保持不变见图（c），为扩散杂质开出”窗口“见图（d），从窗口“扩散”形成高掺杂的隐埋层-N+区见图（e），再次“氧化”形成SiO2薄层见图（f），二次光刻见图（g），扩散窗口见图（h），隔离岛见图i所示。,图1.6.3 PN结隔离的制造工艺,三、电路元件的制造工艺,隔离岛形成后，便可以在其中制造所需的元件了，制造过程与PN结隔离的制造过程相同。图1.6

39、.4所示为NPN型管的工艺流程与相应的破面图。 利用类似的工艺过程可制成PNP型管、场效应管。,图1.6.4 在隔离岛上制作NPN型管的工艺流程及剖面图,1.6.2集成双极型管,一、PNP型管 PNP型管有衬底PNP管和横向PNP管，其结构如图1.6.5所示。 横向PNP管的载流子从发射区沿水平方向向集电区运动，故称横向管，利用横向PNP管和纵向NPN管复合而成既有足够大的电流放大系数又耐压较高的管子，从而构成各方面性能俱佳的放大电路。,图1.6.5 集成电路中的PNP型管,二、其它类型晶体管,在制造NPN型管时，若作多个发射区，则得到多发射极管，其结构与符号见图1.6.6所示。 在制作横向P

40、NP型管时，若作多个集电区，则得到多集电极管，各集电极电流比决定于对应的集电区面积之比，其结构与符号见图1.6.7所示。,图1.6.6 多发射极管的结构与符号,图1.6.7 多集电极管的结构与符号,1.6.3集成单极型管,集成MOS管的结构与分立元件MOS见图1.4.7（a）的结构完全相同，常采用N沟道MOS管与P沟道MOS组成的互补电路，其结构与电路如图1.6.8所示。CMOS电路功耗小、工作电源电压范围宽、输入电流非常小、连接方便、是目前应用最广泛的集成电路之一。,图1.6.8 CMOS电路,1.6.4集成电路中元件的特点,与分立元件相比，集成电路中的元件有如下特点： 一、具有良好的对称性。 二、电阻与电容的数值有一定的限制。 三、纵向晶体管的小，但PN结耐压高。 四、用有源元件取代无源元件。由于丛向NPN管占用硅片面积小且性能好，而电阻和电容占用硅片面积大且取值范围窄，因此，在集成电路的设计中尽量多采用NPN型管，而少用电阻和电容。,