模拟电子线路-第1章-半导体器件.ppt

模拟电子技术 教材 模拟电子线路 张友纯 华中科技大学出版社 参考书 电子技术基础 模拟部分4 5版 康华光 高等教育出版社 模拟电子技术基础 第三版 童诗白华成英 高等教育出版社 电子线路 线性部分第四版 谢嘉奎高等教育出版社 1半导体器件 1 1半导体的基本知识 1 5场效应管 1 4晶体三极管 1 3特殊二极管 1 2PN结与半导体二极管 1 6集成运算放大器 1 1半导体的基本知识 1 1 1半导体材料 1 1 2半导体的共价键结构 1 1 3本征半导体 1 1 4杂质半导体 1 1 1半导体材料 根据物体导电能力 电阻率 的不同 来划分导体 绝缘体和半导体 导体 很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 电阻率 10 3 cm 绝缘体 几乎不导电的物质称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 电阻率 108 cm的为绝缘体 半导体 导电特性处于导体和绝缘体之间的物质 称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 半导体的导电特性在外界某种因素作用下会发生显著变化 具体表现在以下三个方面 2 热敏性温度的变化可以使其电阻率发生明显的变化 人们利用这种特性可以做成各种热敏元件 如热敏电阻 温度传感器等 1 掺杂性 半导体因掺入微量的杂质其电阻率发生显著的变化 人们正是利用这种特性来改变和控制半导体的电阻率 制成各种半导体器件 3 光敏性在光照下 一些半导体的电阻率可以发生明显变化 有的甚至可以产生电动势 人们利用这种特性可以做成各种光电晶体管 光电耦合器和光电池 1 1 2半导体的共价键结构 硅晶体的空间排列 1 1 2半导体的共价键结构 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 1 1 3本征半导体 本征半导体 化学成分纯净的半导体 它在物理结构上呈单晶体形态 空穴 共价键中的空位 电子空穴对 由热激发而产生的自由电子和空穴对 空穴的移动 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 本征半导体的结构特点 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 硅和锗的晶体结构 硅和锗的共价键结构 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为束缚电子 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子 因此本征半导体中的自由电子很少 所以本征半导体的导电能力很弱 自由电子 空穴 束缚电子 本征半导体的导电机理 1 两种载流子 自由电子 空穴 空穴的迁移相当于正电荷的移动 因此可以认为空穴是载流子 1 1 4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 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体 N型半导体 掺入五价杂质元素 如磷 的半导体 P型半导体 掺入三价杂质元素 如硼 的半导体 1 N型半导体 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键 而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子 在N型半导体中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带正电荷而成为正离子 因此五价杂质原子也称为施主杂质 多余电子 磷原子 在硅或锗的晶体中掺入微量的五价元素 P 1 由磷原子提供的电子 浓度与磷原子相同 2 本征半导体中成对产生的电子和空穴 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以 自由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 N型半导体 2 P型半导体 因三价杂质原子在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 在P型半导体中空穴是多数载流子 它主要由掺杂形成 自由电子是少数载流子 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 P型半导体 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 空穴 硼原子 在硅或锗的晶体中掺入微量的三价元素 B 杂质半导体的示意表示法 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响 一些典型的数据如下 以上三个浓度基本上依次相差106 cm3 3 杂质对半导体导电性的影响 本征半导体 杂质半导体 本节中的有关概念 end 自由电子 空穴 N型半导体 P型半导体 多数载流子 少数载流子 施主杂质 受主杂质 1 2PN结与晶体二极管 1 2 1PN结的形成 1 2 2PN结的单向导电性 1 2 3PN结的反向击穿 1 2 4PN结的电容效应 1 2 5晶体二极管 1 2 6晶体二极管电路 1 2 1PN结的形成 图2 2 1PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质 