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第一章常用半导体器件 1 1半导体基础知识 1 2半导体二极管 1 3晶体三极管 1 4场效应管 作业 1 3 1 4 1 9 1 12 1 15 1 16仿真练习题 习题1 17 1904年电子管问世 电子管 晶体管 集成电路比较 电子技术的发展很大程度上依赖于电子元器件的发展电子管 半导体管 集成电路 1 1半导体基础知识 一 本征半导体 二 杂质半导体 三 PN结的形成及其单向导电性 四 PN结的电容效应 一 本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体 1 什么是半导体 导体 绝缘体 半导体 Si Ge GaAs等 还有哪些半导体菜鸟 导电性能会随温度 光照或掺入某些杂质而发生显著变化 Si和Ge的4个价电子 2 本征半导体的结构 共价键 本征激发 自由电子空穴原子因失去一个价电子而带正电 这个带正电的 空位 叫空穴 本征激发半导体在外界 热或光或其他 激发下 产生自由电子空穴对的现象 3 本征半导体中的两种载流子 可以自由运动的带电粒子称为载流子 导体导电只有一种载流子 即自由电子导电 半导体具有极性相反的两种载流子 自由电子和空穴 空穴导电 当有电场作用时 价电子定向填补空位 使空位作相反方向的移动 这与带正电荷的粒子作定向运动的效果完全相同 为了区别于自由电子的运动 我们就把价电子的运动虚拟为空穴运动 方向相反 认为空穴是一种带正电荷的载流子 4 本征浓度 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度载流子复合 自由电子与空穴在热运动中相遇 使自由电子空穴对消失的现象 载流子的动态平衡 在一定温度下 单位时间内本征激发所产生地自由电子空穴对的数目与复合而消失的自由电子空穴对的数目相等 就达到了载流子的动态平衡状态 使本征半导体中载流子的浓度一定 本征载流子的浓度 室温下本征载流子浓度ni和原子密度本征载流子浓度原子密度Si1 43 1010cm 35 0 1022cm 3Ge2 38 1013cm 34 4 1022cm 3本征半导体导电性能很差Ge的热稳定性比Si差 如何提高导电能力 1 N 电子 型半导体 掺入少量的 族元素 如磷 砷 锑等 后 形成的杂质半导体称为N型半导体 多出一个价电子只能位于共价键之外 极易成为 自由电子 二 杂质半导体 施主原子 杂质原子 带正电 施主原子 不能自由移动不能参与导电多数载流子 多子 自由电子 近似等于杂质浓度 少数载流子 少子 空穴 低于本征浓度 N型半导体带负电吗 2 P 空穴 型半导体 掺入少量 族元素 如绷 铝和铟等 后形成的杂质半导体称为P型半导体 共价键因缺少一个价电子而出现一个 空位 受主原子 杂质原子 带负电 受主原子 不能自由移动不能参与导电 多数载流子 多子 空穴 近似等于杂质浓度 少数载流子 少子 自由电子 低于本征浓度 整体呈电中性 3 杂质半导体的载流子浓度 多子浓度与杂质浓度近似相等 与温度无关 少子浓度是温度的敏感函数 三 PN结的形成及其单向导电性 1 半导体中的两种电流漂移电流在外电场作用下 半导体中的载流子定向漂移运动形成的电流 扩散电流因载流子浓度差而产生的载流子宏观定向运动形成的电流 P区空穴浓度远高于N区 N区自由电子浓度远高于P区 多子扩散使得交界面附近 P区为负离子区 N区为正离子区 形成空间电荷区 产生内建电场 2 PN结的形成 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 少子漂移 内建电场使空穴从N区向P区 自由电子从P区向N区运动 同时阻止多子的扩散 耗尽层 阻挡层 势垒层 PN结加正向电压导通 耗尽层变窄 扩散运动加剧 由于外电源的作用 形成扩散电流 PN结处于导通状态 PN结加反向电压截止 耗尽层变宽 阻止扩散运动 有利于漂移运动 形成漂移电流 由于电流很小 故可近似认为其截止 不导通 3 PN结的单向导电性 必要吗 四 PN结的电容效应 了解 1 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 2 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 why 由于Cj的存在 若PN结外加电压频率高到一定程度 则失去单向导电性 问题 N型半导体带负电吗 为什么半导体器件的温度稳定性差 是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素 为什么半导体器件有最高工作频率 2半导体二极管 一 二极管的组成 二 二极管的伏安特性及电流方程 四 二极管的等效电路 