第1章-常用半导体器件.ppt

2020 4 21 本课程的性质 特点 非纯理论性课程 实践性很强 定量计算多 以工程的观点来处理电路中的一些问题 抓主要矛盾 忽略次要矛盾 采用工程近似的方法简化实际问题 允许有一定的误差 10 工程误差 是一门电气类专业基础课 为后续课程打基础 特点 性质 2020 4 21 基本放大电路差分放大电路集成运算放大电路负反馈放大电路功率放大电路 器件 放大电路 二极管三极管 本课程的主要内容 2020 4 21 3 器件电路应用系统 本课程的任务 1 掌握各种功能电路的组成原理及其性能特点 能够对一般性的 常用的电子电路进行分析 同时对简单的单元电路进行设计 2 掌握电子技术的基本理论 基本知识 基本技能 为后续课程打好基础 2020 4 21 建立新概念 确立新的分析方法 重点在于课堂听讲 注重实验环节 先理论分析 后实践 然后再对实验的结果进行探讨 认真复习 练习 本课程的学习方法 2020 4 21 1 模拟电子技术基础 第四版 清华大学童诗白 华成英主编 2 电子技术基础 模拟部分第四版 华中理工大学康华光主编 参考书 3 模拟电子技术基础 华中理工大学陈大钦主编 2020 4 21 4集成运算放大电路 2基本放大电路 1常用半导体器件 3多级放大电路 5放大电路的频率响应 6放大电路中的反馈 7信号的运算与处理电路 8波形的发生和信号的转换 9功率放大电路 10直流稳压电源 2020 4 21 第一章半导体器件基础 1 1半导体基本知识 1 2半导体二极管 1 3半导体三极管 1 4场效应管 1 5单结晶体管和晶闸管 2020 4 21 1 1半导体的基本知识 在物理学中 根据材料的导电能力 可以将他们划分导体 绝缘体和半导体 典型的半导体是硅Si和锗Ge 它们都是4价元素 硅原子 锗原子 硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子 2020 4 21 2020 4 21 本征半导体的共价键结构 束缚电子 在绝对温度T 0K时 所有的价电子都紧紧束缚在共价键中 不会成为自由电子 因此本征半导体的导电能力接近绝缘体 一 本征半导体 本征半导体 化学成分纯净的半导体晶体 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99 9999999 常称为 九个9 物理结构呈单晶体形态 2020 4 21 这一现象称为本征激发 也称热激发 当温度升高或受到光的照射时 束缚电子能量增高 有的电子可以挣脱原子核的束缚 而参与导电 成为自由电子 自由电子 自由电子产生的同时 在其原来的共价键中就出现了一个空位 称为空穴 动画演示1 2020 4 21 电子空穴对的特点 1 由本征激发成对产生由复合运动成对消失 2 数量受温度影响 3 动态平衡时 浓度一定 与本征激发相反的现象 复合 常温300K时 电子空穴对 2020 4 21 自由电子 带负电荷 逆电场运动 电子流 总电流 空穴 带正电荷 顺电场运动 空穴流 本征半导体的导电性取决于外加能量 温度变化 导电性变化 光照变化 导电性变化 导电机制 动画演示2 2020 4 21 多余电子 磷原子 硅原子 多数载流子 自由电子 少数载流子 空穴 施主离子 自由电子 电子空穴对 二 杂质半导体 在本征半导体中掺入微量特定元素的半导体称为杂质半导体 1 N型半导体 掺入五价杂质元素 例如磷 砷等 2020 4 21 在本征半导体中掺入三价杂质元素 如硼 镓等 空穴 硼原子 硅原子 多数载流子 空穴 少数载流子 自由电子 受主离子 空穴 电子空穴对 2 P型半导体 2020 4 21 杂质半导体的示意图 多子 电子 少子 空穴 多子 空穴 少子 电子 少子浓度 本征激发产生 与温度有关 多子浓度 掺杂产生 与温度无关 2020 4 21 杂质对半导体导电性的影响 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 2020 4 21 因多子浓度差 形成内电场 多子的扩散 空间电荷区 阻止多子扩散 促使少子漂移 PN结合 空间电荷区 多子扩散电流 少子漂移电流 耗尽层 三 PN结及其单向导电性 1 PN结的形成 2020 4 21 动画演示3 动态平衡 扩散电流 漂移电流 总电流 0 2020 4 21 2 PN结的单向导电性 1 加正向电压 正偏 电源正极接P区 