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1 主要内容 半导体材料 三种管子 二极管 三极管 场效应管 模电第一章半导体器件基础 1 1半导体的基础知识 1 1 1本征半导体 本征半导体 纯净半导体 不掺杂 区别于杂质半导体 半导体 导电能力介于导体 例铜 铁 和绝缘体 例橡胶 玻璃 之间的物质 例硅 锗 2 空穴等效为一种带正电荷的载流子 能够移动从而形成电流的粒子 3 杂质半导体 掺杂特性 在纯净的半导体中掺入微量的某种其它元素 会使半导体的导电性能大大提高 这种掺入杂质的半导体就叫作杂质半导体 区别于本征半导体 一 N型半导体 加入五价元素磷 自由电子数 空穴数故称N型半导体 多子 少子 Negative 负 4 二 P型半导体 空穴数 自由电子数故称P型半导体 多子 少子 Positive 正 5 三 杂质半导体的导电性能 掺杂后 载流子浓度发生变化 与纯净半导体相比 多子数 少子数 以N型半导体为例 加入杂质原子 电子 空穴与电子复合机会 空穴数 浓度总和增加 浓度乘积不变 满足 np nipi ni2 pi2 常数 例 以十亿分之一 10 9 的比例在硅原子中加入磷原子 结论 杂质半导体的导电能力 注意 少子是本征激发产生的 热敏性强 多子是掺杂产生的 受温度影响不大 6 PN结 一 PN结的形成 由于浓度差 多子向对方扩散 并与对方的少子复合 交界处形成空间电荷区 称为PN结 也称耗尽层 7 因此在PN结中存在多子扩散和少子漂移两种运动 方向相反 多子扩散 PN结变宽 少子漂移 PN结变窄 开始浓度差大 内电场尚未形成 扩散强 随着内电场的增强 漂移越来越强 当两者达到平衡时 PN结宽度即确定下来 内电场使少子向对方运动 称为漂移 区别于扩散 8 二 PN结的单向导电性 1 加正向电压 P正N负 VF时 导通 外电场与内电场方向相反 外电场削弱了内电场 PN结变窄 打破平衡 多子扩散增强 少子漂移减弱 平衡时扩散电流和漂移电流大小相等 现在扩散 漂移 形成正向电流IF IF较大 因多子浓度高 且VF IF PN结导通 9 2 加反向电压 P负N正 VR时 截止 IR较小 因少子浓度低 且呈饱和性 VR 到一定程度时 所有的少子都参加运动 VR再 IR也不再增加 此时IR IS 常数 PN结截止 10 三 PN结的电流方程 式中 UT kT q 称为电压温度当量 与温度成正比 T 300K时 UT 26mV IS为反向饱和电流 四 PN结的伏安特性 11 1 2半导体二极管 PN结 管壳 引线即构成二极管 1 2 1半导体二极管的几种常见结构特性 12 二极管的伏安特性 一 二极管伏安特性与PN结伏安特性的区别 思考 能否将1 5V电池直接加在二极管两端 13 二 温度对二极管伏安特性的影响 温度增加 Uon减小 Is增加 正向曲线左移 反向曲线下移 14 二极管的等效电路 线性等效电路 一 由伏安特性折线化得到的等效电路 直流等效电路 理想二极管 1 正向导通时电压 0 反向截止时电流 0 2 正向导通时电压 Uon 反向截止时电流 0 3 正向导通时电压与电流成线性关系 反向截止时电流 0 15 判断二极管是导通还是截止 断开二极管 判断正极和负极电位高低 画出等效电路图 求解 S断开时 S闭合时 解 D导通 D截止 16 稳压二极管 稳压管是一种特殊的二极管 主要作用是稳定电压 一 稳压管的伏安特性 UZ为稳定电压 17 当Ua Ub时 D1截止 由DZ UZ rd表现其反向特性 当Ua Ub时 DZ截止 由D1表现其正向特性 等效电路 18 为保证电流合适 应加合适的限流电阻 解 由 得 稳压管正常工作的条件 反向击穿 IZmin I IZmax 19 1 3双极型晶体管 三极管是由两个PN结构成的具有电流放大作用和开关作用的半导体器件 1 基区很薄2 发射区掺杂浓度 基区掺杂浓度3 集电区尺寸 发射区尺寸 集电区掺杂浓度 发射区掺杂浓度 NPN型 晶体管的结构及类型 结构特点 20 PNP型 21 1 3 2晶体管的电流放大作用 概念 1 放大的对象是变化量 2 放大是指对能量的控制作用 输入端输入一个小的变化量 控制能量使输出端产生一个大的变化量 能量来自电源 放大的含义 22 基本共射放大电路 uI是输入的小信号 接在基极 发射极回路 称为输入回路 放大后的信号uO在集电极 发射极回路 称为输出回路 输入和输出回路以发射极为公共端 故称为共发射极电路 23 1 3 3晶体管的共射特性曲线 一 输入特性曲线 开启电压与导通电压的概念同二极管 讨论各种偏置状态下 各极电流和电压的关系 24 二 输出特性曲线 取IB IB3 起始部分很陡 UCE 1V后 较平坦 原因 UCE较小时 UCE增加 