模拟电子电路原理与设计基础：1 常用半导体器件

1、模拟电子技术基础 教材与参考书教材： 刘祖刚， 模拟电子电路原理与设计基础 机械工业出版社参考书： 童诗白，华成英，模拟电子技术基础 康华光，陈大钦，电子技术基础引论： 小故事- 鱼 就 是 鱼 引论：模电课程的重要性通信系统半导体器件半导体材料杂质半导体半导体二极管双极型三级管场效应管常见结构及伏安特性主要参数PN 结等效电路本征半导体基础知识形 成单向导电性稳压二极管结 型放大电路绝缘栅型结构及类型工作原理特性曲线主要参数非线性元件等效电路应用举例直流偏置电路静态工作点小信号模型法总结与思考BJT与FET比较基础知识 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 典型的半

2、导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体材料半导体的共价键结构（Si、Ge）平面结构空间排列Exit本征半导体本征激发:价电子获得足够能量而挣脱共价键的束缚,成为 自由电子,这种激发称本征激发.电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对本征半导体空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依 次充填空穴来实现的。Exit 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。杂质半导体杂质半导体 N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。Exit 1. N

3、型半导体 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导体施主原子提供的多余的电子杂质半导体Exit 2. P型半导体 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三

4、价杂质 因而也称为受主杂质。动画P型半导体杂质半导体Exit 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: T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 3. 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响杂质半导体Exit 本节中的有关概念 本征半导体、本征激发自由电子空穴N型半导体、施主杂质(5价)P型半导体、受主杂质(3价) 多数载流子、少数载流子杂质半导体复合*半导

5、体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度载流子浓度导电能力*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力本节中的相关概念ExitPN结的形成一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。PN结的形成在结合面上： 因浓度差空间电在结合面上：荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 PN结的形成 对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 PN结的形成ExitPN结的单向导电性 当外加电压使

6、PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 PN结的单向导电性 (1) PN结正偏时低电阻大的正向扩散电流伏安特性导电情况 (2) PN结反偏时伏安特性导电情况高电阻很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 PN结正偏的伏安特性PN结反偏的伏安特性Exit PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。PN结的单向导

7、电性Exit半导体二极管的常见结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1) 点接触型结构示意图1二极管的常见结构及伏安特性(2) 面接触型(3) 平面型(4) 代表符号特点1结构示意图2特点2结构示意图3特点3PN结面积小，结电容小用于检波和变频等高频电路用于低频大电流整流电路PN结面积大用于高频整流和开关电路PN 结面积可大可小往往用于集成电路制造艺中代表符号Exit半导体二极管图片二极管图片1123Exit二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管2CP10的V-I 特性锗二极管2AP15的V-I 特性正向特性反向

8、特性反向击穿特性二极管的伏安特性Exit二极管的主要参数(1) 最大整流电流IF(2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3) 反向电流IR(4) 最高工作频率fM(5) *极间电容CB二极管主要参数Exit3. 半导体二极管的非线性伏安特性非线性元件的认识1. 线性元件回顾电阻：元件两端的电压是元件通过的电流的线性函数电容：元件存储的电荷是元件两端的电压的线性函数电感：元件内部的磁通是元件通过的电流的线性函数电 阻电 容电 感2.线性电阻的伏安特性 即：欧姆定律iuR图图二极管的等效电路Exit数学模型方法图解分析方法模型简化方法折线化或其他简化模型小信号线性化方法其本质是对非线性

9、元件伏安特性的模型再构建含非线性元件的电路一般分析方法非线性元件的认识二极管的等效电路非线性元件的认识Exit二极管等效电路设有如右图含二极管的非线性电路，电路分析要解出iD 和vD 。（分析方法有四种）(1) 采用数学模型方法（需解非线性方程）V- I 特性建模二极管的等效电路Exit由：iD=(VDD-vD)/R（2）应用图解分析方法vD 0 时 iD=VDD/R iD 0 时 vD =VDD因为加有正向电压，所以在二极管的正向伏安特性上作负载线 VDDiuiDvDVDDR则在两线的交叉点上为所求二极管的等效电路Exit 1. 理想模型3. 折线模型 2. 恒压降模型（3）应用简化模型方法

10、二极管的等效电路Exit根据得Q点处的微变电导则常温下 T=300K 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻，即：（4）小信号模型二极管的等效电路Exit 简化模型法分析静态工作情况（直流工作点） 电路如下图：分别求解VDD =10V和1V时电路直流工作状态，设R=10 KExit二极管的等效电路应用举例(1) VDD=10V理想模型：恒压模型折线模型+-vDiDVDDVD应用举例Exit二极管的等效电路+-vDiDVDDVD（2）VDD=1V 时理想模型恒压模型折线模型应用举例结论结论 理想模型便于计算，折线模型比较精确，恒压模型适中。 根据所加电压Vi选择模