三 二极管的主要参数 五 稳压二极管 一 二极管的组成 将PN结封装 引出两个电极 就构成了二极管 小功率二极管 大功率二极管 稳压二极管 发光二极管 点接触型 结面积小 结电容小 故结允许的电流小 最高工作频率高 面接触型 结面积大 结电容大 故结允许的电流大 最高工作频率低 平面型 结面积可小 可大 小的工作频率高 大的结允许的电流大 二 二极管的伏安特性及电流方程 开启电压 反向饱和电流 击穿电压 UT kT q温度的电压当量 二极管的电流i与其端电压u的关系称为伏安特性 齐纳击穿 雪崩击穿 电击穿 热击穿 二极管的伏安特性曲线 二极管实际测试曲线 正向特性为指数曲线 反向特性为横轴的平行线 1 单向导电性 2 伏安特性受温度影响 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 增大1倍 10 三 二极管的主要参数 选择和使用管子的依据 最大整流电流IF 最大正向电流平均值最大反向工作电压UR 击穿电压的一半反向电流IR 即IS 越小越好 最高工作频率fM 因PN结有电容效应 含二极管电路的分析 非线性伏安关系 代数法 求解非线性方程组 几何法 图解法 模型法 近似线性法用线性元件模拟非线性器件 计算复杂 必须借助计算机 粗糙 必须知道伏安关系曲线 方便 可以利用线性电路分析方法 如何模型化 根据伏安关系 四 二极管的等效电路 模型 理想开关模型 近似分析中最常用 折线近似模型 应根据V和Uon的相对大小选择不同的等效电路 1 将伏安特性折线化 直流模型 100V或5V 恒压源模型 最准确 应用 如何判断电路中二极管的工作状态 处理原则 1 将二极管两端断开 求出其两端的正向电压 2 二极管正向电压大于等于导通电压则导通 反之则截止 3 若电路中存在多只二极管 则正向电压大的优先导通 例1 2 1p22 例 已知二极管的导通电压为0 7V 求UO 1 3V 2 二极管的微变等效电路 交流等效 Q点越高 rd越小 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时 则可将二极管的交流特性等效为一个电阻 称为动态电阻 也就是说二极管的微变等效电路就是一个动态电阻 ui 0时仅有直流电源作用的静态工作点Q点 交流小信号 静态电流 交流小信号 二极管动态电阻的分析例 已知二极管导通电压UD 0 7V V 2V R 500 UT 26mV ui为正弦波 其有效值为10mV 求二极管中的交流电流有效值 分析方法 1 画出直流等效电路 分析静态电流和电压 即Q点 2 求出Q点下的动态电阻 3 画出交流等效电路 计算交流参数 解 1 ID V UD R 2 6mA 2 动态电阻rd UT ID 10 直流等效电路直流激励信号为零 交流等效电路交流激励信号为零 3 动态电流有效值Id Ui rd R 0 02mA 例 已知二极管导通电压UD 0 7V V 2V R 500 UT 26mV ui为正弦波 其有效值为10mV 求二极管中的交流电流有效值 交流信号叠加在直流上 五 稳压二极管 1 伏安特性 进入稳压区的最小电流 不至于损坏的最大电流 由一个PN结组成 反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变 可以稳定电压 2 主要参数 稳定电压UZ 稳定电流IZ 最大功耗PZM IZMUZ 动态电阻rz UZ IZ 若稳压管的电流太小则不稳压 若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏 因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻 大小 限流电阻 斜率 3 稳压电路分析断开稳压管 求出稳压管两端反向电压 当两端反向电压大于稳压管稳定电压时 稳压管可稳定电压 反之 稳压管截至 若是正向电压 稳压管导通 若有多个稳压管 稳定电压低者先稳压 例 Dz1和Dz2为稳压管 且具有理想特性 其稳定电压分别为13V和6V 求输出电压Vo 解 断开Dz1和Dz2 则UDz1 UDz2 15V 两个稳压管都可稳压 由于Dz2稳定电压低 Dz2先稳压 此时Vo 6V UDz1 12V 因为UDz1 UZ1 故UDz1截至 Vo 6V 若UZ1 10V Vo 例1 2 2 自学 发光二极管正向电压大于导通电压时发光 同时有导通电流的要求 1 3晶体三极管 一 晶体管的结构和符号 二 晶体管的放大原理 三 晶体管的共射输入特性和输出特性 四 温度对晶体管特性的影响 五 主要参数 一 晶体管的结构和符号 多子浓度高 多子浓度很低 且很薄 面积大 晶体管有三个极 三个区 两个PN结 放大条件 内部条件 结构 外部条件 偏置 中功率管 大功率管 