负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反 外电场削弱内电场 耗尽层变窄 扩散运动 漂移运动 多子扩散形成正向电流IF 动画演示4 2020 4 21 2 加反向电压 电源正极接N区 负极接P区 外电场的方向与内电场方向相同 外电场加强内电场 耗尽层变宽 漂移运动 扩散运动 少子漂移形成反向电流IR 在一定的温度下 由本征激发产生的少子浓度是一定的 故IR基本上与外加反压的大小无关 所以称为反向饱和电流 但IR与温度有关 动画演示5 2020 4 21 PN结加正向电压时 具有较大的正向扩散电流 呈现低电阻 PN结导通 PN结加反向电压时 具有很小的反向漂移电流 呈现高电阻 PN结截止 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 2020 4 21 3 PN结的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导 PN结的伏安特性曲线如图 正偏 IF 多子扩散 IR 少子漂移 反偏 反向饱和电流 反向击穿电压 反向击穿 2020 4 21 PN结的反向击穿分类 电击穿 可逆热击穿 烧坏PN结 击穿机理 雪崩击穿 碰撞电离 倍增效应 掺杂浓度低 耗尽层宽 击穿电压较高 一般整流管齐纳击穿 强电场破坏共价键 分离价电子为电子 空穴对 隧道效应 高掺杂 耗尽层窄 击穿电压较低 稳压管 齐纳二极管 击穿效果 2020 4 21 根据理论分析 u为PN结两端的电压降 i为流过PN结的电流 IS为反向饱和电流 UT kT q称为温度的电压当量 其中k为玻耳兹曼常数1 38 10 23q为电子电荷量1 6 10 9T为热力学温度对于室温 相当T 300K 则有UT 26mV 当u 0u UT时 当u UT 时 2020 4 21 4 PN结的电容效应 当外加电压发生变化时 耗尽层的宽度要相应地随之改变 即PN结中存储的电荷量要随之变化 就像电容充放电一样 1 势垒电容CB 2020 4 21 2 扩散电容CD 当外加正向电压不同时 PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同 这就相当电容的充放电过程 电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来 极间电容 结电容 2020 4 21 1 2半导体二极管 二极管 PN结 管壳 引线 结构 符号 2020 4 21 分类 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 2020 4 21 3 平面型二极管 用于集成电路制造工艺中 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 用于低频大电流整流电路 2020 4 21 半导体二极管的型号 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下 2AP9 2020 4 21 2020 4 21 2020 4 21 一 半导体二极管的V A特性曲线 硅 0 5V锗 0 1V 1 正向特性 导通压降 2 反向特性 死区电压 实验曲线 硅 0 7V锗 0 3V 2020 4 21 二 二极管的模型及近似分析计算 例 2020 4 21 二极管的模型 串联电压源模型 UD二极管的导通压降 硅管0 7V 锗管0 3V 理想二极管模型 正偏 反偏 2020 4 21 二极管的近似分析计算 例 串联电压源模型 测量值9 32mA 相对误差 理想二极管模型 相对误差 0 7V 2020 4 21 例 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 理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo 解 1 采用理想模型分析 采用理想二极管串联电压源模型分析 2020 4 21 2 如果ui为幅度 4V的交流三角波 波形如图 b 所示 分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电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 波形如图所示 2020 4 