绪论与常用半导体器件原理课件

模拟电子技术基础,西安电子科技大学微电子学院主讲教师：张进成,老教材：模拟电子电路及技术基础（第二版），孙肖子主编，西安电子科技大学出版社，2008年1月新教材：模拟电子技术基础，孙肖子主编，高等教育出版社，2013年2月（月底将到货）授课思路：（由简单到复杂，由基础到应用）绪论，常用半导体器件，单元电路（放大电路、电流源电路），集成运算放大器，反馈放大器与震荡器，运算电路(应用)，滤波器，功率放大器，电源电路教师联系方式：电子邮件：jchzhang,第一章绪论,电路定义：把晶体管、二极管、电阻、电容、电感等元器件及布线连接在一起，实现一定功能的电子系统。电路分类:按功能分：模拟电路、数字电路、数/模混合电路按形式分：印制板电路、薄厚膜混合集成电路、半导体集成电路电路发展趋势：SoC（系统集成、片上系统）电路的作用：将人类带入智器时代（石器时代、金属时代、机械时代、半导体时代）,第一章绪论,电路Electricalcircuit电子回路，是由电气设备和元器件（用电器），按一定方式联接起来，为电荷流通提供了路径的总体，也叫电子线路或称电气回路，简称网络或回路。如电阻、电容、电感、二极管、三极管和开关等，构成的网络。根据所处理信号的不同，电子电路可以分为模拟电路和数字电路。模拟电路是由自然界产生周期性变化的连续物理自然变量，在将连续性物理自然变量转换为连续的电信号，并通过运算连续性电信号的电路即称为模拟电路。模拟电路对电信号的连续性电压、电流进行处理。最典型的模拟电路应用包括：放大电路、振荡电路、线性运算电路（加法、减法、乘法、除法、微分和积分电路）。运算连续性电信号。数字电路亦称为逻辑电路,将连续性的电讯号，转换为不连续性定量的电信号，并运算不连续性定量电信号的电路，称为数字电路。数字电路中，信号大小为不连续并定量化的电压状态。多数采用布尔代数逻辑电路对定量后信号进行处理。典型数字电路有:振荡器、寄存器、加法器、减法器等。,第一章绪论,1.1电子器件与电子电路发展史概要,(只介绍与本课有关的三大事件),1.1.1电子管的发明,1904年英国物理学家和电气工程师弗莱明发明了电子管(电真空器件)，并获得了发明专利权。人类第一只电子管的诞生，使人类找到了一种实现电信号放大、产生、变换、控制与处理的核心器件。,第一章绪论,1.1电子器件与电子电路发展史概要,1.1.1电子管的发明,电真空器件：利用电子在真空状态下运行的电子器件。基本工作条件：第一个前提是真空，第是要有电子发射；器件举例：以前常见电子管有二极管、三极管、四极管和其他多极管、复合管（如双三极管）等等。示波管、显像管、摄像管也是电真空器件。目前常用：微波波段的速调管、行波管、磁控管、回旋管,真空微波功率器件的应用：微波炉：磁控管；雷达：行波管、速调管治疗癌症用加速器(理疗)：速调管、磁控管工业辐照加速器(食物保鲜等)：速调管、磁控管,第一章绪论,1.1电子器件与电子电路发展史概要,1.1.1电子管的发明,北京正负电子对撞机：16个脉冲功率为50MW的S波段速调管,中功率行波管：工作电压1030KV频带宽度为15%20%,第一章绪论,1.1.2晶体管的发明,由贝尔实验室理论物理学家威廉肖克利（1910-1989年）、理论物理学家约翰巴丁（1908-1991年）实验物理学家沃尔特布拉顿（1902-1987年）三人组成的研究小组于1947年12月发明了具有放大作用的点触式晶体三极管1956年三人获得了诺贝尔物理学奖。,第一章绪论,1.1.3集成电路的发明,1958年9月12日美国德州仪器公司年轻工程师杰克基尔比（JackS.Kilby，34岁）发明了世界第一片集成电路-相移振荡器，成功地实现了把电子器件（电阻、电容、晶体管）集成在一块半导体材料上的构想，而获得了集成电路发明专利权。杰克基尔比2000年获诺贝尔物理学奖。,第一章绪论,信号是信息的载体,信息是信号的内容,电信号：随时间变化的电流或电压。