二 晶体管的放大原理 共射 扩散运动形成发射极电流IE 复合运动形成基极电流IB 漂移运动形成集电极电流IC 少数载流子的漂移 因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区 因基区薄且多子浓度低 使极少数扩散到基区的电子与空穴复合 因集电区面积大 在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区 基区空穴的扩散 共射电路电流分配IE IB IC 穿透电流 共射直流电流放大系数 为什么基极开路集电极回路会有穿透电流 BJT是电流控制型器件 共射交流电流放大系数 集电结反向饱和电流 忽略IEP 忽略ICBO 注意电流方向及大小 共基直流电流放大系数 共基交流电流放大系数 思考 习题 1 8 三 晶体管的共射输入特性和输出特性 为什么UCE增大曲线右移 对于小功率晶体管 UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线 为什么像PN结的伏安特性 为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了 1 输入特性 iB受uBE控制 所以BJT既是电流控制型器件 也是电压控制型器件 2 输出特性 对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线 为什么uCE较小时iC随uCE变化很大 为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线 饱和区 放大区 截止区 晶体管的三个工作区域 晶体管工作在放大状态时 输出回路的电流iC几乎仅仅决定于输入回路的电流iB 即可将输出回路等效为电流iB控制的电流源iC 关于两种BJT工作状态的总结 NPNPNP截至区UBE 0UBC 0 UB最小 UB最大 放大区UBE 0UBC0UC UB UE UB居中 UC0UBC 0UBE 0UBC 0 UB最大 UB最小 应用 三极管工作状态的判断 例 测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下 试判别管子工作在什么区域 1 UC 6VUB 0 7VUE 0V 2 UC 6VUB 3VUE 3 6V 3 UC 3 6VUB 4VUE 3 4V 放大区截止区饱和区 若是PNP管 结果如何 例 测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1 U2 U3分别为 1 U1 3 5V U2 2 8V U3 12V 2 U1 3V U2 2 8V U3 12V 3 U1 6V U2 11 3V U3 12V 4 U1 6V U2 11 8V U3 12V判断它们是NPN型还是PNP型 是硅管还是锗管 并确定e b c 1 U1b U2e U3cNPN硅 2 U1b U2e U3cNPN锗 3 U1c U2b U3ePNP硅 4 U1c U2b U3ePNP锗 NPN管UBE 0 UBC 0 即UC UB UE PNP管UBE 0 UBC 0 即UC UB UE 先找出B极 电压居中 再找出E极 UBE略等于0 2或0 7V 若等于0 6 0 7V 为硅管 若等于0 2 0 3V 为锗管 解 例 电路如图所示 VCC 15V 100 发射结导通电压UBE 0 7V 试问 1 Rb 50k 时 uO 2 若T临界饱和 则Rb 解 1 假设晶体管为放大状态 Rb 50k 时 基极电流 集电极电流和管压降分别为 集电结反偏 假设成立 所以输出电压UO UCE 2V 2 设临界饱和时UCES UBE 0 7V 所以 若Rb 45 4k T是什么工作状态 四 温度对晶体管特性的影响 五 主要参数 选管依据 直流参数 ICBO ICEO c e间击穿电压 最大集电极电流 最大集电极耗散功率 PCM iCuCE Constant 安全工作区 交流参数 fT 使 1的信号频率 极限参数 PCM ICM U BR CEO ICBO ICEO尽可能小 大小适中 U BR CEO VCC 选择晶体管的依据 例1 3 2p38 由图示特性求出PCM ICM U BR CEO uCE 1V时的iC就是ICM U BR CEO 讨论 作业 1 31 41 61 91 111 12思考 自测题 三 四 小结三极管有NPN型PNP型 有硅管和锗管 三极管有二个PN结 三个电极 三个区域 这是三极管具有电流放大作用的内部依据 三极管进行放大时的外部条件 发射结正偏 集电结反偏 三极管各极电流的关系为IE IB IC 在放大区IC IB 三极管的输出特性曲线有截止区 放大区和饱和区 温度对三极管的参数有很大影响 