《电子线路基础》PPT课件.ppt

第1章半导体器件 1 1半导体的基础知识1 2PN结与晶体二极管1 3特殊二极管1 4晶体三极管1 5场效应晶体管 1 1半导体的基础知识 1 1 1本征半导体1 1 2杂质半导体 半导体之所以受到人们的高度重视 并获得广泛的应用 是由于它具有其他物体所没有的独特性质 具体表现在以下3个方面 1 掺杂性 2 热敏性 3 光敏性 1 1 1本征半导体本征半导体是指纯净的 不含杂质的半导体 在近代电子学中 用得最多的半导体是硅和锗 它们都是四价元素 原子最外层有4个价电子 硅和锗的原子结构示意图如图1 1所示 图1 1原子结构示意图 a 硅 b 锗 在硅和锗等半导体材料中 内部原子排列是有规律的 即为晶体结构 晶体硅 或锗 的原子排列示意图如图1 2 a 所示 每个硅原子受邻近4个原子的束缚 组成4个共价键 共价键像纽带一样将排列整齐的原子联结起来 如图 b 所示 图1 2硅晶体结构和共价键结构示意图 a 晶体结构 b 共价键结构 1 1 2杂质半导体1 N型半导体2 P型半导体 图1 3N型半导体的共价键结构 图1 4P型半导体的共价键结构 1 1 3载流子的运动方式及形成的电流1 扩散运动和扩散电流2 漂移运动和漂移电流 1 2PN结与晶体二极管 1 2 1PN结的基本原理1 2 2晶体二极管1 2 3晶体二极管应用电路举例 1 2 1PN结的基本原理1 PN结的形成 图1 5平衡状态下的PN结 a 初始状态 b 平衡状态 c 电位分布 2 PN结的特性PN结在不同的运用状态下表现的特性不同 了解这些特性是理解和使用晶体二极管 三极管的重要依据 1 PN结的单向导电性2 PN结的击穿特性 1 雪崩击穿 2 齐纳击穿 隧道击穿 图1 6PN正向运用 图1 7PN反向运用 3 PN结的电容效应 1 势垒电容CT 势垒电容CT与普通电容不同 它的容量随外加电压的改变而改变 并且不成线性关系 而普通金属板电容器 其容量为一常数 分析表明 1 1 2 扩散电容 PN结正向运用时 除了存在势垒电容以外 还有一种特殊的电容 叫做扩散电容 用CD表示 1 2 1 2 2晶体二极管1 晶体二极管的结构二极管是由PN结 电极引线和管壳构成的 按其结构特点可分为点接触型 面结合型和平面型3大类 如图1 8所示 图1 8二极管结构与符号 1 点接触型二极管如图1 8 a 所示 2 面结合型二极管如图1 8 b 所示 3 平面型二极管如图1 8 c 所示 二极管的符号如图1 8 d 所示 2 晶体二极管的伏安特性 1 正向特性 2 反向特性 3 击穿特性 4 伏安特性 图1 9二极管伏安特性 图1 10温度对二极管特性的影响 a 正向特性 b 反向特性 c 击穿特性 温度升高 门限电压Ur下降 如图1 10 a 所示 一般有 1 3 温度升高时 由于少数载流子增加 使反向饱和电流增大 如图1 10 b 所示 温度每升高10 反向饱和电流约增大一倍 即 1 4 3 伏安特性的数学表达式根据理论分析 二极管的电流与端电压u存在如下关系 1 5 式 1 5 可近似为 1 6a 当u为负值 且满足eu UT 1时 则 1 6b 1 7 4 二极管的主要参数1 性能参数 1 直流电阻RDRD是二极管电压与电流的比值 即 1 8 2 交流电阻rd它是二极管在工作点附近电压微变量与电流微变量之比 即 1 9 rd的数值还可以从二极管的伏安特性表达式中得出 由式 1 5 得 1 10 图1 11二极管直流电阻和交流电阻 a 直流电阻RD b 交流电阻rd 3 势垒电容CT2 极限参数 1 最大允许整流电流IOM 2 最高反向工作电压URM 3 最大允许功耗PDM 5 晶体二极管分析方法图1 12 a 是一二极管电路 我们可以把该电路分成两部分进行考虑 左边是由E和R组成的线性电路 右边是二极管 分析时主要有两种分析方法 图解法和解析法 图1 12二极管电路分析 a 电路 b 图解法 1 图解法二极管的特性曲线如图1 12 b 所示 将图1 12 a 