21 采用理想二极管串联电压源模型分析 波形如图所示 2020 4 21 三 二极管的主要参数 1 最大整流电流IF 二极管长期连续工作时 允许通过二极管的最大整流电流的平均值 2 反向击穿电压UBR 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR 3 反向电流IR 在室温下 在规定的反向电压下的反向电流值 硅二极管的反向电流一般在纳安 nA 级 锗二极管在微安 A 级 2020 4 21 当稳压二极管工作在反向击穿状态下 工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时 其两端电压近似为常数 稳定电压 四 稳压二极管 稳压管是工作在反向击穿区的特殊二极管 面结型 硅 高掺杂 正向同二极管 反偏电压 UZ反向击穿 UZ 2020 4 21 稳压二极管的主要参数 1 稳定电压UZ 2 动态电阻rZ 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 rZ U IrZ愈小 反映稳压管的击穿特性愈陡 3 最小稳定工作电流IZmin 保证稳压管击穿所对应的电流 若IZ IZmin则不能稳压 4 最大稳定工作电流IZmax 超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏 2020 4 21 特殊二极管 1 变容二极管 利用其结电容效应 其电容量与本身结构 工艺 外加反向电压有关 随外加反向电压增大而减少 C 5 300pF Cmax Cmin 5 1高频技术 调谐 调制等 应用较多 2 光电二极管 需光照 反偏压 其反向电流与光照度成正比 用于光测量 将光信号 电信号 光电传感器 遥控 报警电路中 3 发光二极管 正偏压 1 2 5V 发光颜色与所用材料有关 常作为显示器件 电光转换器件与光电二极管合用于光电传输系统 4 激光二极管 产生相干的单色光信号 红外线 利于光缆有效传输 用于小功率的光电设备 如光驱 激光打印头 2020 4 21 1 3双极型三极管 半导体双极型三极管 俗称晶体三极管 由于工作时 多数载流子和少数载流子都参与运行 因此 被称为双极型晶体管 BipolarJunctionTransistor 简称BJT BJT是由两个PN结组成的 2020 4 21 一 BJT的结构 NPN型 PNP型 符号 三极管的结构特点 1 发射区的掺杂浓度 集电区掺杂浓度 2 基区要制造得很薄且浓度很低 2020 4 21 二 BJT的内部工作原理 NPN管 若在放大工作态 发射结正偏 UCE UBE UCB 集电结反偏 由VBB保证 由VCC VBB保证 UCB UCE UBE 0 三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压 2020 4 21 1 BJT内部的载流子传输过程 1 因为发射结正偏 所以发射区向基区注入电子 形成了扩散电流IEN 同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动 形成的电流为IEP 但其数量小 可忽略 所以发射极电流IE IEN 2 发射区的电子注入基区后 变成了少数载流子 少部分遇到的空穴复合掉 形成IBN 所以基极电流IB IBN 大部分到达了集电区的边缘 2020 4 21 另外 集电结区的少子形成漂移电流ICBO 3 因为集电结反偏 收集扩散到集电区边缘的电子 形成电流ICN 2020 4 21 2 电流分配关系 IE IC IB 定义 1 IC与IE之间的关系 所以 其值的大小约为0 9 0 99 三个电极上的电流关系 2020 4 21 2 IC与IB之间的关系 联立以下两式 得 所以 得 令 2020 4 21 1 uCE 0V时 相当于两个PN结并联 三 BJT的特性曲线 共发射极接法 1 输入特性曲线iB f uBE uCE const 3 uCE 1V再增加时 曲线右移很不明显 2 当uCE 1V时 集电结已进入反偏状态 开始收集电子 所以基区复合减少 在同一uBE电压下 iB减小 特性曲线将向右稍微移动一些 2020 4 21 2 输出特性曲线iC f uCE iB const 1 当uCE 0V时 因集电极无收集作用 iC 0 2 uCE Ic 3 当uCE 1V后 收集电子的能力足够强 这时 发射到基区的电子都被集电极收集 