模拟数字电路：第14章 半导体器件

1、14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性共价健共价健 Si Si Si Si价电子价电子 Si Si Si Si价电子价电子这一现象称为本征激发。这一现象称为本征激发。空穴空穴自由电子自由电子 Si Si Si Sip+多多余余电电子子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个失去一个电子变为电子变为正离子正离子动画动画 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴动画动画多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差 扩散的结果使扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结 +动画动画形成空

2、间电荷区形成空间电荷区动画动画+PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF内电场内电场PN+动画动画+ 内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IR动画动画+阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳( a ) 点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型图

3、图 1 12 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号D反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+Current EquationTs(e1)UUIIUUT：Te1UU|U|UT：Te1UUI Is 定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的，例例1：D6V12V3k BAUAB+例例2:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+V sin18itu t 动画动画UZIZIZM UZ IZ_+UIOZZ ZIUruoiZDZRiLiuiRL5

4、mA 20mA, V,10minmaxzzzWIIU k2LR解：mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi Equation-1Input Voltage ui 20%，R?Zener Diode CircuitVoltage Stabilizing DiodemA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi Equation-2uoiZDZRiLiuiRLApplication LED lamp Optical Diode (Photo Diode) Laser DiodeOptical-DiodeFibre Optical CommunicationLase

5、r Printer CD-ROM: Compact Disk DVD: Digital Video Disc WeaponWeaponhttp:/ CEOBCBOBC)(1 IIIII BC CEO III ，有，有忽略忽略Current Division（1）IE Emitting Emitter current（2） IB recombination Base current （3）IC Collecting Collector CurrectBipolar Ie Jbe Majority Diffusion Ic Jbc Minority DriftCurrent Division 即管

6、子各电极电压与电流的关系曲线，是管子即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。是分析放大电路的依据。 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线共发射极电路共发射极电路输入回路输入回路输出回路输出回路ICEBmA AVUCEUBERBIBECV+常数常数 CE)(BEBUUfIIB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1VOIB=020 A40 A60 A80 A100 A常数常数 B)(CECIUfI36IC(mA )12

7、34UCE(V)912O放大区放大区O BCII_ BCII 53704051BC.II 400400605132BC .II ICBO A+EC AICEOIB=0+ICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区ICUCEO 场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一种场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，即是半导体器件，即是。它的输出电流决。它的输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的流，所以它的输入电阻高，且温度稳定性好。输入电阻高，且温度稳定性好。按结构不同按结构不同场效应管有两种场效应管有两种: :本节仅

8、介绍绝缘栅型场效应管本节仅介绍绝缘栅型场效应管按工作状态可分为：按工作状态可分为：每类每类又有又有和和之分之分漏极漏极D金属电极金属电极栅极栅极G源极源极SSiO2绝缘层绝缘层P P型硅衬底型硅衬底 高掺杂高掺杂N区区GSD 由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达电阻很高，最高可达1014 。漏极漏极D金属电极金属电极栅极栅极G源极源极SSiO2绝缘层绝缘层P P型硅衬底型硅衬底 高掺杂高掺杂N区区 由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属二氧化硅，故又称金属- -氧化物氧化

9、物- -半导体场效应管，半导体场效应管，简称简称MOS场效应管。场效应管。EGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+ 由结构图可见由结构图可见，N+型漏区和型漏区和N+型源区之间被型源区之间被P型型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结结。 当栅源电压当栅源电压UGS = 0 时时，不管漏极和源极之间所不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其加电压的极性如何，其中总有一个中总有一个PN结是反向结是反向偏置的，反向电阻很高，偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零漏极电流近似为零。SDEGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+ 当当UGS

10、 0 时，时，P P型衬底中的电子受到电场力的吸型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；N型导电沟道型导电沟道EGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+N型导电沟道型导电沟道当当UGS UGS(th(th）后，场后，场效应管才形成导电沟道，效应管才形成导电沟道，开始导通，开始导通，若漏若漏源之间源之间加上一定的电压加上一定的电压UDS，则，则有漏极电流有漏极电流ID产生。在产生。在一定的一定的UDS下下漏极电流漏极电流ID的大小与栅源电压的大小与栅源电压UGS有有关。所以，场效应管是关。所以，场效应管是一种电压控制电流

11、的器一种电压控制电流的器件。件。 在一定的漏在一定的漏源电压源电压UDS下，使管子由不导通变下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(thth）。有导电沟道有导电沟道无导电无导电沟道沟道UDSUGS/ID/mAUDS/Vo oUGS= 1VUGS= 2VUGS= 3VUGS= 4VN型衬底型衬底P+P+GSD符号：符号：结构结构SiO2绝缘层绝缘层加电压才形成加电压才形成 P型导电沟道型导电沟道 增强型场效应管只有当增强型场效应管只有当时才形成导时才形成导电沟道。电沟道。GSD符号：符号：SiO2绝缘层中绝缘层中掺有正离子掺有正离子予埋了予埋了

12、N型型 导电沟道导电沟道 由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在UGS= 0时，时，若漏若漏源之间加上一定的电压源之间加上一定的电压UDS，也，也会有漏极电流会有漏极电流 ID 产生。产生。 当当UGS达到一定达到一定负值时，负值时，N型导电沟道消失，型导电沟道消失，ID= 0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的这时的UGS称为夹断电压，用称为夹断电压，用UGS(off(off）表示。表示。 夹断电压夹断电压 耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS= 0时就有导电沟道，加反时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。向电压到一定值时才能夹断。 UGS(off)转移特性曲线转移特性曲线0ID/mA UGS /V-1-2