（电容电荷量、线圈磁通量、空间电磁场）,模拟信号：幅度与时间都是连续的,1.2模拟电路特点及主要应用领域,第一章绪论,采样数据信号(也归模拟信号)：时间离散，数值（幅度）连续,模拟信号：时间和数值（幅度）都连续,第一章绪论,数字信号：时间和数值（幅度）都离散,第一章绪论,模拟电路的主要内容及应用领域,本书将介绍除DDS,调制解调以外的全部内容,第一章绪论,1.3本书的教学路线图（MAP-地图）,2.寻找受控源-放大器件,3.构建合理有效的放大电路，设置合适的“工作点”,4.利用“小信号模型”来简化放大器的分析和计算,1.为什么需要放大器？,5.引进“负反馈”来稳定和改善放大器性能,6.集成运算放大器应用是重点,7.以增大功率和提高效率为线索，讲解和学习“功率电路和电源管理”一章。,第一章绪论,加强综合,设计,应用能力,分析：计算给定系统对各种输入的响应并确定他们的性质的过程,综合或设计(更具挑战性,创新性)：从要求的特性出发，找出满足特性的电路和系统结构,第一章绪论,模拟电子技术基础课程的特点是“概念性、工程性、实践性“强！,“注重物理概念，采用工程观点；重视实验技术，善于总结对比；理论联系实际，注意应用背景；寻求内在规律，增强抽象能力。”,1.4有关模拟电路学习方法的建议,第二章常用半导体器件原理,2-1半导体物理基础2-2PN结2-3晶体二极管2-4双极型晶体管2-5场效应管,导体、半导体和绝缘体在电阻率上并无绝对明确的界限，根本区别在于性质上。,2.1半导体物理基础,导体：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。绝缘体：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于1081020m。半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs),半导体的导电能力随温度、光照和掺杂等因素发生显著变化，这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料。,2.1.1半导体与绝缘体、导体的区别,III-V族半导体Ga(Al,In)AsGa(Al,In)PGa(Al,In)N,IV族半导体:Ge,GeSi,Si,SiC,C,II-VI族半导体Zn(Mg,Cd,Hg)OZn(Mg,Cd,Hg)S,半导体体系,金属,半导体（丰富多彩）,绝缘体,IV族,III-V族,II-VI族,Ge,Si,GeSi,SiC,C,?,Ga(Al,In)As,Ga(Al,In)P,Ga(Al,In)N,?,Zn(Mg,Cd,Hg)O,Zn(Mg,Cd,Hg)S,?,?,半导体体系,光电器件(GaN,GaP)微波器件(GaAs,InP)功率器件(AlGaN/GaN),多功能性：生物芯片，压电传感器，声表面波器件，透明电极，纳米结构,高温器件高压器件,21,2.1.2本征半导体,纯净的单晶半导体称为本征半导体。,硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子，称为价电子，每个价电子带一个单位的负电荷。因为整个原子呈电中性，而其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子，所以研究中硅和锗原子可以用简化模型代表。,22,每个原子最外层轨道上的四个价电子为相邻原子核所共有，形成共价键。共价键中的价电子是不能导电的束缚电子。,价电子可以获得足够大的能量，挣脱共价键的束缚，游离出去，成为自由电子，并在共价键处留下带有一个单位的正电荷的空穴。这个过程称为本征激发。本征激发产生成对的自由电子和空穴，所以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。,23,价电子的反向递补运动等价为空穴在半导体中自由移动。因此，在本征激发的作用下，本征半导体中出现了带负电的自由电子和带正电的空穴，二者都可以参与导电，统称为载流子。,自由电子和空穴在自由移动过程中相遇时，自由电子填入空穴，释放出能量，从而消失一对载流子，这个过程称为复合。