模拟电子技术PPT电子课件教案-第一章 常用半导体器件.ppt

模拟电子技术,第一章 常用半导体器件,1.1 半导体的基本知识,1.2 半导体二极管,1.3 双极型晶体管,1.4 场效应管,主要内容,1.1 半导体的基本知识,所有物质按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体、半导体三大类 典型的半导体： 硅si 、锗ge，都是4价元素,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,把内层电子和原子核作为一个整体称为惯性核,半导体器件：用半导体材料制成的电子器件 分类：双极型与单极型半导体器件 半导体器件导电性能特点： 具有光敏性和热敏性 具有掺杂性,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度t=0k时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,1.1.1 本征半导体,本征半导体化学成分纯净的半导体晶体（单晶体）。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子,空穴,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。,本征激发同时产生电子空穴对。 外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象复合,电子空穴对,自由电子 带负电荷 电子流,总电流,空穴 带正电荷 空穴流,本征半导体的导电性取决于外加能量： 温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,导电机制,热平衡载流子浓度,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,a为常数，k是波尔兹曼常数，eg0是t=0k时的禁带宽度 （p4）。,由 的大小和原子密度相比较，可知 仅为原子密度的三万亿分之一。故本征半导体的导电能力很弱。,1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。,1. n型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为n型半导体。,n型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,2. p型半导体,杂质半导体的示意图,多子电子,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度与温度有关,多子浓度与温度无关,多子和少子热平衡浓度,n型半导体中：,p型半导体中：,1.1.3 两种导电机理-漂移和扩散,一、漂移和漂移电流 在外加电场的作用下，载流子产生定向运动，形成电流。,二、扩散与扩散电流 由浓度差引起载流子的定向运动。,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,pn结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,1.1.4 pn结及其单向导电性,1 . pn结的形成,动画pn结形成,动态平衡：,扩散电流 漂移电流,总电流0,当扩散和漂移达到平衡时，由内建电场e产生的电位差称为内建电位差vb：,t=300k时，vt26mv,在室温时： 锗的vb 0.20.3v 硅的vb 0.50.7v,阻挡层宽度向低掺杂一方扩展,2. pn结的伏安特性,(1) 加正向电压（正偏）电源正极接p区，负极接n区,外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流i d,正向特性,(2) 加反向电压电源正极接n区，负极接p区,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故it基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但it与温度有关。,反向特性,pn结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， pn结导通； pn结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， pn结截止。 结论：pn结具有单向导电性。,3. pn结的伏安特性曲线及表达式,根据理论推导，pn结的伏安特性曲线如图,正偏,id（多子扩散）,it（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿烧坏pn结,电击穿可逆,u 为pn结两端的电压降,i 为流过pn结的电流,is 为反向饱和电流,ut =kt/q,其中k为玻耳兹曼常数 1.381023 q 为电子电荷量1.6109 t 为热力学温度,4.温度特性,温度升高时，pn结两边的热平衡少子浓度相应增加，从而导致pn结的反向饱和电流is增大。温度每增加10，is约增加一倍。,5.pn结击穿特性,一.雪崩击穿： 发生在低掺杂的pn结中， v（br）6v。,应用-稳压二极管：根据pn结击穿后，两端电压几乎不变，只要限制反向电流，使pn结不被烧坏，可的一稳定电压。,二.齐纳击穿： 发生在高掺杂的pn结中，v（br）6v。高掺杂时的阻挡层很薄，内建电场很强，足以把阻挡层内中性原子的价电子直接从共价键中拉出来，产生自由电子空穴对-场致激发，产生大量的载流子，而反向击穿。,4. pn结的电容效应,当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即pn结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,(1) 势垒电容ct =ct（0）/（1-v/vb）n,(2) 扩散电容cd,当外加正向电压 不同时，pn结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,极间电容（结电容）,应用-变容二极管：pn结外加反向电压时反向电流很小，近似开路，成为由势垒电容ct构成的较理想的电容器件，其增量电容值随外加反向电压而变化。,pn结电容 cj=ct+cd,外加正向电压时，cd很大，且cdct，cjcd外加反向电压时，cd趋于零，cjct,c,1.2 半导体二极管,二极管 = pn结 + 管壳 + 引线,结构,符号,二极管按结构分三大类：,(1) 点接触型二极管,pn结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路,1. 