模拟电子技术第1章幻灯片.ppt

1,第1章,半导体器件,退出,2,1.3特殊二极管.62,1.2PN结与晶体二极管.22,1.1半导体的基础知识3,1.4晶体三极管.70,1.5场效应晶体管.90,目录,退出,3,1.1半导体的基础知识,1.1.1本征半导体,1.1.2杂质半导体,1.1.3载流子的运动方式及形成的电流,退出,返回,4,1.半导体及其材料,常用半导体材料有:硅（Si）、锗（Ge）等,退出,返回,导体:电阻率小于10-3cm绝缘体:大于108cm半导体:介于导体和绝缘体之间,5,掺杂性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，其电阻率大大下降而导电能力显著增强。据此可制作各种半导体器件，如二极管和晶体管等。,2.半导体的特性,退出,返回,6,光敏性：当受到光照时，半导体的电阻率随着光照增强而下降，其导电能力增强。据此可制作各种光电器件，如光敏电阻、光电二极管、光电晶体管等。,2.半导体的特性,热敏性：半导体的电阻率随着温度的上升而明显下降，其导电能力增强。据此可制作温度敏感元件，如热敏电阻。,退出,返回,7,半导体的原子结构,本征半导体：化学成分纯净的半导体。在物理结构上呈单晶体形态。,硅(Si),锗(Ge),3.本征半导体概念,退出,返回,8,半导体的共价键结构,共价键,共价键中的两个价电子,原子核,3.本征半导体概念,退出,返回,9,本征激发（热激发）,4.本征半导体的导电机理,价电子,价电子受热或受光照（即获得一定能量）后，可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个带正电的空穴。,该现象称为本征激发(热激发),退出,返回,10,4.本征半导体的导电机理,空穴,价电子,自由电子,在热激发下，本征半导体中存在两种能参与导电的载运电荷的粒子(载流子)：,成对的电子和空穴,复合：自由电子回到共价键结构中的现象。此时电子-空穴成对消失。,退出,返回,11,4.本征半导体的导电机理,自由电子和空穴成对产生的同时，又不断复合。,在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,退出,返回,12,1.1.1本征半导体,小结,（1）半导体及其材料（2）半导体特性（3）本征半导体概念（4）本征半导体的导电机理,退出,返回,13,杂质半导体可分为：N(电子)型半导体和P(空穴)型半导体两类,杂质半导体：在本征半导体中掺入微量其他元素而得到的半导体。,退出,返回,14,1.N型半导体,在本征半导体中掺入微量五价元素物质（磷、砷等）而得到的杂质半导体。,结构图,退出,返回,15,掺杂后，某些位置上的硅原子被五价杂质原子（如磷原子）取代。磷原子的5个价电子中，4个价电子与邻近硅原子的价电子形成共价键，剩余价电子只要获取较小能量即可成为自由电子。同时，提供电子的磷原子因带正电荷而成为正离子。电子和正离子成对产生。上述过程称为施主杂质电离。五价杂质原子又称施主杂质。常温下施主杂质已被全部电离。,1.N型半导体,退出,返回,16,这种电子为多数载流子的杂质半导体称为N型半导体。,可见：在N型半导体中自由电子是多数载流子（简称多子）；空穴是少数载流子（简称少子）。,N型半导体中还存在来自于热激发的电子-空穴对。,1.N型半导体,退出,返回,17,在本征半导体中掺入微量三价元素物质（硼、铝等）而得到的杂质半导体。,结构图,2.P型半导体,退出,返回,18,掺杂后，某些位置上的硅原子被三价杂质原子（如硼原子）取代。硼原子有3个价电子，与邻近硅原子的价电子构成共价键时会形成空穴，导致共价键中的电子很容易运动到这里来。同时，接受一个电子的硼原子因带负电荷而成为不能移动的负离子。空穴和负离子成对产生。上述过程称为受主杂质电离。三价杂质原子又称受主杂质。常温下受主杂质已被全部电离。,2.P型半导体,退出,返回,19,这种空穴为多数载流子的杂质半导体称为P型半导体。,可见：在P型半导体中空穴是多数载流子(简称多子),自由电子是少数载流子（简称少子）。,P型半导体中还存在来自于热激发的电子-空穴对。,2.P型半导体,退出,返回,20,扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。,扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比,1.扩散运动及扩散电流,退出,返回,21,漂移运动：载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。,漂移电流大小与电场强度成正比,2.漂移运动及漂移电流,退出,电位差漂移运动漂移电流,电场力,返回,22,1.2PN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,退出,返回,23,1.PN结的形成,在一块本征半导体的两边掺以不同的杂质，使其一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，则在它们交界处就出现了电子和空穴的浓度差，于是P区空穴向N区扩散，N区电子向P区扩散。,另一方面，随着扩散运动的进行，P区一边失去空穴留下负离子，N区一边失去电子留下正离子，形成空间电荷区，产生内建电场。电场方向由N区指向P区，有利于P区和N区的少子漂移运动，而阻止多子扩散运动。,区,区,退出,返回,24,1.PN结的形成,扩散,交界处的浓度差,P区的空穴要向N区扩散,N区的电子要向P区扩散,P区留下带负电的受主离子,N区留下带正电的施主离子,内建电场,漂移电流,扩散电流,PN结,退出,返回,25,U：势垒电压0.6V（硅材料）U=0.2V（锗材料）,PN结平衡,空间电荷区/耗尽层,U,内建电场,1.PN结的形成,P区,P区,N区,N区,退出,返回,26,退出,小结（1）载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。（2）漂移运动等于扩散运动时，PN结形成且处于动态平衡状态。PN结没有电流通过。（3）若P区和N区掺杂浓度相同，则；若为结，则。,返回,27,2.PN结的特性,（1）单向导电性（2）击穿特性（3）电容效应,退出,返回,28,(1)单向导电性,2.PN结的特性,P区,N区,退出,返回,29,U,UU,合成电场,(1)单向导电性,PN结加正向电压,2.PN结的特性,PN结外加正向电压时，内建电场被削弱，势垒高度下降，空间电荷区宽度变窄，这使得P区和N区能越过势垒的多数载流子数量大大增加，而反方向的漂移电流要减小，扩散电流起主导作用。,P区,N区,退出,返回,30,流过PN结的电流随外加电压U的增加而迅速上升，PN结呈现为小电阻。该状态称为,U,UU,合成电场,PN结正向导通状态,PN结加正向电压,P区,N区,退出,返回,31,U,U+U,合成电场,(1)单向导电性,PN结加反向电压,2.PN结的特性,PN结加反向电压时，内建电场被增强，势垒高度升高，空间电荷区宽度变宽。这就使得多子扩散运动很难进行，扩散电流趋于零；而少子漂移运动处于优势，形成微小的反向的电流。,P区,N区,退出,返回,32,U,U+U,合成电场,流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。该状态称为,PN结反向截止状态,PN结加反向电压,P区,N区,退出,返回,33,退出,返回,小结（1）PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流IS，考虑到，则认为PN结截止。（2）PN结正向导通、反向截止的特性称为PN结的单向导电特性。,34,击穿：PN结外加反向电压且电压值超过一定限度时，反向电流急剧增加而PN结两端电压基本不变的现象。,(2)击穿特性,2.PN结的特性,击穿不一定导致损坏。,击穿电压UZ,退出,利用PN结击穿特性可以制作稳压管。,返回,35,雪崩击穿,击穿分类,(2)击穿特性,2.PN结的特性,齐纳击穿,退出,返回,36,雪崩击穿(碰撞击穿),反向电压足够高时，空间电荷区的合成电场较强，通过空间电荷区的电子在强电场的作用下加速获得很大的动能，于是有可能和晶体结构中的外层电子碰撞而使其脱离原子核的束缚。被撞出来的载流子在电场作用下获得能量之后，又可以去碰撞其他的外层电子，这种连锁反应就造成了载流子突然剧增的现象，犹如雪山发生雪崩那样，所以这种击穿称为雪崩击穿或碰撞击穿。,(2)击穿特性,2.PN结的特性,退出,返回,37,齐纳击穿(电场击穿),当反向电压足够高，空间电荷区中的电场强度达到105Vcm以上时，可把共价键中的电子拉出来，产生电子空穴对，使载流子突然增多，产生击穿现象，称为齐纳击穿。