左边的线性电路写成方程为 2 迭代法由式 1 5 的二极管特性方程和式 1 11 联立的方程组可以求出非线性电路的解 但无法直接计算 一般采用迭代法求解 将式 1 11 和式 1 5 改写为 1 11 1 12a 1 12b 单变量的非线性代数方程的一般形式如下 首先对方程的解做一初次猜测值x 0 若它不满足式 1 14 则在x 0 处将f x 展为泰勒级数 1 13 1 14 1 15 1 16 1 17 式 1 17 是个线性方程 只要f x 0 0便可解得 1 18 将x作为方程f x 0的一个一次修正后的近似解 即令 1 19 依此类推 可得第 K 1 次修正后的近似解 1 20 3 折线化近似以上的分析方法都比较繁琐 在工程分析计算中一般将二极管特性曲线作近似处理 使问题得到简化 特性曲线一般有4种折线化近似 如图1 13所示 它们没有考虑击穿区特性 图1 13二极管特性曲线折线近似 1 2 3晶体二极管应用电路举例1 整流电路2 门电路3 二极管限幅电路 图1 14二极管半波整流电路 a 电路 b 输出波形 图1 15二极管门电路 图1 16二极管限幅电路 a 电路 b 波形 1 3特殊二极管 1 3 1稳压管1 3 2光电二极管1 3 3发光二极管1 3 4变容二极管 1 3 1稳压管稳压管的主要参数如下 1 稳定电压UZ 2 稳定电流IZ 3 动态电阻RZ 4 电压温度系数 5 额定功耗PZ 1 21 图1 17稳压管的伏安特性及符号 图1 18稳压管动态电阻 图1 19稳压管等效电路 图1 20示出了稳压管稳压电路 图中稳压管VZ并接在负载RL两端 由图可知 1 22 图1 20稳压管稳压电路 例1 1在图1 20的稳压电路中 稳压管选为2CW14 UZ 6V IZmin 5mA IZmax 33mA R 510 假定输入电压变化范围为18 24V 试确定负载电流的允许变化范围 解 1 计算IRmax和IRmin 2 计算ILmax及ILmin 由于IR IL IZ 当Ui Uimax和IL ILmin时 流过IZ的电流最大 为了使稳压管能安全工作 应使 IZmax IRmax ILmin 当Ui Uimin和IL ILmax时 流过IZ的电流最小 为了稳定输出电压 应使IZmin IRmin ILmax 因此ILmax IRmin IZmin 23 5 5 18 5mA ILmin IRmax IZmax 35 3 33 2 3mA 即IL的允许变化范围为2 3 18 5mA 1 3 2光电二极管光电二极管的性能主要从以下几个方面考虑 1 光谱特性 2 光照特性 3 频率响应 图1 21光电二极管的符号及特性 a 符号 b 光谱特性 c 光照特性 1 3 3发光二极管发光二极管简称LED 通常用化学元素周期表中 族元素的化合物如砷化镓 GaAs 磷化镓 GaP 等制成 其符号如图1 22 a 所示 图1 22发光二极管 a 符号 b 光谱特性 图1 23二极管型光电耦合器 1 3 4变容二极管利用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 其符号及特性如图1 24所示 变容二极管的容量很小 为皮法数量级 所以主要用于高频场合下 例如电调谐 调频信号的产生等 图1 24变容二极管符号及特性 a 符号 b 特性 1 4晶体三极管 1 4 1晶体三极管的结构与符号1 4 2晶体管的放大原理1 4 3晶体三极管特性曲线1 4 4晶体管的运用状态1 4 5晶体管的主要参数1 4 6晶体三极管模型 1 4 1晶体三极管的结构与符号晶体三极管 常称晶体管 是在一块半导体 锗或硅 上通过掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的PN结 并引出3个电极而构成的 如图1 25所示 晶体管有3个区 发射区 发射载流子的区域 基区 传输载流子的区域 集电区 收集载流子的区域 图1 25晶体三极管的结构与符号 1 4 2晶体管的放大作用1 