分别形成N型半导体和P型半导体 此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程 因浓度差 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 1 2 2PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位 称为加正向电压 简称正偏 反之称为加反向电压 简称反偏 1 PN结加正向电压时 PN结加正向电压时的导电情况 低电阻大的正向扩散电流 2 2 2PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位 称为加正向电压 简称正偏 反之称为加反向电压 简称反偏 2 PN结加反向电压时 PN结加反向电压时的导电情况 高电阻很小的反向漂移电流 A级 PN结加正向电压时 呈现低电阻 具有较大的正向扩散电流 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 PN结加反向电压时 呈现高电阻 具有很小的反向漂移电流 1 2 2PN结的单向导电性 3 PN结V I特性表达式 其中 IS 反向饱和电流 VT 温度的电压当量 且在常温下 T 300K 1 2 3PN结的反向击穿 当PN结的反向电压增加到一定数值时 反向电流突然快速增加 此现象称为PN结的反向击穿 热击穿 不可逆 1 2 4PN结的电容效应 1 势垒电容CB 势垒电容示意图 1 2 4PN结的电容效应 2 扩散电容CD 扩散电容示意图 end 1 2 5晶体二极管 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 1 二极管的结构 3 平面型二极管 往往用于集成电路制造艺中 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 b 面接触型 4 二极管的代表符号 半导体二极管图片 2 二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线可用下式表示 正向特性 反向特性 反向击穿特性 导通压降 硅管0 6 0 7V 锗管0 2 0 3V 死区电压硅管0 5V 锗管0 2V 3 二极管的参数 end 1 2 6二极管电路及其分析方法 1二极管V I特性的建模 2应用举例 1二极管V I特性的建模 1 理想模型 3 折线模型 2 恒压降模型 4 小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时 其正向特性可以等效成一个微变电阻 即 根据 得Q点处的微变电导 则 常温下 T 300K 1二极管V I特性的建模 例1 二极管构成的限幅电路如图所示 R 1k UREF 2V 输入信号为ui 1 若ui为4V的直流信号 分别采用理想二极管模型 恒压源模型计算电流I和输出电压uo 解 1 采用理想模型分析 采用恒压源模型分析 2应用举例 2 如果ui为幅度 4V的交流三角波 波形如图所示 分别采用理想二极管模型和恒压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形 解 采用理想二极管模型分析 波形如右所示 2V uo t 采用恒压源模型分析 波形如右所示 判断二极管在电路中的工作状态 常用的方法是 先假设将二极管断开 求二极管正负极间的电压 若该电压大于二极管导通电压 则二极管处于正偏而导通 反之 则处于反偏而截止 若电路中出现两个以上二极管 则承受正向电压较大者优先导通 然后根据电路情况 分析其它二极管工作状态 注意 注意 例2 在下图中 试求以下几种情况的端电压VY及各元件流过的电流 1 UA 10V UB 0V 解 忽略二极管的导通压降 1 二极管 优先导通 则 反向偏置 截止 2 UA 6V UB 5 8V 设两管均导通 应用结点电压法可得 可见DB管也确能导通 例3 两个稳压管 稳定电压分别为5 5V和8 5V 正向导通压降都是0 5V 如果要得到0 5V 3V 6V 9V和14V应如何连接 解 电路如下列所示 分别可以得到题意要求的稳压值 a b c d e 例3 两个稳压管 稳定电压分别为5 5V和8 5V 正向导通压降都是0 5V 如果要得到0 5V 3V 6V 9V和14V应如何连接 解 电路如下列所示 分别可以得到题意要求的稳压值 V阳 V阴二极管导通若忽略管压降 二极管可看作短路 UAB 6V否则 UAB低于 6V一个管压降 为 6 3 或 6 7V 例4 取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 在这里 二极管起钳位作用 电路如图 求 UAB V阳 V阴 6V 12V 两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 V1阳 6V V2阳 0V V1阴 V2阴 12VUD1 6V UD2 12V UD2 UD1 D2优先导通 D1截止 若忽略管压降 二极管可看作短路 UAB 0V 例5 D1承受反向电压为 6V 流过D2的电流为 求 UAB 在这里 D2起钳位作用 D1起隔离作用 ui 8V 二极管导通 可看作短路uo 8Vui 8V 二极管截止 可看作开路uo ui 已知 二极管是理想的 试画出uo波形 8V 例6 二极管的用途 整流 检波 限幅 钳位 开关 元件保护 温度补偿等 参考点 二极管阴极电位为8V 1 3特殊二极管 1 3 1稳压二极管 1 3 2变容二极管 1 3 3光电子器件 1 光电二极管 2 发光二极管 