集电区收集能力增强 使IC增强 UCE 1V后 集电区收集能力足够大 IC不再增强 IB取不同的值 可得到一组曲线 原因 相同UCE下 IB增加 IC增加 曲线上移 25 从输出特性曲线看 晶体管有三个工作区域 26 晶体管的开关作用 开关断开 开关闭合 相当于 发射结反偏或零偏 集电结反偏 发射结正偏 集电结正偏 27 例1 3 1 测得电路中各晶体管各极的电位 且已知各管的Uon 0 5V 判断各管的工作状态 放大 饱和 放大 截止 28 关于PNP型管子及其电路 在放大工作区时 要满足发射结正偏 集电结反偏的条件 VBB VCC的极性应如图所示 与NPN型三极管相反 电流实际方向如图所示 电位高低如图所示 29 归纳 发射结正偏 集电结反偏 放大 发射结正偏 集电结正偏 饱和 发射结反偏 集电结反偏 截止 开启电压 硅管Uon 0 5V 锗管Uon 0 1V 放大 UBE Uon Vc Vb Ve 饱和 Vb Vc Ve 截止 UBE Uon NPN型 PNP型 放大 UEB Uon Ve Vb Vc 饱和 Ve Vc Vb 截止 UEB Uon 30 例习题1 15 测得放大电路中晶体管的直流电位如图所示 画出管子 并说明它们是硅管还是锗管 是NPN型还是PNP型 解 先找出基极 基极电位处于中间 再找出发射极 与基极电位相差0 7V或0 2V 剩下的即集电极 NPN型管集电极电位最高 基极次之 发射极最低 PNP型管发射极电位最高 基极次之 集电极最低 硅管发射结电压为0 7V 锗管发射结电压为0 2V 硅管 硅管 31 例习题1 19 判断图中晶体管是否有可能工作在放大状态 发射结正偏且 Uon 集电结反偏 发射结反偏 集电结零偏 有可能 无可能 解 32 1 4场效应管 场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件 其作用有放大 开关 可变电阻 特点 输入电流很小 耗能小 输入电阻很大 便于集成 33 1 4 1结型场效应管 34 一 结型场效应管的工作原理 1 uDS 0 uGS对导电沟道的控制作用 结论 uGS变化 会引起导电沟道宽度的变化 由于PN结反偏 故栅极电流为0 为使N沟道结型场效应管正常工作 应在其栅源之间加负向电压 即uGS0 以形成漏极电流iD 35 二 结型场效应管的特性曲线 36 特点 uDS变化 iD基本不变 UGS不同 iD不同 恒流区 变阻区和恒流区的界限 uDS uGS UGS off 即uGD UGS off uDS iD 4V O 3V 2V 1V UGS 0 可变电阻区 夹断区 预夹断轨迹 恒流区 击穿区 uDS uGS UGS off 37 38 由输出特性曲线 可得转移特性曲线 UGS off uGS 0 iD 0 且uGS越负 iD越小 在恒流区 uDS变化时 iD几乎不变 故不同的UDS对应曲线几乎重合 只画一条即可 当uGS UGS off 时 全夹断 iD 0 uGS 0对应的电流为IDSS 2 转移特性曲线 恒流区iD与uGS的关系曲线 39 1 4 2绝缘栅场效应管 又称MOS管 一 N沟道增强型MOS管 40 一 工作原理 41 42 当uDS uGD UGS th 时 d端反型层消失 沟道被夹断 称为预夹断 因S端未被夹断 43 二 特性曲线与电流方程 输出特性曲线与结型类似 分为三个区 不同之处在于开启电压 0 转移特性曲线与结型形状类似 但在第一象限 因开启电压 0 输出特性曲线 转移特性曲线 IDO 44 二 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管 情况与增强型类似 不同的只是开启电压不同 增强型UGS th 0 耗尽型UGS off 0 uGSUGS off 时 在ds间加正压 有电流iD产生 45 三 P沟道场效应管 开启电压 结型场效应管 UGS off 0 增强型MOS管UGS th 0 46 例 P沟道结型场效应管的特性曲线 特性曲线 在电流 电压参考方向一致的情况下 将N沟道对应曲线旋转180度即得 47 同样可得增强型MOS管 耗尽型MOS管的特性曲线如图1 4 13 48 49 解 1 uI 0时 uGS 0V uGS th 4V 全夹断 iD 0 uO 15V 2 uI 8时 在恒流区 iD 1mA uO VDD iDRD 15 1 5 10V 3 uI 10时 uGS 10V 在恒流区 iD 2 2mA uO VDD iDRD 15 2 2 5 4V 例 电路如图示 管子的输出特性曲线如图示 分析uI为0 8 10V三种情况下uO分别为多少伏 iD 50 但实际上 uGS 10V时对应的预夹断电压为uDS uGS uGS th 10 4 6V说明管子未产生预夹