半导体器件概述.ppt

1 1 1半导体及PN结 三 PN结的击穿 齐纳击穿 雪崩击穿 1 1 1半导体及PN结 1 1 1半导体及PN结 四 PN结电容 势垒电容CB 耗尽层中的电荷量随外加电压的变化而变化形成的电容效应 电容CB的特点 B CB为非线性电容 反偏电压越高 CB越小 正偏电压越高 CB越大 1 1 1半导体及PN结 扩散电容CD 电容CD的特点 B CD为非线性电容 反偏时 CD很小 可忽略 正偏电压越高 CD越大 外加正向偏压的变化引起PN结两侧区域内积累电荷量的变化 形成的电容效应 1 1 1半导体及PN结 PN结电容的高频等效 其中 rj PN结电阻 Cj PN结电容 CB CD 正偏时 rj较小 cj较大 主要是CD 反偏时 rj较大 cj较小 主要是CB 二 伏安特性 1 1 2二极管的基本特性 三 二极管的开关特性 1 1 2二极管的基本特性 二极管在正向导通与反向截止两中状态之间的转换过程 一 反向恢复过程 tre ts tt反向恢复时间 1 1 2二极管的基本特性 二 反向恢复过程形成的原因 由于扩散电容效应 PN结加正向电压时 扩散电流 注入P区的少子 电子 在P区有浓度差 越靠近PN结浓度越大 即在P区有电子的积累 同理 在N区有空穴的积累 正向电流大 积累的电荷多 当PN结由正偏突变为反偏时 两侧的少子的积累并不马上消失 在反向电场的作用下 一方面与多子复合 另一方面将漂移到原来的区域 即N区的空穴漂移到P区 而P区的电子被拉到N区 此时PN结电阻很小 与RL相比可忽略 因而有较大的反向电流IR 三 二极管的开通时间 二极管从反向截止转为正向导通的时间 很小可忽略 一 电路模型 1 1 3二极管的电路模型及主要参数 一 理想模型 二 直流恒压模型 二极管 死区电压 0 5V 正向压降 0 7V 硅二极管 理想二极管 死区电压 0 正向压降 0 二极管的应用举例 二极管半波整流 1 1 3二极管的电路模型及主要参数 二 三极管内部载流子的传输过程 1 2 1三极管的基本工作原理 1 2 2三极管的基本特性 三 三极管的开关特性 当输入uI为低电平 使uBE Uth 死区电压 时 三极管截止 iB 0 iC 0 C E间相当于开关断开 三极管关断的条件和等效电路 IC sat A O iC M N T 负载线 饱和区 放大区 截止区 三极管截止状态等效电路 uCE UCE sat IB sat S uI UIL 一 开关作用 1 2 2三极管的基本特性 IC sat A uCE UCE sat O iC M N IB sat T S 饱和区 放大区 截止区 uI UIH 三极管开通的条件和等效电路 当输入uI为高电平 使iB IB sat 三极管饱和 uCE UCE sat 0 3V 0 C E间相当于开关合上 三极管饱和状态等效电路 1 2 2三极管的基本特性 iB愈大于IB Sat 则饱和愈深 由于UCE Sat 0 因此饱和后iC基本上为恒值 iC IC Sat 1 2 2三极管的基本特性 二 三极管的开关时间 uI从UIL正跳到UIH时 三极管将由截止转变为饱和 iC从0逐渐增大到IC sat uC从VCC逐渐减小为UCE sat uI从UIH负跳到时UIL 三极管不能很快由饱和转变为截止 而需要经过一段时间才能退出饱和区 1 2 2三极管的基本特性 uI正跳变到iC上升到0 9IC sat 所需的时间ton称为三极管开通时间 通常工作频率不高时 可忽略开关时间 而工作频率高时 必须考虑开关速度是否合适 否则导致不能正常工作 uI负跳变到iC下降到0 1IC sat 所需的时间toff称为三极管关断时间 通常toff ton 开关时间主要由于电荷存储效应引起 要提高开关速度 必须降低三极管饱和深度 加速基区存储电荷的消散 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 当USB 2V时 IB 0 IC 0 IC最大饱和电流 Q位于截止区 1 2 2三极管的基本特性 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 