常用半导体器件

1、绪论 1.研究对象：模拟信号的放大、产生及变换. 时间上、数值上连续。 2.课程特点 （1）概念多。线性，非线性，有源，无源，正反馈，负反馈； 直流，交流等。 （2）器件多。二极管，三极管，FET, 运放，模拟乘法器等。 （3）内容多。 三极管放大电路，MOS管放大电路，低频放大电 路，高频放大电路，电压放大电路，功率放大电 路，信号处理电路，振荡电路等。 （4）方法多。静、动态分析，小、大信号分析，近似估算 法，方块图法, 拆环法等。 （5）实践性强。 技术基础课，理论、实践。 3.参考书：清华四版； 清华二版； 杨素行：模拟电子技术简 明教程（第二版）4.学习原因 t u 第一章 常用半导

2、体器件 管为路用，外特性。 1.1半导体基础知识 一、本征半导体 10-3UT, 有 T U u Se Ii 当外加反向电压， 且|u|UT, 有 S Ii 当|u|U(BR) 反向击穿 齐纳击穿 雪崩击穿 齐纳击穿: 高参杂下，耗尽层宽度小， 不大的反向电压即可形成 强电场， 拉出电子形 成电子空穴对 |i|. 雪崩击穿: 低参杂下，耗尽层宽度大， 较大的反向电压使电子漂 移加速。 从共价键中碰 出电子形成 电子空穴对 再加速大 量电子空穴对 |i|. 电击穿热 击穿损坏。 5.电容效应 （1）势垒电容外加反向变化电压空间电荷 区电容器充电。 dU dQ Cb Cb与结面积、宽度、介电 常数

3、及u有关 利用Cb=f(u)关系可作变容二极管。 （2）扩散电容Cd外加正向变化电压。 平衡少子：PN结处于平衡状态时 的少子。 如P区中的电子。 非平衡少子：PN结正偏时， 由N区扩散到P区的电子。 外加正向电压 非平衡少子数目 扩散区电荷量 电容器充电 T d U i C 可证明： 结电容Cj=Cb+Cd Cd, 正偏时 Cb, 反偏时 二极管的几种外形 1.2 半导体二极管 一、结构及类型 PN 正极负极 (a) 负极正极 (b) PN 正极负极 (a) 负极正极 (b) 1.结构 2.类型 工艺 点接触型 面接触型 平面接触型 Cj小，f 高，I 小。 Cj较大，f 较小，I 较大。

4、Cj大，f 小，I 大。 材料 硅 锗 用途 二、VAR基本与PN结方程一样 ) 1( T U u S eIi 开启电压UTH= 0.5V,硅 0.1V,锗 导通电压UON= 0.7V,硅 0.2V,锗 反向饱和电流IS= 0.1A,硅 几十A,锗 U(BR)=几十几千伏 T 正向部分左移 反向部分下移 扩散 T 少子数目 T UON UTH Is U(BR) 三 主要参数 1. 最大整流电流IF 2.最大反向工作电压UR 3.反向电流IR 4.最高工作频率fM 5.二极管的电阻 （1）直流电阻RD D D D I U R （2）交流电阻rd Q d di du r D T Q U u I U

5、 i U eI du d r T T 1 Sd )( D d 26 I mV r 此时二极管等效成rd iIF 普通二极管IF400mA UR=U(BR)/2|u|UR 未击穿时的电流 ffM, 单向导电性成立. 与Q有关. 四 等效电路 1.理想化模型 UD0, D, UD=0 u0, D, UD=0, UR=V VUON, D, UD=UON u UON, D, UD= UON, UR=V- UON VUON, D, u=UON+rd i u UON, D, uD= UON+rdi , UR=V- uD VUON D, UO=6-0.7=5.3V (2) S闭合， UD=V1-V2= -6

6、V0.7V D, UO=12V 例2.设UON=0.7V uimUON ui=uimsint 试画ui和uR波形。 解. 先考虑V单独作用。 VUON，D UR=V-UON 再考虑ui作用。 R UV I ON D D相当一个电阻 D T d I U r rRR uUu i d r u rR R u ui=uimsint UR=V-UON rRR uUu i d r u rR R u 五.稳压二极管 1.VAR 只要工作在击穿区， 且|i|不大， 电击穿不会变成热击 穿，即可稳压。 符号： 若正偏， + - D1, D2 u u=UON普通二极管。 若反偏， D1 + - u 若 uUZ, D