二极管分类：,(3) 平面型二极管,用于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,(2) 面接触型二极管,pn结面积大，用 于工频大电流整流电路,二极管的几种外形,2. 半导体二极管的型号,2ap9,(2) 反向特性,(1) 正向特性,1.2.3. 二极管的主要参数,(1) 最大整流电流if,二极管长期连续工 作时，允许通过二 极管的最大正向 电流的平均值,(2) (反向击穿电压)ubr,二极管反向电流 急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿 电压ubr。,(3)最高反向工作电压ur,指保证二极管不被反向击穿所给出的最高反向工作电压。通常为反向击穿电压的一半。,1.2.3. 二极管的主要参数,(4) 最高工作频率fm 保证二极管具有良好导电性能的最高频率,(3) 反向电流ir,在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(na)级；锗二极管在微安(a)级,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流iz在izmax和izmin之间变化时,其两端电压近似为常数,稳定电压,1.2.4 特殊二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管,正向同二极管,反偏电压uz 反向击穿, uz ,稳压二极管的主要 参数,(1) 稳定电压uz ,(2) 动态电阻rz ,在规定的稳压管反向工作电流iz下， 所对应的反向工作电压,rz =u /i rz愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡,(3) 最小稳定工作 电流izmin,保证稳压管击穿所对应的电流，若izizmin则不能稳压,(4) 最大稳定工作电流izmax,超过izmax稳压管会因功耗过大而烧坏,稳压电路,1. 稳压原理利用稳压管的反向击穿特性,由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化,稳压原理：,(1) 当输入电压变化时,(2)当负载电流变化时,稳压过程：,稳压二极管 光敏二极管 发光二极管 变容二极管,1.2.5 二极管的等效电路,信号模型：,(a) 小信号模型 (b) 折线模型 (c) 恒压降模型 (d) 理想模型,1.2.6 二极管应用电路,整流,将交流电转换成直流电的变换称之为整流,单向半波整流,单向全波整流,限幅电路：利用二极管在正向电压超过阈值电压vth时导通，使信号的幅值电压限制在一定范围内,钳位电路：利用二极管在正向电压超过阈值电压vth时导通，使信号的幅值电压限制在一定范围内,1.3 双极型晶体管,半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（bipolar junction transistor,简称bjt） bjt是由两个pn结组成的,1.3.1 bjt的结构,npn型,pnp型,符号:,三极管的结构特点: （1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。 （2）基区要制造得很薄且浓度很低。,1.3.2 bjt的三种连接方式,共射极,共集电极,共基极,三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压,若在放大工作状态： 发射结正偏：,+ uce , ube , ucb ,集电结反偏：,由vbb保证,由vcc、 vbb保证,ucb=uce - ube, 0,1.3.3 三极管的放大作用,（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子 ，形成了扩散电流ien 。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为iep。但其数量小，可忽略。 所以发射极电流i e i en 。,（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成ibn。所以基极电流i b i bn 。大部分到达了集电区的边缘。,1bjt内部的载流子传输过程,（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流icn,另外，集电结区的少子形成漂移电流icbo。,2电流分配关系,三个电极上的电流关系:,ie =ic+ib,定义：,(1)ic与i e之间的关系:,所以:,其值的大小约为0.90.99。,(2)ic与i b之间的关系：,联立以下两式：,得：,所以：,得：,令：,(1) 输入特性曲线 ib=f(ube) uce=const,（1）uce=0v时，相当于两个pn结并联。,（3）uce 1v再增加时，曲线右移很不明显。,（2）当uce=1v时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少， 在同一ube 电压下，ib 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。,1.3.4 三极管的特性曲线,(2)输出特性曲线 ic=f(uce) ib=const,现以ib=60ua一条加以说明。,（1）当uce=0 v时，因集电极无收集作用，ic=0。,（2） uce ic 。,（3） 当uce 1v后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成ic。所以uce再增加，ic基本保持不变。,同理，可作出ib=其他值的曲线。,输出特性曲线可以分为三个区域:,饱和区ic受uce显著控制的区域，该区域内uce0.7 v。 此时发射结正偏，集电结也正偏。,截止区ic接近零的区域，相当ib=0的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区 曲线基本平行等 距。 此时，发 射结正偏，集电 结反偏。 该区中有：,饱和区,放大区,截止区,1.电流放大系数,（2）共基极电流放大系数：,一般取20200之间,2.3,1.5,（1）共发射极电流放大系数：,1.3.5 三极管的主要参数,2.极间反向电流,（2）集电极发射极间的穿透电流iceo 基极开路时，集电极到发射极间的电流穿透电流 。 其大小与温度有关。,（1）集电极基极间反向饱和电流icbo 发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个pn结的反向电流。其大小与温度有关。 锗管：i cbo为微安数量级， 硅管：i cbo为纳安数量级。,3.极限参数,ic增加时， 要下降。