3 激光二极管 1 3 1稳压二极管 1 符号及稳压特性 a 符号 b 伏安特性 曲线越陡 电压越稳定 1 稳定电压VZ 2 动态电阻rZ VZ IZrz越小 稳压性能越好 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 4 最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin 2 稳压二极管主要参数 1 3 1稳压二极管 3 最大耗散功率 2 5 1稳压二极管 3 稳压电路 正常稳压时VO VZ 稳压条件是什么 不加R可以吗 上述电路VI为正弦波 且幅值大于VZ VO的波形是怎样的 例 稳压二极管的应用 稳压二极管技术数据为 稳压值UZW 10V Izmax 12mA Izmin 2mA 负载电阻RL 2k 输入电压ui 12V 限流电阻R 200 若负载电阻变化范围为1 5k 4k 是否还能稳压 UZW 10Vui 12VR 200 Izmax 12mAIzmin 2mARL 2k 1 5k 4k iL uo RL UZ RL 10 2 5 mA i ui UZ R 12 10 0 2 10 mA iZ i iL 10 5 5 mA RL 1 5k iL 10 1 5 6 7 mA iZ 10 6 7 3 3 mA RL 4k iL 10 4 2 5 mA iZ 10 2 5 7 5 mA 利用PN结的势垒电容随外加反向电压的变化而变化的特性可制成变容二极管 其符号和特性如图1 19所示 变容二极管的容量很小 为皮法数量级 它有一定的电容变化范围 主要用于高频场合下 例如电调谐 调频信号的产生等 1 3 2变容二极管 1 3 3光电子器件 反向电流随光照强度的增加而上升 1 光电二极管 有正向电流流过时 发出一定波长范围的光 目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光 它的电特性与一般二极管类似 end 2 发光二极管 1 3 3光电子器件 1 4 1三极管结构简介 1 4晶体三极管 1 4 2三极管的电流分配与放大原理 1 4 3三极管的特性曲线 1 4 4三极管的主要参数 1 4 1三极管的结构简介 半导体三极管的结构示意图如图所示 它有两种类型 NPN型和PNP型 两种类型的三极管 发射结 Je 集电结 Jc 基极 用B或b表示 Base 发射极 用E或e表示 Emitter 集电极 用C或c表示 Collector 发射区 集电区 基区 三极管符号 结构特点 发射区的掺杂浓度最高 集电区掺杂浓度低于发射区 且面积大 基区很薄 一般在几个微米至几十个微米 且掺杂浓度最低 管芯结构剖面图 1 4 2三极管的电流分配与放大原理 1 内部载流子的传输过程 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下 通过载流子传输体现出来的 外部条件 发射结正偏 集电结反偏 发射区 发射载流子集电区 收集载流子基区 传送和控制载流子 以NPN为例 载流子的传输过程 以上看出 三极管内有两种载流子 自由电子和空穴 参与导电 故称为双极型三极管 或BJT BipolarJunctionTransistor 1 4 2三极管的电流分配与放大原理 2 电流放大原理 EB RB EC 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IBE 多数扩散到集电结 发射结正偏 发射区电子不断向基区扩散 形成发射极电流IE 发射结正偏 集电结反偏 EB RB EC 集电结反偏 有少子形成的反向电流ICBO 从基区扩散来的电子作为集电结的少子 漂移进入集电结而被收集 形成ICE IB IBE ICBO IBE 1 发射区发射电子2 电子在基区扩散和复合3 集电区收集电子 2 电流分配关系 根据传输过程可知 IC InC ICBO IB IB ICBO 通常IC ICBO IE IB IC 载流子的传输过程 根据 IE IB IC IC InC ICBO 且令 2 电流分配关系 3 三极管的三种组态 共集电极接法 集电极作为公共电极 用CC表示 共基极接法 基极作为公共电极 用CB表示 共发射极接法 发射极作为公共电极 用CE表示 三极管的三种组态 VBB VCC VBE IB IE IC vI vBE iC iE iB vI 20mV 设 若 则 电压放大倍数 iB 20uA vO iC RL 0 98V 0 98 使 4 放大作用 综上所述 三极管的放大作用 主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输 然后到达集电极而实现的 实现这一传输过程的两个条件是 1 内部条件 发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度 且基区很薄 2 外部条件 发射结正向偏置 集电结反向偏置 1 4 2三极管的电流分配与放大原理 注意 NPN VC VB VE PNP VC VB VE锗BJT的 VBE 0 2V 硅BJT的 VBE 0 7V vCE 0V iB f vBE vCE const 2 当vCE 1V时 vCB vCE vBE 0 集电结已进入反偏状态 开始收集电子 基区复合减少 同样的vBE下IB减小 特性曲线右移 1 当vCE 0V时 相当于发射结的正向伏安特性曲线 1 输入特性曲线 1 4 3三极管的特性曲线 以共射极放大电路为例 iC f vCE iB const 2 输出特性曲线 输出特性曲线的三个区域 1 4 3三极管的特性曲线 输出特性三个区域的特点 1 放大区发射结正偏 