7、2，uUz 要稳压，应反偏，且uUZ 2. 等效电路： 3、主要参数 规定电流下，两 端的电压。 1).稳定电压UZ 2).稳定电流IZ 正常工作时的参考电 流 IZminIZIZM, 热击穿；IZIZmin, 不能稳压。 3). 额定功耗PZM 由管子结温限定 。 PZM=UZ IZmax 4). 动态电阻rZ Z Z Z dI dU r 正常工作范围内 rZ稳压性能愈好。 5). 温度系数 TU U Z Z UZ 4V，7V，0时 UZ=6，最小，亦最常用。 例.为保证稳压管稳压，必须给它串限流电阻。 知UZ=6V, IZmin=5mA, UI=10V, IZmax=25mA, RL=60

8、0 求 R=? 解.设DZ在稳压范围，则 UO=UZ=6V UR=UI-UO=4V mA R U I L O L 10 600 6 mAmAIII LDZR 351510255 114227 3515 4 mA V I U R R R 六.其它类型的二极管 1.发光二极管砷化镓，磷化镓，砷磷化镓制作。 正偏，导通发光，UD=2V左右， ID=几几十mA 颜色：红，黄，绿等。 优点：电压低，功耗小，寿 命长，可靠性高，响应快。 缺点：需限流。 例. UD=1.6V, ID=520mA (1) S处于什么位置，D 可能发光？ S闭合，uD=0, D,灭。 S断开，D可能亮。 （2）为使D发光，R=

9、? S断开，设D亮， 则uD=UD=1.6V uR=V-UD=4.4V k mA V I u R R R 88. 022. 0 205 4 . 4 2.光电二极管 利用PN结的光敏特性 （1）E=0, 为普通二极管， 具有单向导电性。 正偏时，D工作于第 一象限； 反偏时，工作于第三 象限。 IS为暗电流。 （2）E0,且反偏， 为光电二极管。 D工作于第三象限。 E i 线性 用于遥控，报警， 光电传感器中。 iVBB. 入、出回路的公共端为e 共e极。 当uI0时，动态。 uI=VBB+ uIiB=IB+ iB iC=IC+ iC 定义： B C i i BC CEOBB CEOB iI

10、IiI Iii C 不变，则若设 B C i i 1 B C i i 电流放大作用。 二.工作原理 5.共基极电流放大系数 CBOCBOCNC IIIII E BCE III E CN I I 定义： 对比，有 与 CEOB CBOBC II III )1 ( CBOBC III 1 1 1 1 1 E C i i 同理： 1 1 三.共射特性曲线各极u、i关系。 1.输入特性 CE U BEB ufi)( （1）UCE=0 曲线右移。 非平衡少子的复合 基区集电结耗尽层 一定 B U CE I U BE （2）0UCE1V 曲线不动。 收集几乎全被 基区非平衡少子集电结耗尽层 CBOEPCB

11、OBNEPB CE IIIIIIc U C CE B i u I 收集能力 集电结反偏）（ 一定若 1 2.输出特性 B I CEC ufi)( （2）uCEuBE, 集电结电场很 强，几乎全部收集非平衡少 子。 iC几乎不变。 若uCE一定 BC BC ii II ，可计算由 B C i i 三个工作区 （1）截止区 特点：iB=0, iC=ICEO0 条件：uBEuBE 均反偏 （2）放大区 特点：iB0，iC=iB 条件：uBEUTH uCEuBE 一正、一反 （3）饱和区 特点：uCE=UCES0.7V，iCUTH uCEuBE 均正偏 临界饱和线： uCE=uBE 四.主要参数 1.

12、直流参数 CBOB CBOC B CN II II I I E CN I I 定义： B C I I （3）ICBO、ICEO E C I I CBO IT 硅： ICBOf 3.极限参数指T安全工作对u、i、p的限制。 （1）PCM: 最大集电极耗散功率。 若pCPCM, 过热，损坏。 （2）ICM: 最大集电极电流。 0 3 2 CCM C II I 当iC=ICM时，T不一定损坏。 （3）U(BRCEO): 极间反向击穿电压。 当uCE U(BRCEO )时，T可能击 穿。 过流区 过压区 安全区的条件： iCICM pCPCM uCE U(BRCEO ) 五.温度对三极管特性及参数的影