,24,1、自由电子（负电荷）：部分价电子挣脱共价键束缚离开原子而成为自由电子；自由电子可以在单晶体中自由移动；2、空穴（正电荷）：失去价电子的共价键处留下一个空位，即空穴；空穴的移动：相邻共价键中的电子在空位正电荷的吸引下会填补这个空位，即空位发生了移动。空穴的移动实际上是束缚电子的反移动。3、自由电子和空穴都可以参与导电，这是半导体不同于金属（只有自由电子）的区别之一。4、本征激发：本征半导体受外界能量（热、电和光等）激发，同时产生电子、空穴对的过程。,25,平衡状态时，载流子的浓度不再变化。分别用ni和pi表示自由电子和空穴的浓度(cm-3)，理论上,其中T为绝对温度(K)；EG0为T=0K时的禁带宽度，硅原子为1.21eV，锗为0.78eV；k=8.6310-5eV/K为玻尔兹曼常数；A0为常数，硅材料为3.871016cm-3K-3/2，锗为1.761016cm-3K-3/2。,26,本征载流子浓度随温度升高近似指数上升。,2、禁带宽度越大，导电性能越差（绝缘性能越好）,1、本征半导体导电性能对温度的变化很敏感；,27,2.1.3N型半导体和P型半导体,本征激发产生的自由电子和空穴的数量相对很少，这说明本征半导体的导电能力很弱。我们可以人工少量掺杂某些元素的原子，从而显著提高半导体的导电能力，这样获得的半导体称为杂质半导体。根据掺杂元素的不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体。,28,一、N型半导体在本征半导体中掺入五价原子，即构成N型半导体。N型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个自由电子，从而大量增加了自由电子的浓度一一施主电离多数载流子一一自由电子少数载流子一一空穴但半导体仍保持电中性,热平衡时，杂质半导体中多子浓度和少子浓度的乘积恒等于本征半导体中载流子浓度ni的平方，所以空穴的浓度pn为因为ni容易受到温度的影响发生显著变化，所以pn也随环境的改变明显变化。,自由电子浓度,杂质浓度,29,二、P型半导体在本征半导体中掺入三价原子，即构成P型半导体。P型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个空穴，从而大量增加了空穴的浓度一一受主电离多数载流子一一空穴少数载流子一一自由电子但半导体仍保持电中性,而自由电子的浓度np为环境温度也明显影响np的取值。,空穴浓度,掺杂浓庹,30,本征半导体载流子受温度、光照影响大；杂质半导体载流子主要受掺杂浓度控制；,31,2.1.4漂移电流和扩散电流,半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。半导体电流,半导体电流,漂移电流：在电场的作用下，自由电子会逆着电场方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，这样产生的电流称为漂移电流，该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和电场强度。扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而形成扩散电流，该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。,32,2.2PN结,通过掺杂工艺，把本征半导体的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，则P型半导体和N型半导体的交接面处会形成一个有特殊物理性质的薄层，称为PN结。,2.2.1PN结的形成,多子扩散,空间电荷区，内建电场和内建电位差的产生,少子漂移,动态平衡,33,空间电荷区又称为耗尽区或势垒区。在掺杂浓度不对称的PN结中，耗尽区在重掺杂一边延伸较小，而在轻掺杂一边延伸较大。