形成iC 所以uCE再增加 iC基本保持不变 同理 可作出iB 其他值的曲线 现以iB 60uA一条加以说明 2020 4 21 饱和区 iC受uCE显著控制的区域 该区域内uCE 0 7V 此时发射结正偏 集电结也正偏 截止区 iC接近零的区域 相当iB 0的曲线的下方 此时 发射结反偏 集电结反偏 放大区 曲线基本平行等距 此时 发射结正偏 集电结反偏 该区中有 饱和区 放大区 截止区 输出特性曲线可以分为三个区域 2020 4 21 四 BJT的主要参数 2 共基极电流放大系数 一般取20 200之间 2 3 1 5 1 共发射极电流放大系数 1 电流放大系数 2020 4 21 2 集电极发射极间的穿透电流ICEO基极开路时 集电极到发射极间的电流 穿透电流 其大小与温度有关 1 集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时 在其集电结上加反向电压 得到反向电流 它实际上就是一个PN结的反向电流 其大小与温度有关 锗管 ICBO为微安数量级 硅管 ICBO为纳安数量级 2 极间反向电流 2020 4 21 3 极限参数 1 集电极最大允许电流ICM 2 集电极最大允许功率损耗PCM集电极电流通过集电结时所产生的功耗 PC ICUCE PCM PCM Ic增加时 要下降 当 值下降到线性放大区 值的70 时 所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM 2020 4 21 3 反向击穿电压 U BR EBO 集电极开路时 发射极与基极之间允许的最大反向电压 其值一般几伏 十几伏 U BR CBO 发射极开路时 集电极与基极之间允许的最大反向电压 其值一般为几十伏 几百伏 U BR CEO 基极开路时 集电极与发射极之间允许的最大反向电压 在实际使用时 还有U BR CER U BR CES等击穿电压 BJT有两个PN结 其反向击穿电压有以下几种 2020 4 21 半导体三极管的型号 第二位 A锗PNP管 B锗NPN管 C硅PNP管 D硅NPN管 第三位 X低频小功率管 D低频大功率管 G高频小功率管 A高频大功率管 K开关管 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下 3DG110B 2020 4 21 2020 4 21 五 三极管的模型及分析方法 UD 0 7V UCES 0 3V iB 0iC 0 一 BJT的模型 2020 4 21 直流模型 2020 4 21 二 BJT电路的分析方法 直流 1 模型分析法 近似估算法 公式法 例 共射电路如图 已知三极管为硅管 40 试求电路中的直流量IB IC UBE UCE 2020 4 21 UBE UCE 解 设三极管工作在放大状态 用放大模型代替三极管 UBE 0 7V 2020 4 21 2 图解法 iC f uCE iB 40 A M VCC 0 12 0 0 3 直流负载线 斜率 UCEQ6V ICQ1 5mA Q 2020 4 21 1 4场效应三极管 BJT是一种电流控制电流的元件 iB iC 俗称流控元件 工作时 多数载流子和少数载流子都参与运行 所以被称为双极型器件 FET分类 绝缘栅型场效应管 结型场效应管 N沟道 P沟道 场效应管 FieldEffectTransistor简称FET 是一种电压控制电流的器件 uGS iD 俗称压控元件 工作时 只有一种载流子参与导电 因此称为单极型器件 FET因其制造工艺简单 功耗小 温度特性好 输入电阻极高 易集成等优点 得到了广泛应用 增强型 耗尽型 P沟道 N沟道 P沟道 N沟道 2020 4 21 一 结型场效应管 两个PN结夹着一个N型沟道 P区高掺杂 三个电极 G 栅极D 漏极S 源极 符号 N沟道 P沟道 1 结型场效应管的结构 以N沟为例 2020 4 21 2 结型场效应管的工作原理 1 栅源电压对沟道的控制作用 当 uGS 时 PN结反偏 耗尽层变宽 导电沟道变窄 沟道电阻增大 当 uGS 到一定值时 沟道会完全合拢 定义 夹断电压UP 使导电沟道完全合拢 消失 所需要的栅源电压uGS 在栅源间加负电压uGS 令uDS 0 当uGS 0时 为平衡PN结 导电沟道最宽 2020 4 21 2 漏源电压对沟道的控制作用 在漏源间加电压uDS 令uGS 0由于uGS 0 所以导电沟道最宽 