IC ICmax 2mA Q位于放大区 USB 2V时 1 2 2三极管的基本特性 USB 5V时 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 Q位于饱和区 此时IC和IB已不是 倍的关系 1 2 2三极管的基本特性 2 集电极 基极反向饱和电流ICBO ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流 受温度的变化影响 1 2 3三极管的主要参数及电路模型 B E C N N P ICEO 1 ICBO 3 集电极 发射极反向饱和电流ICEO ICEO受温度影响很大 当温度上升时 ICEO增加很快 所以IC也相应增加 三极管的温度特性较差 1 2 3三极管的主要参数及电路模型 ICEO 6 集电极最大允许功耗PCM 集电极电流IC流过三极管 所发出的焦耳热为 PC ICUCE 必定导致结温上升 所以PC有限制 PC PCM ICUCE PCM 安全工作区 1 2 3三极管的主要参数及电路模型 二 电路模型 1 直流模型 1 2 3三极管的主要参数及电路模型 条件 工作在放大区 rCE很大 一般忽略 应用 分析直流静态工作点 2 混合 模型 1 2 3三极管的主要参数及电路模型 a 物理模拟电路 rbb 为基区体电阻 rbb 100 300 rb e为发射结电阻 其实为从基极看进去的等效PN结电阻 Cb e为发射结电容 含 和 但因发射结正偏 故主要为扩散电容 手册上常用C rb c为集电结电阻 但因发射结反偏 故很大 往往可忽略 1 2 3三极管的主要参数及电路模型 b 混合 型 Cb c为集电结电容 因集电结反偏 故主要为势垒电容 手册上常用C gmub e为等效受控电流源 反映三极管的放大能力 gm为跨导或互导 rce为极间电阻 其数值很大 在许多场合可忽略 3 常用的简化 模型 1 2 3三极管的主要参数及电路模型 a 忽略rb c和rce后的简化混合 模型 b 忽略Cb c和Cb e后的低频简化 模型 1 2 3三极管的主要参数及电路模型 因而三极管的低频等效模型也可如下图表示 由上图可得 ic gmub e 又ub e ib rb e ic ib 所以 gm rb e 或gm rb e IE 1 UT 38 5IEQ mS 38 5ICQ mS 1 3半导体场效应管 1 3 1结型场效应管 1 3 3场效管的主要参数及电路模型 1 3 2绝缘栅场效应管 1 3 1结型场效应管 场效应管与双极型晶体管不同 两种载流子参于导电 多数载流子参于导电 电流控制电流 电场 电压 控制电流 场效应管的分类 一 结构 1 3 1结型场效应管 导电沟道 两边是高浓度P区 基底 N型半导体 N沟道结型场效应管 S源极 N沟道结型场效应管 1 3 1结型场效应管 S源极 P沟道结型场效应管 1 3 1结型场效应管 二 工作原理 以N沟道为例 UDS 0V时 UGS 1 3 1结型场效应管 PN结反偏 UGS越大则耗尽区越宽 导电沟道越窄 UDS 0V时 1 3 1结型场效应管 UDS 0V时 1 3 1结型场效应管 0 UGS UGS off 且UDS 0 UDG UGS off 时 1 3 1结型场效应管 由于UDG UGS off 导电沟道未被夹断 这时 导电沟道如同电阻 ID随着UDS增大而增大 1 3 1结型场效应管 预夹断以后 随着UDS增大 虽然夹断区变长 但夹断区场强也增大 所以电流ID基本不随UDS的增加而增加 呈恒流特性 1 3 1结型场效应管 1 3 1结型场效应管 三 特性曲线 N沟道为例 输出特性曲线 1 3 1结型场效应管 转移特性曲线 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 3 1结型场效应管 一 结构和电路符号 N沟道增强型 1 3 2绝缘栅场效应管 MOS 金属 氧化物 半导体 N沟道耗尽型 1 3 2绝缘栅场效应管 P沟道增强型 1 3 2绝缘栅场效应管 P沟道耗尽型 N P G S D 