使用三极管时 不能超过其极限参数值 1 4场效应管 场效应晶体管 FET FieldEffectTransistor 特性 单极性晶体管 多数载流子导电 电压控制器件 优点 工作频率高 开关速度快 体积小 功耗低 工艺简单 集成度高 输入阻抗高 大电流下跨导基本不变 温度稳定性好 线性好 噪声低 分类 MOSFET 金属 氧化物 半导体FET Metal Oxide SemiconductorFET JFET 结型FET JunctionFET 应用 MOSFET应用最广泛 特别是增强型MOSFET 概述 增强型 N沟道型 P沟道型耗尽型 N沟道型 P沟道型沟道 FET的电流通道 d s之间 虚线表示沟道在施加外电压后才形成 增强型实线表示沟道在施加外电压前就存在 耗尽型箭头朝里表示N沟道 自由电子导电 箭头朝外表示P沟道 空穴导电 一 绝缘栅型场效应管 1 N沟道增强型MOSFET 1 结构 三端器件 三极 B 衬底 基体 P型半导体 S 源极 E 发射极 N 型半导体 D 漏极 C 集电极 N 型半导体 G 栅极 B 基极 通常 S和B连接在一起 沟道长度L 0 5 m的MOSFET就是指它的沟道长度为0 5 m 沟道宽度W W L较大 则电压增益也较大 W为L的1000倍是常见的 2 工作原理 uGS增大到一定值 开启电压UGS th 时 形成导电沟道 uGS增大 反型层 导电沟道 将变厚 沟道电阻减小 反型层 沟道 大到一定值才开启 uGS 0时 漏源之间无电流 uGS 0时 uDS 0 因为沟道只有在栅极与源极之间施加一定电场后 uGS UGS th 才形成 所以这种场效应管称为增强型MOSFET 栅极与源极电压越大 沟道越厚 形成的漏源电流就越大 uGS控制电流 因为栅极通过氧化物或绝缘体与沟道隔离 所以栅极与源极之间没有电流 RGS iGS 0 iD iS 综上所述 场效应管是利用栅极与源极之间的电压控制漏源电流的元件 uDS对iD的影响 uGS UGS th 且不变时 用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区 N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么 iD随uDS的增大而线性增大的区域称可变电阻区 但靠近漏极的沟道厚度会逐渐变窄 uGD UGS th 预夹断 iD几乎不变 仅受控于uGS 称为恒流区 刚出现夹断 uDS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻 UGS th 3 特性曲线 输出特性曲线 夹断区 uGSUGS th uDSUGS th uDS uGS UGS th 预夹断轨迹 uDS uGS UGS th 注意与BJT管三个区域特性的比较 转移特性曲线 场效应管工作在恒流区 因而uGS UGS th 且uGD UGS th 开启电压 低频跨导 gm用来衡量FET的放大能力 是FET的特征参数 具有电导的量纲 例1 4 2电路及FET的输出特性曲线如图所示 分析uI为0V 8V和10V时uO分别为多少 N沟道增强型MOS管 开启电压为4V 0V 夹断区8V 恒流区10V 可变电阻区 2 N沟导耗尽型MOS管 耗尽型MOS管在uGS 0 uGS 0 uGS 0时均可导通 由于SiO2绝缘层的存在 在uGS 0时仍保持g s间电阻非常大的特点 加正离子 小到一定值才夹断UGS off 0 uGS 0时就存在导电沟道 三个区域的偏置条件与N沟道增强型MOS管一样 MOS管的特性 N沟道 1 增强型MOS管 2 耗尽型MOS管 开启电压 夹断电压 3 P沟道增强型场效应管 空穴导电 N型衬底 两个P 区 开启电压UGS th UGS th 恒流区 uDS uGS UGS th uGS uGS th 漏极电流表达式与N沟道增强型一样 只不过 电流为负 4 P沟道耗尽型场效应管 空穴导电 N型衬底 两个P 区 夹断电压UGS off 0uGS可正 可负 可为0 uDSUGS off 恒流区 uDS uGS UGS off uGS UGS off 漏极电流表达式与P沟道增强型一样 只不过 电流为负 N沟道增强型 N沟道耗尽型 P沟道增强型 P沟道耗尽型 二 N沟道结型场效应管 符号 结构示意图 导电沟道 只有PN结反偏 即uGS 0时 才有可能减小沟道宽度到夹断 1 栅 源电压对导电沟道宽度的控制作用 沟道最宽 uGS可以控制导电沟道的宽度 为什么g s必须加负电压 uGS UGS off 2 漏 源电压对漏极电流的影响 uGS UGS off 且不变 VDD增大 iD线性增大 预夹断 uGD UGS off VDD的增大 几乎全部用来克服沟道的电阻 iD几乎不变 进入恒流区 iD几乎仅仅决定于uGS 场效应管工