当uDS 0时 iD 0 uDS iD 靠近漏极处的耗尽层加宽 沟道变窄 呈楔形分布 当uDS 使uGD uGS uDS UP时 在靠漏极处夹断 预夹断 预夹断前 uDS iD 预夹断后 uDS iD几乎不变 uDS再 预夹断点下移 3 栅源电压uGS和漏源电压uDS共同作用 iD f uGS uDS 可用输两组特性曲线来描绘 2020 4 21 1 输出特性曲线 iD f uDS uGS 常数 3 结型场效应三极管的特性曲线 设 UP 3V 2020 4 21 四个区 恒流区的特点 iD uGS gm 常数即 iD gm uGS 放大原理 a 可变电阻区 预夹断前 b 恒流区也称饱和区 预夹断后 c 夹断区 截止区 d 击穿区 可变电阻区 恒流区 截止区 击穿区 IDSS是饱和漏极电流 2020 4 21 一个重要参数 跨导gm gm iD uGS uDS const 单位mS gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用 在转移特性曲线上 gm为的曲线的斜率 在输出特性曲线上也可求出gm 2020 4 21 2 转移特性曲线 iD f uGS uDS 常数 可根据输出特性曲线作出移特性曲线 例 作uDS 10V的一条转移特性曲线 2020 4 21 二 绝缘栅型场效应管 绝缘栅型场效应管 MetalOxideSemiconductorFET 简称MOSFET 分为 增强型 N沟道 P沟道耗尽型 N沟道 P沟道 1 N沟道增强型MOS管 高掺杂N区 1 结构4个电极 漏极D 源极S栅极G 衬底B 符号 2020 4 21 2 工作原理 再增加uGS 纵向电场 将P区少子电子聚集到P区表面 形成导电沟道 如果此时加有漏源电压 就可以形成漏极电流id 栅源电压uGS的控制作用 当uGS 0V时 漏源之间相当两个背靠背的二极管 在d s之间加上电压也不会形成电流 即管子截止 当uGS 0V时 纵向电场 将靠近栅极下方的空穴向下排斥 耗尽层 2020 4 21 定义 开启电压 UT 刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS N沟道增强型MOS管的基本特性 uGS UT 管子截止 uGS UT 管子导通 uGS越大 沟道越宽 在相同的漏源电压uDS作用下 漏极电流ID越大 2020 4 21 3 特性曲线 输出特性曲线 iD f uDS uGS const 可变电阻区 IDO是UGS 2UT时的漏极电流 在饱和区 设 UT 3V 恒流区 截止区 2020 4 21 可根据输出特性曲线作出移特性曲线 例 作uDS 10V的一条转移特性曲线 UT 转移特性曲线 iD f uGS uDS const 2020 4 21 2 N沟道耗尽型MOSFET 在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子 所以当uGS 0时 这些正离子已经感应出反型层 形成了沟道 定义 夹断电压 UP 沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS 特点 当uGS 0时 就有沟道 加入uDS 就有iD 当uGS 0时 沟道增宽 iD进一步增加 当uGS 0时 沟道变窄 iD减小 符号 2020 4 21 3 P沟道耗尽型MOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同 只不过导电的载流子不同 供电电压极性不同而已 这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样 符号 2020 4 21 三 场效应管的主要参数 2 夹断电压UPUP是MOS耗尽型和结型FET的参数 当uGS UP时 漏极电流为零 3 饱和漏极电流IDSSMOS耗尽型和结型FET的重要参数 当uGS 0时所对应的漏极电流 4 输入电阻RGS结型场效应管 RGS大于107 MOS场效应管 RGS可达109 1015 1 开启电压UTUT是MOS增强型管的参数 栅源电压小于开启电压的绝对值 场效应管不能导通 一 直流参数 2020 4 21 二 交流参数 1 低频跨导gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用 单位是mS 毫西门子 0 1 20之间 2 极间电