11、型：当Vi较大时，用理想模型；当Vi接近 VD时，用恒压模型或折线模型。Exit二极管的等效电路 非线性元件的特点及其一般分析方法 二极管伏安特性的四种建模方法 简化模型方法：应用、条件、特点 图解方法和小信号分析方法的应用本节中的有关概念Exit二极管的等效电路稳压二极管1. 符号及稳压特性(a)符号(b) 伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。 稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。稳压二极管Exit(1) 稳定电压VZ(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 =VZ /IZ(3)最大稳定工作电流 IZmax和最小稳定工作电流 IZmin(4)

12、稳定电压温度系数 ：2. 稳压二极管主要参数稳压二极管Exit正常稳压时 VO =VZ# 稳压条件是什么？IZmin IZ IZmax# 不加R可以吗？# 上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ ， VO的波形是怎样的？图3. 稳压电路稳压二极管Exit三极管的结构及类型 半导体三极管的结构示意图如图1.3.3所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管发射结(Je) 集电结(Jc) 基极，用B或b表示（Base） 发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。 发射区集电区基区三极管的结构Exit 结构特点： 发射区的掺杂浓度最高 集电区掺杂浓

13、度低于发射区，且面积大； 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。管芯结构剖面图三极管的结构及类型Exit 以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。 三极管的结构及类型Exit三极管的放大原理归结为： 外部条件：发射结正偏 集电结反偏 内部机制：载流子传输 BJT放大原理三极管的工作原理Exit发射区：发射载流子（IE）基 区：载流子复合（IB）与扩散集电区：收集扩散载流子（InC）并存在反向漂移电流（ICBO） （以NPN为例） 1.内部载流子传输过程载流子的传输过程三极

14、管的工作原理Exit2. 电流分配关系根据传输过程可知： IC= InC+ ICBOIB= IB - ICBO通常 ： IC ICBO 为电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 = 0.90.99IE=IB+ IC电流分配关系三极管的工作原理Exit根据 是另一个电流放大系数，同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 1IE=IB+ IC IC= InC+ ICBO且令：ICEO= (1+ ) ICBO（穿透电流）2. 电流分配关系三极管的工作原理Exit电压增益电流增益互导增益信号源负载放大作用简释：模拟信号的放大互阻增益三极管的工作原

15、理2. 电流分配关系Exit3. 三极管的三种组态共集电极接法：集电极作为公共电极，用CC表示。共 基 极 接 法：基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法：发射极作为公共电极，用CE表示。BJT的三种组态三种组态三极管的工作原理Exit4. 放大作用若vI = 20mV使当则电压放大倍数RLecb1k共基极放大电路VEEVCCVEBIBIEIC+-vI+vEBvO+-+iC+iE+iBiE = -1 mA，iC = iE = -0.98 mA，vO = -iC RL = 0.98 V， = 0.98 时，共基放大三极管的工作原理Exit+-bceRL1k共射极放大电路IE+-vI+vBEv

16、O+-+iC+iE+iBvI = 20mV 设若则电压放大倍数iB = 20 uAvO = -iC RL = -0.98 V， = 0.98使共射放大4. 放大作用三极管的工作原理Exit 综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。总结三极管的工作原理Exit三极管的特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const(2) 当vCE1V时 vCB= vCE - vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收 集电子

17、，基区复合减少，同样的vBE下 IB减小，特性曲线右移。(1) 当vCE=0V时 相当于发射结的正向伏安特性曲线。1. 输入特性曲线（以共射极放大电路为例）图vCE = 0VvCE = 0VvCE 1V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE三极管的特性曲线Exit三极管特性曲线（输入）(3) 输入特性曲线的三个部分死区非线性区线性区 iB=f(vBE) vCE=const1. 输入特性曲线（以共射极放大电路为例）图+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE三极管的特性曲线Exit三极管特性曲线（输出）三极管的特性曲线饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该

18、区域内，一般vCE0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏iC=f(vCE) iB=const2. 输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时， vBE小于死区电压，集电结反偏。放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。饱和区截止区放大区Exit1. 电流放大系数 三极管的主要参数三极管的主要参数 (1)共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const图(2) 共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const图Exit (3)共基极直流电流放大系数 =（I

19、CICBO）/IEIC/IE (4)共基极交流电流放大系数 =IC/IE VCB=const 当ICBO和ICEO很小时， 、 ，可以不加区分。1. 电流放大系数 三极管的主要参数三极管的主要参数Exit 2. 极间反向电流ICEO 即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。 ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。三极管的主要参数 (1) 集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。 图 (2) 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO=（1+ ）ICBO 图三极管的主要参数Exit(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许功率损耗PCM PC