予埋了导电沟道 1 3 2绝缘栅场效应管 P 二 MOS管的工作原理 以N沟道增强型为例 1 3 2绝缘栅场效应管 UGS 0时 D S间相当于两个反接的PN结 ID 0 UGS 0 UDS 0时 感应出电子 UGS th 称为开启电压 1 3 2绝缘栅场效应管 导电沟道相当于电阻将D S连接起来 UGS越大此电阻越小 1 3 2绝缘栅场效应管 UGS UGS th UDS 0且UGD UGS th 时 由于iD沿沟道产生压降使沟道各点与G之间的电压不等 靠近D区的导电沟道变窄 1 3 2绝缘栅场效应管 UGS UGS th UDS 0且UGD UGS th 时 当UDS增大到使UGD UGS th 时 出现预夹断 1 3 2绝缘栅场效应管 UGS UGS th UDS 0且UGD UGS th 时 当UDS增大到使UGD UGS th 时 夹断区延长 电阻增大与UDS增大抵消 沟道电流基本不变 UGS 0 1 3 2绝缘栅场效应管 输出特性曲线 预夹断轨迹 三 增强型N沟道MOS管的特性曲线 1 3 2绝缘栅场效应管 转移特性曲线 四 耗尽型N沟道MOS管的特性曲线 耗尽型的MOS管UGS 0时就有导电沟道 加反向电压才能夹断 转移特性曲线 0 ID UGS UGS off 1 3 2绝缘栅场效应管 IDSS 输出特性曲线 UGS 0 UGS 0 UGS 0 1 3 2绝缘栅场效应管 1 3 3场效应管的主要参数及电路模型 一 主要参数 1 直流参数 夹断电压UGS off 耗尽型管子的参数 UDS一定时 漏极电流约为零时的UGS值 开启电压UGS th 增强型管子的参数 UDS一定时 漏极电流略大于零时的UGS值 饱和漏极电流IDSS 耗尽型管子的参数 UGS 0 UDS大于UGS off 时 对应的漏极电流 直流输入电阻RGS 结型场效应管 反偏时RGS大于107 而绝缘栅场效应管 RGS大于109 1 3 3场效应管的主要参数及电路模型 低频跨导gm 低频跨导反映了uGS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rds 2 交流参数 极间电容 栅源电容Cgs 栅漏电容Cgd和漏源电容Cds 1 3 3场效应管的主要参数及电路模型 3 极限参数 最大漏极功耗PDM 最大漏源电压V BR DS 最大栅源电压V BR GS 最大漏极电流IDM 1 3 3场效应管的主要参数及电路模型 二 电路模型 近似等效原则 当工作在小信号模式下 用一线性的电路模型来替代原非线性电路 1 3 3场效应管的主要参数及电路模型 b 场效应管低频微变等效电路模型 c 场效应管简化低频微变等效电路模型 1 4集成运算放大器 1 4 1集成运放的基本特性 1 4 2理想运算放大器 1 4 1集成运放的基本特性 一 基本符号及定义 集成电路 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上 集成电路的优点 工作稳定 使用方便 体积小 重量轻 功耗小 集成电路的分类 模拟集成电路和数字集成电路 小 中 大 超大规模集成电路 集成运算放大器 模拟集成电路的一种 具有较高放大倍数的多级直接耦合放大电路 1 4 1集成运放的基本特性 运算放大器的符号 反相输入端 同相输入端 输出端 直流电源正端 直流电源负端 1 4 1集成运放的基本特性 二 运算放大器中的几个基本概念 差模信号 共模信号 则有 uo 1 4 1集成运放的基本特性 根据上式电路等效成如图右 由电路叠加原理得 其中 开环差模电压放大倍数 开环共模电压放大倍数 1 4 2理想运算放大器 共模抑制比 运放的特性 极高的差模放大倍数和共模抑制比 在非精密运算时 可认为KCMR 极高的差模输入电阻rid和共模输入电阻ric 在非精密运算时 可将输入端看做开路而没有输入电流 极小的输出阻抗 1 4 1集成运放的基本特性 理想运放 将集成运算放大器的各项技术指标理想后的器件 rid ric 一 理想运放的技术指标 理想运放的主要技术指标 Aod Aoc 0 ro 0 KCMR 1 4 1集成运放的基本特性