,34,2.2.2PN结的单向导电特性,一、正向偏置的PN结,正向偏置,耗尽区变窄,扩散运动加强，漂移运动减弱,正向电流,二、反向偏置的PN结,反向偏置,耗尽区变宽,扩散运动减弱，漂移运动加强,反向电流,35,PN结的单向导电特性：PN结只需要较小的正向电压，就可以使耗尽区变得很薄，从而产生较大的正向电流，而且正向电流随正向电压的微小变化会发生明显改变。而在反偏时，少子只能提供很小的漂移电流，并且基本上不随反向电压而变化。,36,PN结电流方程,i=IS(equ/kT-1)=IS(eu/UT-1),q:电子电荷量，1.6*10-19CT:热力学温度(K);K:玻尔兹曼常数（8.63*10-6V/K）;IS:反向饱和电流，与PN结材料、制作工艺、温度等有关UT=kT/q:温度的电压当量或热电压。在T=300K(27)时，UT=26mV,正:UUT,eu/UT1,iISeu/UT反:UUT,eu/UT7V),2齐纳击穿重掺杂，外加反向电压耗尽区很窄强电场耗尽区中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大;(UBR5V),UBR介于57V时，两种击穿都有。,可逆性：P=UI0且超过特定值UD(on)时，iD变得明显，此时认为二极管导通，UD(on)称为导通电压(死区电压)；uD0.7V时，D处于导通状态，等效成短路，所以输出电压uo=ui-0.7；当ui0时，D1和D2上加的是正向电压，处于导通状态，而D3和D4上加的是反向电压，处于截止状态。输出电压uo的正极与ui的正极通过D1相连，它们的负极通过D2相连，所以uo=ui；当ui2.7V时，D导通，所以uo=2.7V；当ui2.3V时，D2导通，uo=2.3V；当ui2.3V时，D2截止，支路等效为开路，uo=ui。所以D2实现了上限幅。综合uo的波形如图(c)所示，该电路把ui超出2.3V的部分削去后进行输出，完成双向限幅。,63,三、电平选择电路,例2.3.9图(a)给出了一个二极管电平选择电路，其中二极管D1和D2为理想二极管，输入信号ui1和ui2的幅度均小于电源电压E，波形如图(b)所示。分析电路的工作原理，并作出输出信号uo的波形。,64,解：因为ui1和ui2均小于E，所以D1和D2至少有一个处于导通状态。不妨假设ui1ui2时，D2导通，D1截止，uo=ui2；只有当ui1=ui2时，D1和D2才同时导通，uo=ui1=ui2。uo的波形如图(b)所示。该电路完成低电平选择功能，当高、低电平分别代表逻辑1和逻辑0时，就实现了逻辑“与”运算。,65,2.4双极型晶体管,NPN型晶体管,PNP型晶体管,晶体管的物理结构有如下特点：发射区相对基区重掺杂；基区很薄，只有零点几到数微米；集电结面积大于发射结面积。,66,发射结正偏，集电结反偏。一、发射区向基区注入电子电子注入电流IEN，空穴注入电流IEP二、基区中自由电子边扩散边复合基区复合电流IBN三、集电区收集自由电子收集电流ICN反向饱和电流ICBO,2.4.1晶体管的工作原理,67,晶体管三个极电流与内部载流子电流的关系：,68,共发射极直流电流放大倍数：共基极直流电流放大倍数：换算关系：,晶体管的放大能力参数,69,晶体管的极电流关系,描述：描述：,70,2.4.2晶体管的伏安特性,一、输出特性,放大区(发射结正偏，集电结反偏)共发射极交流电流放大倍数：共基极交流电流放大倍数：近似关系：恒流输出和基调效应饱和区(发射结正偏，集电结正偏)饱和压降uCE(sat)截止区(发射结反偏，集电结反偏)极电流绝对值很小,71,二、输入特性,当uBE大于导通电压UBE(on)时，晶体管导通，即处于放大状态或饱和状态。这两种状态下uBE近似等于UBE(on)，所以也可以认为UBE(on)是导通的晶体管输入端固定的管压降；当uBE0，所以集电结反偏，假设成立，UO=UC=4V；当UI=5V时，计算得到UCB=-3.28V0，所以晶体管处于饱和状态，UO=UCE(sat)。,75,例2.4.2晶体管直流偏置电路如图所示，已知晶体管的UBE(on)=-0.7V，=50。判断晶体管的工作状态，并计算IB、IC和UCE。,解：图中晶体管是PNP型，UBE(on)=UB-UE=(UCC-IBRB)-IERE=UCC-IBRB-(1+b)