20、M= ICVCE 3. 极限参数三极管的主要参数三极管的主要参数Exit 由PCM、 ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。三极管的主要参数(3)晶体管安全工作区 3. 极限参数三极管的主要参数Exit4. 反向击穿电压 V(BR)CBO发射极开路时的集电结反 向击穿电压。 V(BR) EBO集电极开路时发射结的反 向击穿电压。 V(BR)CEO基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO三极管的主要参数三极管的主要参数Exit两个条件（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且

21、基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。思考1：可否用两个二极管相连构成一个三极管？思考2：可否将e和c交换使用思考2：外部条件对PNP管和NPN管各如何实现？IE=IB+ ICIC=IBIC=IE 综上，三极管的放大作用，是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。一组公式总结与思考Exit1. 结构 结型场效应管Exit 源极(Souce)用S或s表示N型导电沟道漏极(Drain)用D或d表示 P型区栅极，用G或g表示符号符号# 符号中的箭头方向表示什么？2. 名词与符号结型场效应管Exit VGS对沟道的控制作用当VGS0时（以N沟道JFET为例） 当

22、沟道夹断时，对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。对于N沟道的JFET，VP 0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄。 VGS继续减小，沟道继续变窄3. 工作原理结型场效应管Exit VDS对沟道的控制作用当VGS=0时VDSID G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。 当VDS增加到使VGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时VDS 夹断区延长沟道电阻ID基本不变（以N沟道JFET为例）3. 工作原理结型场效应管工作原理2Exit VGS和VDS同时作用当VP VGSVGS0, VDS 0 当VGS为零或较小的正值时，

23、源区和漏区之间均被空间电荷区隔断。2. N沟道增强型MOS管的工作原理原始状态绝缘栅型场效应管(MOS管)Exit(c) VGS VGS(th),VDS 0(d) VGS VGS(th), VDS 0形成导电沟道N型导电沟道 形成自漏区到源区的漏极电流。D端加有电压，导电沟道不均匀。绝缘栅型场效应管(MOS管) 导电沟道形成2. N沟道增强型MOS管的工作原理Exit(f) VGS VGS(th) , VDS = VGS -VGS(th)则 VGD=VGS-VDS VGS(th)(e) VGS VGS(th) , VGS -VGS(th) VDS 0此时VDS VGD漏端沟道变窄ID基本不变V

24、GA=VGS(th)VGD = VGS-VDS =VGS（th）(2) VDS对沟道的控制作用VDSID 即绝缘栅型场效应管(MOS管)图图预夹断2. N沟道增强型MOS管的工作原理Exit 增强型MOS管的基本工作原理：在栅极电压作用下，漏区和源区之间形成导电沟道。在漏极电压作用下，源区电子沿导电沟道行进到漏区，产生自漏极流向源极的电流。改变栅极电压，控制导电沟道的导电能力，使漏极电流发生变化。与JFET相比，两者结构不同，产生沟道的方式不同。但都是利用沟道导电，且外特性都表现为栅源电压控制漏极电流。综上分析可知绝缘栅型场效应管(MOS管)Exit 输出特性 转移特性3. N沟道增强型MOS

25、管的特性曲线绝缘栅型场效应管(MOS管)ExitP沟道增强型MOSFET绝缘栅型场效应管(MOS管)Exit1.耗尽型制造工艺 N沟道耗尽型MOSFET简介在氧化层中引入一些金属正离子，或者在半导体表面进行专门的掺杂，可在P型半导体表面形成原始的反型层导电沟道。绝缘栅型场效应管(MOS管)Exit2. 导电机理与伏安特性 当加电压VDS后，即使VGS0，也存在电流ID。 只有当VGS加反向电压至一定大小，ID=0时，VGS0。伏安特性的变化形式及性质与增强型一样。N沟道耗尽型MOSFET简介绝缘栅型场效应管(MOS管)Exit使用MOSFET中的注意事项结构上漏极和源极可以互换，前提是衬底有引

26、线引出。原理上MOSFET是绝缘栅输入结构，没有电荷的泄放通道，极易造成静电击穿。存取时尤须注意。MOSFET在焊接时，静电击穿的危险更大。所以无论器件内部是否有静电保护，均须接地良好焊接或断电后余热焊接。绝缘栅型场效应管(MOS管)Exit思考与习题思考题比较BJT、JFET、MOSFET三类器件的输入电阻大小，原因何在？Exit1. 电路特点FET的直流偏置电路 栅极只需要偏压，不需要偏流 各类FET的偏置极性区别： N沟道器件加正漏源偏压； P沟道器件加负漏源偏压； 耗尽型器件加反极性栅压； 增强型器件加同极性栅压； 采用偏置稳定电路场效应管放大电路Exit(1)自偏压电路(2) 分压式自偏压电路vGSvGSvGSvGSvGSvGS =- iDR2. 典型电路FET