载流子的传输过程1 发射区向基区注入电子2 注入电子在基区边扩散边复合3 集电区收集扩散来的电子4 集电结两边少子的漂移 图1 26晶体三极管工作原理 2 电流关系由三极管内载流子的传输可见 三极管各极电流分别为 1 23 1 24 1 25 1 26 所以 而 IE传输到集电极的电流分量 发射极电流IE 1 27 IE传输到集电极的电流分量 基区复合电流 1 28 利用得到各极电流之间的关系为 由式 1 29 和式 1 32 可以看出 当ICBO很小时有 1 29 1 30 1 31 1 32 1 33 1 34 3 基区非平衡载流子的密度分布 图1 27基区非平衡载流子的密度分布 1 4 3晶体三极管特性曲线三极管特性曲线用来描述晶体管外部各极电流与电压的关系 了解晶体管特性曲线是进行晶体管电路分析的基础 图1 28共发射极接法的输入特性曲线 a 测试原理图 b 输入特性曲线 1 共发射极接法的输入特性曲线共发射极输入特性曲线是指以集电极与发射极输出电压uCE为参变量 输入电流iB与输入电压uBE之间的关系曲线 即 iB f1 uBE uCE 1 35 1 uCE 0时 iB uBE曲线和普通二极管的特性相似 2 uCE 1V时的iB uBE曲线与uCE 0时的曲线相比 特性右移 且不同uCE的曲线基本重合 2 共发射极接法的输出特性曲线输出特性是指以输入基极电流iB为参变量 输出集电极电流iC和集电极与发射极之间输出电压uCE的关系 即 iC f2 iB uCE 1 36 1 截止区2 放大区 常数 1 37 3 饱和区4 击穿区 图1 29共发射极接法的输出特性曲线 图1 30基调效应原理 保持iB不变 图1 31ICEO的形成原理 图1 32饱和时基区非平衡载流子分布曲线 1 4 4晶体管的运用状态 表1 1三极管的四种运用状态 1 4 5晶体管的主要参数1 电流放大系数2 极间反向电流 图1 33测量电路 3 极限参数1 集电极最大允许电流ICM2 反向击穿电压 1 BVCBO 发射极开路时 集电结的反向击穿电压 2 BVCEO 基极开路时 集电极与发射极间反向击穿电压 3 集电极最大允许功耗PCM 1 39 图1 34PCM功耗线 4 温度对晶体管参数的影响 1 温度对ICBO的影响 2 温度对UBEO 对于PNP管 则为UEBO 的影响 3 温度对 的影响 1 40 1 4 6晶体三极管模型1 注入型EM1模型 1 41 IR为反向二极管的参考电流 可表示为 1 42 图1 35注入型EM1模型 由图1 35可知 IC FIF IR 1 43 IE IF RIR 1 44 IB IE IC 1 F IF 1 R IR 1 45 FIES RICS IS 1 46 共发射极正向电流放大系数 共发射极反向电流放大系数 1 47 1 48 2 4种工作状态的简化模型如果令集电极开路 发射结反向偏置 则这时IE IEBO 如果令发射极开路 集电极反向偏置 则这时IC ICBO 利用式 1 39 和 1 40 不难得到 1 49 1 50 于是也可把式 1 41 和 1 42 改写为 1 51 1 52 1 放大区由于集电结反向运用 通常满足UBC 3KT q 所以 将式 1 45 和 1 53 代入式 1 43 得 将式 1 43 和 1 53 带入式 1 41 可得 1 53 1 54 1 55 图1 36放大区模型 图1 37截止区模型 2 截止区由于发射结和集电结都反向偏置 所以 IF IES 1 56 IR ICS 1 57 于是图1 35可改画为图1 37 a 图 b 是它的近似模型 3 饱和区利用式 1 43 1 45 和式 1 51 1 52 不难得到 只要UBE和UBC大于零 就进入饱和区 于是 1 61 1 60 1 59 1 58 图1 38饱和区模型图1 39反向放大模型 4 反向放大区与放大区分析类似 不难得到 1 62 1 63 图1 40理论的晶体管输出特性曲线 例1 2已知如图1 41所示的三极管反相器 所谓反相器即当输入是高电平时 