集电结反偏 IC IB 且 IC IB 2 饱和区发射结正偏 集电结正偏 即UCE UBE IB IC UCE 0 3V 3 截止区发射结反偏 集电结反偏 UBE 死区电压 IB 0 IC ICEO 0 1 4 4三极管的主要参数 1 共发射极直流电流放大系数 IC ICEO IB IC IB vCE const 1 电流放大系数 2 共发射极交流电流放大系数 IC IB vCE const 1 4 4三极管的主要参数 1 电流放大系数 3 共基极直流电流放大系数 IC ICBO IE IC IE 4 共基极交流电流放大系数 IC IE VCB const 当ICBO和ICEO很小时 可以不加区分 1 4 4三极管的主要参数 1 电流放大系数 2 集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO 1 ICBO 2 极间反向电流 ICEO 1 集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时 集电结的反向饱和电流 1 4 4三极管的主要参数 1 集电极最大允许电流ICM 2 集电极最大允许功率损耗PCM PCM ICVCE 3 极限参数 1 4 4三极管的主要参数 3 反向击穿电压 V BR CBO 发射极开路时的集电结反向击穿电压 V BR EBO 集电极开路时发射结的反向击穿电压 V BR CEO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 几个击穿电压有如下关系V BR CBO V BR CEO V BR EBO 3 极限参数 1 4 4三极管的主要参数 由PCM ICM和V BR CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区 过电流区和击穿区 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区 思考题 end 1 5 1结型场效应管 1 5 3场效应管的参数及其特点 1 5场效应管 1 5 2绝缘栅场效应管 场效应管是一种利用电场效应来控制电流大小的半导体器件 具有体积小重量轻耗电省寿命长等特点 而且输入电阻高噪声低热稳定性好抗辐射能力强 应用范围广泛 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 耗尽型 分类 增强型 没有加偏置电压 ugs 0 时 没有导电沟道 iD 0 耗尽型 没有加偏置电压 ugs 0 时 有导电沟道存在 iD 0 1 5 1结型场效应管 结构 工作原理 输出特性 转移特性 主要参数 1JFET的结构和工作原理 2JFET的特性曲线及参数 1JFET的结构和工作原理 1 结构 源极 用S或s表示 N型导电沟道 漏极 用D或d表示 1JFET的结构和工作原理 1 结构 符号中的箭头方向表示什么 2 工作原理 VGS对沟道的控制作用 当VGS 0时 以N沟道JFET为例 当沟道夹断时 对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP 或VGS off 对于N沟道的JFET VP 0 PN结反偏 耗尽层加厚 沟道变窄 VGS继续减小 沟道继续变窄 VDS对沟道的控制作用 当VGS 0时 VDS ID G D间PN结的反向电压增加 使靠近漏极处的耗尽层加宽 沟道变窄 从上至下呈楔形分布 当VDS增加到使VGD VP时 在紧靠漏极处出现预夹断 此时VDS 夹断区延长 沟道电阻 ID基本不变 VGS和VDS同时作用时 当VP VGS 0时 导电沟道更容易夹断 对于同样的VDS ID的值比VGS 0时的值要小 在预夹断处 VGD VGS VDS VP 综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电 所以场效应管也称为单极型三极管 JFET是电压控制电流器件 iD受vGS控制 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系 预夹断后 iD趋于饱和 为什么JFET的输入电阻比BJT高得多 JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的 因此iG 0 输入电阻很高 JFET有正常放大作用时 沟道处于什么状态 2JFET的特性曲线及参数 2 转移特性 VP 1 输出特性 夹断电压VP 或VGS off 饱和漏极电流IDSS 低频跨导gm 或 漏极电流约为零时的VGS值 VGS 0时对应的漏极电流 低频跨导反映了vGS对iD的控制作用 gm可以在转移特性曲线上求得 单位是mS 毫西门子 输出电阻rd 直流输入电阻RGS 对于结型场效应三极管 反偏时RGS约大于107 最大漏极功耗PDM PDM VDSiD JFET的耗散功率不能超过PDM 最大漏源电压V BR DS 发生雪崩击穿 iD急剧上升的VDS 最大栅源电压V BR GS 指输入PN结反向电流开始急剧增加时的VGS end 结型场效应管的缺点 1 栅源极间的电阻虽然可达107以上 但在某些场合仍嫌不够高 3 栅源极间的PN结加正向电压时 将出现较大的栅极电流 绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题 2 在高温下 PN结的反向电流增大 栅源极间的电阻会显著下降 1 结构和电路符号 P型基底 两个N区 高掺杂 SiO2绝缘层 导电沟道 金属铝 N沟道增强型 1 5 2绝缘栅场效应管 2 MOS管的工作原理 以N沟道增强型为例 UG