,掺入杂质浓度小的PN结中，雪崩击穿是主要的，击穿电压一般在6V以上；在掺杂很重的PN结中，齐纳击穿是主要的，击穿电压一般在6V以下。击穿电压在6V左右的PN结常兼有两种击穿现象。,(2)击穿特性,2.PN结的特性,退出,返回,38,PN结存在电容效应。这将限制器件工作频率。,分类,势垒电容CT,扩散电容CD,(3)电容效应,2.PN结的特性,退出,返回,39,势垒电容CT,由势垒区内电荷存储效应引起。势垒区相当于介质，它两边的P区和N区相当于金属。当外加电压改变时，势垒区的电荷量改变引起的电容效应，称为势垒电容。,CT值随外加电压的改变而改变，为非线性电容。,(3)电容效应,2.PN结的特性,退出,CT0为外加电压为零时的势垒电容，U为PN结的外加电压（加反向电压时UIOM易导致二极管过热失效。最高反向工作电压URM允许加到二极管(非稳压二极管)的最高反向电压。最大允许功耗PDM实际功耗大于PDM时易导致二极管过热损坏。,（2）极限参数,3.主要参数,退出,返回,52,图解法迭代法折线化近似法,1.晶体二极管电路分析方法,退出,返回,53,i=f(u),电路,图解法,1.晶体二极管电路分析方法,退出,图解,返回,54,迭代法,据电路列方程组,1.晶体二极管电路分析方法,退出,返回,55,将实际二极管的伏安特性曲线作折线化近似。,折线化近似法,理想特性曲线,只考虑门限的特性曲线,伏安特性,符号,1.晶体二极管电路分析方法,退出,返回,56,考虑门限电压和正向导通电阻的特性曲线,伏安特性,符号,rd：工作点处的动态电阻,折线化近似法,仅考虑正、反向导通电阻的特性曲线,1.晶体二极管电路分析方法,退出,返回,57,例1-1：半波整流电路中VD为理想二极管，画出uO(t)波形。,输出uO(t)取决于VD的工作状态是通还是断。,整流电路,解：,2.晶体二极管电路应用举例,退出,返回,58,；VD截止ui0V；VD导通ui0V,2.晶体二极管电路应用举例,退出,返回,59,（b）,（a）,结合图中给定的参数分析：VD1、VD2开路时，阳极对地电位为+5V，阴极对地电位分别为+1V、0V，,例1-2：如图所示二极管门电路（VD1、VD2为理想二极管）求：uO。,解：,门电路,门电路的分析关键是判断电路中二极管的通、断。采用的方法是比较各二极管的正向开路电压，正向开路电压最大的一只二极管抢先导通。,可见VD2导通。,uO=0,2.晶体二极管电路应用举例,退出,返回,60,uO(t)取决于VD是否导通。,例1-3:限幅电路中VD为理想二极管，求uO(t)并画出波形。,电路,限幅电路,解：,2.晶体二极管电路应用举例,退出,返回,61,；VD截止ui5V；VD导通ui5V,限幅电路,传输特性,输出波形,退出,返回,62,1.3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,退出,返回,63,伏安特性及符号,退出,1.3.1稳压管,返回,64,稳压管主要参数,稳定电压UZ：即PN结击穿电压稳定电流IZ：IZminIEp，发射极电流IEIEn注入电子在基区边扩散边复合(IBn)，基区复合电流，是基极电流IB的一部分。,集电区收集扩散来的电子(ICn)，ICn构成集电极电流IC的主要成份；集电结两边少子定向漂移(ICBO)，ICBO对放大无贡献，应设法减小。,1.载流子传输过程（以NPN管为例）,晶体三极管又称为双极型晶体管,退出,返回,75,晶体管放大应满足两方面条件外部条件：发射结正偏，集电结反偏；内部条件：薄基区，发射区重掺杂，基区轻掺杂。,1.载流子传输过程（以NPN管为例）,退出,晶体管除了存在扩散与漂移一对矛盾外，还存在扩散与复合的矛盾。,返回,76,电流分配关系图,2.电流分配关系,退出,返回,77,2.电流分配关系,退出,返回,78,电流分配关系,2.电流分配关系,退出,返回,79,特点：uCE=0V时，特性曲线类似二极管伏安特性；uCE0V时，特性曲线右移直至uCE3V时曲线基本重合。,1.共射接法输入特性曲线,退出,iB=f1(uCE,uBE),返回,80,2.共射接法输出特性曲线,指iB为参变量，iC随uCE变化的关系曲线,退出,返回,81,曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区,2.