输出是低电平 输入是低电平时 输出是高电平 的参数如下 IES 1 53 10 11mA ICS 3 10 11mA F 0 98 R 0 5 试分析其传输特性 Uo与UI关系曲线 解当UI从零逐渐增大时 三极管由放大区过渡到饱和区 可以通过假设i 计算UO和UI 例如设i 0 5mA 则 图1 41三极管反相器 图1 42反相器放大区模型 图1 43反相器饱和区模型 设输入电压UI 5V时 晶体管处于饱和状态 并假设UBE 0 62V UBC 0 6V 于是 为了证明晶体管处于饱和状态 计算 已知 R 0 5 根据式 1 48 求得 R 1 由式 1 58 和式 1 49 得 由式 1 59 和式 1 51 得 于是得 图1 44反相器传输特性 1 5场效应晶体管 1 5 1结型场效应晶体管 JFET 1 5 2绝缘栅场效应管 IGFET 1 5 3场效应管的参数及特点 1 5 1结型场效应晶体管1 结型场效应晶体管 JFET 的结构图1 45 a 是N沟道结型场效应管的示意图 图1 45N沟道结型场效应管结构与电路 a N沟道结构示意图 b N沟道管电路 c P沟道管电路 2 结型场效应管的工作原理 图1 46JFET放大原理 3 结型场效应管的特性曲线1 输出特性曲线输出特性曲线是一簇uGS固定为不同值时的iD uDS关系曲线 即 1 截止区 2 可变电阻区 3 线性放大区 图1 47JFET输出特性曲线 图1 48uGS UP时的沟道状态 图1 49uDS对耗尽层的影响 a uDG UP b uDG UP 2 转移特性在饱和区 漏源电压一定时 iD随uGS变化的关系曲线称为转移特性 即iD f2 uDS uGS 1 64 图1 50N沟道结型场效应管的转移特性曲线 1 5 2绝缘栅场效应管 IGFET 1 N沟道增强型MOSFET1 N沟道增强型MOSFET的结构 图1 51N沟道增强型MOSFET结构及符号 2 增强型NMOS管的工作原理增强型NMOS管在uGS 0时 两个重掺杂的N 源区和漏区之间被P型衬底所隔开 就好像两个背向连接的二极管 这时不论漏极 源极间加何种极性电压 总有一个PN结处于反向偏置 所以漏极 源极之间只有很小的反向电流通过 可以认为增强型NMOS管处于关断状态 图1 52N沟道的形成 3 增强型NMOS管特性曲线 1 转移特性曲线 增强型NMOS管转移特性如图1 53所示 其主要特点如下 当0 uGS UT时 iD 0 尽管uGS 0 但无栅流 当uGS UT时 导电沟道形成 iD 0 1 65 图1 53增强型NMOS管转移特性曲线 图1 54增强型NMOS管输出特性曲线 图1 55uDS增大时增强型MOS管沟道的变化过程 a uDSuGS UT 4 衬底电位对场效应管特性的影响 图1 56衬底与源极间电压uBS对iD的影响 2 N沟道耗尽型MOSFET增强型NMOS管在uGS 0时 管内没有导电沟道 耗尽型则不同 它在uGS 0时就有导电沟道 它的导电沟道是在制造过程中就形成了的 图1 57耗尽型NMOS管特性曲线 a 转移特性曲线 b 输出特性曲线 3 P沟道绝缘栅场效应管 PMOS PMOS管也有两种 增强型和耗尽型 增强型PMOS管在工作时为了在漏源极之间形成P型沟道 栅源极之间电压uGS必须为负 而且漏源极电压uDS及漏极电流iD也与NMOS管的相反 表1 2各种类型的FET的特性 表1 2各种类型的FET的特性 1 5 3场效应管的参数及特点1 主要参数1 直流参数 1 夹断电压UP uDS固定时 使耗尽型场效应管 JFET MOSFET 漏极电流减小到某一微小值 测试时用iD 1 A 时的栅源电压值 2 开启电压UT uDS固定时 使增强型MOSFET开始导电时的栅源电压值 3 饱和漏极电流IDSS 在uGS 的情况下 对于耗尽型场效应管 当uDS UP 时的iD值 称为饱和漏极电流IDSS 4 直流输入电阻RGS 漏 源极短路时栅极直流电压UGS与栅极直流电流IG的比值称为直流输入电阻RGS