13、响 1.ICBOT少子数ICBOICEO输出特性曲线上移 iC=iB+ICEO CT ICBO 10 1 一般： 2.UBE 3. T扩散IB=(IEP +IBN-ICBO) （uBE一定）输出 特性曲线左移. CmV T U BE /)5 . 22(一般： T扩散 ICN 复合IBN 曲线族间距 BN CN I I C T /%15 . 0 1 一般： 1.4 FET JFET IGFET(MOSFET) 利用电场效应来控制半导体中多子运动的器件 只有一种载流子参与导电 单极型三极管。 一、JFET 1.种类与结构 NJFET PJFET (1) “”: 可理解为 由此可知是P沟道 还是N沟

14、道。 （2）与NPN管对应。 （3）结构对称 S、D可互换 C、E不行 P沟道结型场效应管 2.工作原理工作时，UGS0 (1) uDS 0时, uGS对导电沟道的控制作用 |uGS|=VGG沟道rds |uGS|=|UGS(off)|沟道消失rds 可见：栅、源之间电压越负，越不利于导通。 （2） UGS(off) uGS UGS(off) 上窄下宽iD 线性增长 b. uDS uGD=UGS(off) 预夹断 c. uDS uGDuGS- UGS(off)时，uGS 对iD的影响 若uDS=UDS uGS沟道截面iD GS D m u i g 低频跨导 3.特性曲线 当、uDSuGS- U

15、GS(off)时，夹断uDS iD几乎不变。 (1) 输出特性 GS U DSD ufi)( uGS沟道截面iD 特点：iD0 条件：uGSUGS(off); uDSuGS- UGS(off) K u i r GS U DS D ds 1 特点： UGSK rds 压控电阻 uDS小 条件：uGSUGS(off); uDSuGS- UGS(off) DS U GSD ufi)( （2）转移特性曲线 只关心恒流区。 2 )( )1 ( offGS GS DSSD U u Ii可证明： UGS(off)uGS0 Note: NJFET, uGS0. 二、IGFET 返回返回 NMOS PMOS E

16、 D E D 1.种类与结构 (2) B、S不连，S、D可互换； 若连，则不可。 （1）G绝缘IGFET(MOSFET) (3)单独使用要连，IC中不 连，且USB0，才能工作。 （4）符号 B PMOS E D 2.原理工作时，uGS0, uDS0 (1) uDS 0时, uGS对导电沟道的控制 作用 耗尽层形成空穴下移 GS u 沟道刚形成 )(thGSGS Uu dsGS ru沟道 (2)uGSUGS(th), uDS对iD的影响 线性）沟道左宽右窄、( )( DthGSGDDS iUuua 右端夹断（预夹断）、 )(thGSGDDS Uuub 几乎不变夹断区、 DthGSGDDS iU

17、uuc )( 3.特性曲线 当、uDSuGS- UGS(th)时，夹断uDS iD几乎不变。 GS U DSD ufi)( uGS沟道截面iD (1) 输出特性 特点：iD0 条件：uGSUGS(th); uDSuGS- UGS(th) K u i r GS U DS D ds 1 特点： UGSK rds 压控电阻 uDS小 条件：uGSUGS(th); uDSuGS- UGS(th) DS U GSD ufi)( （2）转移特性曲线 只关心恒流区。 2 )( ) 1( thGS GS DOD U u Ii可证明： UGS(th)uGS0; PJFET, uGS0所需的最小|uGS| （2）

18、UGS(off)对JFET和DMOS管，UDS=常，使iD=0所需的|uGS| （3）IDSS对NJFET和DMOS管，在uGS=0时，产生的iD （4）RGS(DC) 97 )( 1010 GS GS DCGS I U R DS U GS D m u i g 2.交流参数 （1）gm Q gm B (2) 极间电容 Cgs, Cgd: 13PF Cds: 0.11PF 3.极限参数 （1）IDM：正常工作 时，iD的上限。 （2）U(BR)DS：进入恒流区 后，使iD突增的电压。 U(BR)GS：栅源间的击穿电压。 （3）PDM：漏极最大功耗 Note：Q=Cgs UGS Cgs很小，不大的Q可产生大的UGS. G、S间必须提供直流通路，G不能悬空。 例.1知：UGS(off) = -4VIDSS= 4mA 为使IL=恒值，RL=? uGS =0, iD=IDSS= 4mA 解. 为使IL=恒值，T必须在恒流区。 uDS uGS- UGS(off) =4V 而uD