共射接法输出特性曲线,截止区：对应截止状态:E结、C结反偏特点：iE=0iC=ICBO=iB,退出,返回,82,曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区,2.共射接法输出特性曲线,放大区：对应放大状态:E结正偏、C结反偏特点：放大效应：定义,退出,返回,83,2.共射接法输出特性曲线,特点：基调(厄立)效应：UA表现:曲线略微上斜,退出,返回,84,特点：穿透电流：ICEO计算:ICEO=(1+)ICBO,曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区,2.共射接法输出特性曲线,退出,返回,85,曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区,2.共射接法输出特性曲线,饱和状态:E结正偏、C结正偏特点：饱和现象：固定uCE,iC基本不随iB变化uCE控制iC：固定iB,iC随uCE剧烈变化,退出,返回,86,曲线分为四区：截止区放大区饱和区击穿区,2.共射接法输出特性曲线,注意：临界饱和：UBC=0（考虑到发射结导通存在门限电压的作用，则UBC=UBEO）临界饱和电压：UCES,退出,返回,87,集电极：基极间反向饱和电流ICBO集电极：发射极穿透电流ICEO关系：ICEO=(1+)ICBO,1.放大系数,2.极间反向电流,极限电流：集电极最大允许电流ICM极限电压：反向击穿电压U(BR)CBO，U(BR)CEO,3.极限参数,退出,返回,88,极限功率：集电极最大允许功耗PCM,3.极限参数,返回,89,（1）ICBO的温度特性：T10C则ICBO约1倍；（2）UBEO的温度特性：T1C则UBEO(UEBO，对于PNP管)(22.5)mV；（3）的温度特性：T1C则0.5%1%。,4.晶体管参数的温度特性,退出,返回,90,1.5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场效应晶体管工作状态的分析,返回,退出,1.5.4JFET和IGFET的比较,1.5.5场效应晶体管的参数及特点,91,1.JFET结构与符号,P-JFET,N-JFET,退出,返回,92,导电沟道两个P+区与N区形成两个PN结，夹在其中的N区是电子由源极流向漏极的通道，称为导电沟道。,2.JFET工作原理（以NJFET为例）,退出,返回,93,受控机理通过改变加在PN结上的反向偏压(栅源电压uGS)的大小来改变耗尽层的宽度，进而改变导电沟道的宽度，以达到控制沟道漏极电流的目的，漏极电流iD受控于uGS。,2.JFET工作原理（以NJFET为例）,退出,返回,94,uGS控制iD(uDS=C0),uGS增大时，沟道变窄，沟道电阻增大则iD减小。沟道被夹断时管子截止，iD=0。,2.JFET工作原理（以NJFET为例）,管子刚好截止时的栅极电压称为夹断电压，用UGS(off)表示。,退出,返回,95,uDS增大时，沟道变窄，沟道电阻增大。以预夹断为分界线，预夹断前iD增大，预夹断后iD近似恒定。,uDS影响iD(uGS=C0),2.JFET工作原理（以NJFET为例）,预夹断：沟道在靠近漏极处一端即将被夹断的状态。此时uGD=UGS(off),退出,返回,96,2.JFET工作原理（以NJFET为例）,小结：iD受控于uGS:uGS则iD直至iD=0。iD受uDS影响:uDS则iD先增随后近似不变。预夹断前uDS则iD。以预夹断状态为分界线预夹断后uDS则iD不变。,退出,返回,97,特别注意：区别夹断与预夹断夹断时：uGSUGS(off)，iD=0预夹断时：uGD=UGS(off)(或uGS-uDS=UGS(off)iD0预夹断前：uGDUGS(off)(或uGS-uDSUGS(off)预夹断后：uGDUGS(th)uDG-UGS(th)(或uDS-uGS-UGS(th)预夹断后：uGDUGS(th)(uGS-uDSuGSUGS(off)=3(2)V=5V0，工作于放大区。,返回,124,退出,解：（b）为N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管。,UGS=3VUGS(th)=2V，管子导通。,uDS=8VuGSUGS(off)=32=1V0，管子工作于放大区。,（c）为P沟道耗尽型绝缘栅场效