模拟电子技术第一章知识要点.doc

第一章 常用半导体器件1.1 半导体基础知识导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。 半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。本征半导体是纯净（无杂质）的晶体（稳定）结构的半导体。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”。它在物理结构上呈单晶体形态。1.1.1 本征半导体晶体中原子的排列方式如图所示：1、 本征半导体的结构共价键自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴价电子由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子 硅单晶中的硅原子通过共价健结构与周围的四个硅原子结合在一起，共价键中的两个电子，称为价电子。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。2、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的，因此，空穴的导电能力不如自由电子。1.1.2 杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的本征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，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而带正电荷成为正离子，因此，五价杂质原子也被称为施主杂质。磷（P）正离子多数载流子 杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。2. P型半导体本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成 P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。多数载流子硼（B）负离子 P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。问题：在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？3、PN结的形成及其单向导电性 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。N区自由电子浓度远高于P区。P区空穴浓度远高于N区。扩散运动扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继续进行。1PN结的形成由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。漂移运动因电场作用所产生的运动称为漂移运动。 2 PN结的单向导电性 PN结加正向电压时的导电情况外加的正向电压有一部分降落在 PN 结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。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。图1.6 PN结加正向电压时的导电情况 PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结在一定温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 图1.7 PN 结加反向电压时的导电情况PN结外加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。 PN结的电流方程由理论分析得，PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系为：式中，Is为反向饱和电流，q为电子的电量，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。将kT/q用UT取代，得：，常温下，即T=300K时，UT26mV。 PN结的伏安特性伏安特性曲线齐纳击穿雪崩击穿3、PN结的电容效应势垒电容： PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。扩散电容：PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容： 结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！小结：PN结的结电容CjCj = Cd + Cb 当PN结反偏时：，当PN结正偏时：，1.2 半导体二极管1.2.1 半导体二极管几种常见结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(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。(2) 面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(3) 平面型二极管往往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。符号：1.2.2 二极管的伏安特性(1) 正向特性当V0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当0VVon时，正向电流为零，Von称为死区电压或开启电压。当VVon时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。硅二极管的死区电压Von=0.5 V左右，锗二极管的死区电压Von=0.1 V左右。(2) 反向特性当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压 。(3) 温度对二极管伏安特性的影响T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移。1.2.3 二极管的主要参数半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压VBR、最大反向工作电压VR、反向电流IR、最高工作频率fM和结电容Cj等。最大整流电流IF：二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流值。最大反向工作电压UR：最大瞬时值。二极管工作是允许外加的最大反向电压，超过此值，二极管有可能因反向击穿而损坏。通常为击穿电压U（BR）的一半。反向电流 IR：二极管未击穿时的反向电流。最高工作频率fM：二极管工作的上限频率。因PN结有电容效应。结电容为扩散电容（Cd）与势垒电容（Cb）之和。1.2.4二极管的等效电路1二极管伏安特性折线化等效模型（a） （b） （c）（a）理想二极管，理想开关，导通时 UD0，截止时IS0（b）近似分析中常用。导通时正向管压降：硅0.60.7V、锗0.20.3V，截止时IS0。（c）正向导通时，端电压与电流成线性关系。应根据不同情况选择不同的等效电路！分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若 V阳 V阴，二极管导通（正向偏置）若 V阳 1V后的特性曲线是重合的。与二极管特性曲线一样，晶体管输入特性曲线也有一段死区，只有当发射结外加电压大于死区电压时，才有电流IB。正常工作时发射结电压：NPN型硅管UBE 0.60.7V，PNP型锗管UBE 0.2 -0.3V。二、输出特性曲线： 是指当基极电流IB为常数时，输出电路（集电极电路）中集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线， 。输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区：在放大区有IC=IB ，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。（2）截止区：IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0 。在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。（3）饱和区：当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态（输出特性曲线上升段附近）。在饱和区，IB IC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。此时，UCE0，。深度饱和时，硅管UCES0.3V，锗管UCES0.1V。1.3.4 晶体管的主要参数：晶体管的特性除用特性曲线表示外，还可用一些数据表示，表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。1. 共射电流放大系数，：当晶体管接成共发射极电路时，在静态时集电极电流IC与基极电流IB的比值称直流电流放大系数:。当晶体管工作在动态时，集电极电流变化量与基极电流变化量的比值称交流电流放大系数:。和的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下，两者数值接近。，常用晶体管的值在20 200之间。例：在UCE= 6 V时，在Q1 点IB=40mA，IC=1.5mA；在Q2 点IB=60mA，IC=2.3mA。解：在Q1 点，有 由 Q1 和Q2点，得在以后的计算中，一般作近似处理：=。2. 集-基极反向截止电流 ICBOICBO是当发射极开路时由于集电极反向偏置，集电区和基区的少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。ICBO越小越好。温度升高，ICBO增大。3. 集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO当IB=0时，（将基极开路），集电结处于反向偏置和发射结处于正向偏置时的集电极电流ICEO，ICEO受温度的影响大。温度升高，ICEO增大，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。二、极限参数1. 集电极最大允许电流 ICM集电极电流 IC上升会导致三极管的b值的下降，当b值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为 ICM。2. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO当集射极之间的电压UCE 超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR) CEO。3. 集电极最大允许耗散功耗PCMPCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。 PC PCM =IC UCE硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。1.3.5 晶体管参数与温度的关系1、温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优于锗管。2、温度每升高 1C，UBE将减小 (22.5)mV，即晶体管具有负温度系数。3、温度每升高 1C，增加0.5%1.0%。1.3.6 半导体三极管的型号国家标准对半导体三极管的命名如下:3 D G 110 B第一位：三极管第二位：用字母表示材料。A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：用字母表示器件的种类：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管第五位：用数字表示同种器件型号的序号第六位：用字母表示同一型号中的不同规格1.4 场效应管1.4.1 结型场效应管JFET的结构如图所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。一个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。 结型场效应三极管的结构一、 结型场效应三极管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。1. 栅源电压对沟道的控制作用当VGS=0时，在漏极与源极之间加有一定电压，在漏、源间将形成多子漂移运动，产生漏极电流。当VGS0时，PN结反偏，耗尽层加厚，漏、源间的沟道将变窄、电阻增大、ID减小，VGS继续减小，沟道继续变窄，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VGS称为夹断电压VGS(off)。2. 漏源电压对沟道的控制作用在栅极加上电压，且VGSVGS(off) ，若漏源电压VDS 从零开始增加，则VGD= VGS-VDS 将随之减小。使靠近漏极处的耗尽层厚度加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分布。当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断，当VDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延长。3. 结型场效应三极管的特性曲线JFET的特性曲线有两条，一是转移特性曲线，二是输出特性曲线。它与MOSFET的特性曲线基本相同，只不过MOSFET的栅压可正、可负，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。JFET的特性曲线如图所示。 (a) 漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲线 N沟道结型场效应三极管的特性曲线1.4.2 绝缘栅场效应三极管绝缘栅型场效应管MOSFET分为: 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道一、 N沟道增强型MOS管结构示意图和符号见图。其中：D ( Drain )为漏极，相当于集电极C；G ( Gate )为栅极，相当于基极B ; S ( Source ) 为源极，相当于发射极E。1. 工作原理当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。当栅极加有电压时，若0VGSVGS(th)时，耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。a