当值下降到线性放大区值的70时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流icm。,（1）集电极最大允许电流icm,（2）集电极最大允许功率损耗pcm 集电极电流通过集电结时所产生的功耗， pc= icuce,pcm, pcm,（3）反向击穿电压,bjt有两个pn结，其反向击穿电压有以下几种：, u（br）ebo集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏十几伏。 u（br）cbo发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏几百伏。, u（br）ceo基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。,在实际使用时，还有 u（br）cer、u（br）ces 等击穿电压。,1.3.6 温度对三极管参数的影响,1.4 场效应管,bjt是一种电流控制元件(ib ic)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件,场效应管（field effect transistor简称fet）是一种电压控制器件(ugs id) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。 fet因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用,1.4.1 结型场效应管的工作原理,结构和符号,n沟道,p沟道,结型场效应管的工作原理,（1）栅源电压对沟道的控制作用,在栅源间加负电压ugs ，令uds =0 当ugs=0时，为平衡pn结，导电沟道最宽。,当ugs时，pn结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。,当ugs到一定值时 ，沟道会完全合拢。,定义： 夹断电压up使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压ugs。,（2）漏源电压对沟道的控制作用,在漏源间加电压uds ，令ugs =0 由于ugs =0，所以导电沟道最宽。 当uds=0时， id=0。,udsid 靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。,当uds ，使ugd=ug s- uds=up时，在靠漏极处夹断预夹断。,预夹断前， udsid 。 预夹断后， idsid 几乎不变。,uds再，预夹断点下移。,（3）栅源电压ugs和漏源电压uds共同作用,id=f（ ugs 、uds）,可用输两组特性曲线来描绘。,结型场效应管jfet的特性曲线,3.特性曲线,可变电阻区：当漏源电压uds很小时，场效应管工作于该区。此时，导电沟道畅通，场效应管的漏源之间相当于一个电阻一。在栅、源电压ugs一定时，沟道电阻也一定，id随ugs增大而线性增大。但当栅源电压变化时，特性曲线的斜率也随之发生变化。可以看出，栅源电压uds无关，我们称这个区域为恒流区，也称为放大区。在恒流区，id主要由栅源电压ugs决定。 恒流区：随着uds增大到一定程度，id的增加变慢，以后id基本恒定，而与漏源电压uds无关，我们称这个区域为恒流区，也称为放大区。在恒流区，id主要由栅源电压ugs决定。 击穿区：如果继续增大uds到一定值后，漏、源极之间会发生击穿，漏极电流id急剧上升，若不加以限制，管子就会损坏。 夹断区：当ugs负值增加到夹断电压ugs（off）后，id0，场效应管截止。,转移特性曲线： id=f（ ugs ）uds=常数,可根据输出特性曲线作出移特性曲线。 例：作uds=10v的一条转移特性曲线：,1.4.2 绝缘栅场效应管,绝缘栅型场效应管 ( metal oxide semiconductor fet)，简称mosfet。分为： 增强型 n沟道、p沟道 耗尽型 n沟道、p沟道,1.n沟道增强型mos管 （1）结构 4个电极：漏极d， 源极s，栅极g和 衬底b。,符号：,当ugs0v时纵向电场 将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。,（2）工作原理,当ugs=0v时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。,再增加ugs纵向电场 将p区少子电子聚集到 p区表面形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。,栅源电压ugs的控制作用,定义： 开启电压（ ut）刚刚产生沟道所需的 栅源电压ugs。,n沟道增强型mos管的基本特性： ugs ut，管子截止， ugs ut，管子导通。 ugs 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uds作用下，漏极电流id越大。,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vds对漏极电流id的影响。（设ut=2v， ugs=4v）,（a）uds=0时， id=0。,（b）uds id； 同时沟道靠漏区变窄。,（c）当uds增加到使ugd=ut时， 沟道靠漏区夹断，称为预夹断。,（d）uds再增加，预夹断区 加长， uds增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， id基本不变。,（3）特性曲线,四个区： （a）可变电阻区（预夹断前）。,输出特性曲线：id=f(uds)ugs=const,（b）恒流区也称饱和 区（预夹断 后）。,（c）夹断区（截止区）。,（d）击穿区。,可变电阻区,恒流区,截止区,击穿区,转移特性曲线： id=f(ugs)uds=const,可根据输出特性曲线作出移特性曲线。 例：作uds=10v的一条转移特性曲线：,ut,一个重要参数跨导gm：,gm=id/ugs uds=const (单位ms) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出gm。,2.n沟道耗尽型mosfet,特点： 当ugs=0时，就有沟道，加入uds，就有id。 当ugs0时，沟道增宽，id进一步增加。 当ugs0时，沟道变窄，id减小。,在栅极下方的sio2层中掺入了大量的金属正离子。所以当ugs=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。,定义： 夹断电压（ up）沟道刚刚消失所需的栅源电压ugs。,n沟道耗尽型mosfet的特性曲线,输出特性曲线,转移特性曲线,up,3、p沟道耗尽型mosfet,p沟道mosfet的工作原理与n沟道 mo