模拟电子学课件

(1-1)

第一章

半导体器件模拟电路(1-1)第一章模拟电路(1-2)第一章半导体器件§1.1

半导体的基本知识§1.2

PN

结及半导体二极管§1.3

特殊二极管§1.4

半导体三极管§1.5

场效应晶体管(1-2)第一章半导体器件§1.1半导体的基本知识(1-3)§1.1半导体的基本知识1.1.1导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。(1-3)§1.1半导体的基本知识1.1.1导体、半导(1-4)(1-4)(1-5)

半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：

当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。

往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。(1-5)半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有(1-6)1.1.2

本征半导体一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。(1-6)1.1.2本征半导体一、本征半导体的结构特点Ge(1-7)本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：(1-7)本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅(1-8)硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子(1-8)硅和锗的共价键结构共价键共+4+4+4+4+4表示(1-9)共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4(1-9)共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电(1-10)二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴(1-10)二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和(1-11)+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子(1-11)+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子(1-12)2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。动态模型本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。(1-12)2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力(1-13)温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。

2.空穴移动产生的电流。(1-13)温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电(1-14)1.1.3

杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。(1-14)1.1.3杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量(1-15)一、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。(1-15)一、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素(1-16)+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。(1-16)+4+4+5+4多余磷原子N型半导体中的载流子(1-17)二、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。(1-17)二、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素(1-18)三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。(1-18)三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－(1-19)§1.2PN结及半导体二极管2.1.1PN

结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。(1-19)§1.2PN结及半导体二极管2.1.1PN(1-20)P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。(1-20)P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－(1-21)漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。(1-21)漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－(1-22)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0动态演示(1-22)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－(1-23)1、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区

中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P

区中的电子和N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:(1-23)1、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电(1-24)2.1.2PN结的单向导电性

PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。

PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：

P区加负、N区加正电压。(1-24)2.1.2PN结的单向导电性PN结加上正向(1-25)－－－－++++RE一、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。(1-25)－－－－++++RE一、PN结正向偏置内电场外(1-26)二、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE(1-26)二、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场(1-27)2.1.3

半导体二极管一、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：(1-27)2.1.3半导体二极管一、基本结构PN结加上(1-28)

二、伏安特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR(1-28)二、伏安特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0(1-29)三、主要参数1.最大整流电流

IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。(1-29)三、主要参数1.最大整流电流IOM二极管长期(1-30)3.反向电流

IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。(1-30)3.反向电流IR指二极管加反向峰值工作电压时(1-31)4.微变电阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。(1-31)4.微变电阻rDiDuDIDUDQiD(1-32)PN结的电流方程PN结所加端电压U与流过它的电流I的关系为：其中Is为反向饱和电流，UT为kt/q，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子的电量，常温下，T＝300K时，UT可取26mv对于二极管其动态电阻为：(1-32)PN结的电流方程PN结所加端电压U与流过它的电流(1-33)5.二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P

区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。P+-N(1-33)5.二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此(1-34)CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd(1-34)CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，(1-35)二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流(1-35)二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(1-36)二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo(1-36)二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLui(1-37)二极管的击穿

二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。

击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。齐纳击穿：高掺杂情况下，耗尽层很窄，宜于形成强电场，而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子－空穴对，致使电流急剧增加。

雪崩击穿：如果搀杂浓度较低，不会形成齐纳击穿，而当反向电压较高时，能加快少子的漂移速度，从而把电子从共价键中撞出，形成雪崩式的连锁反应。

对于硅材料的PN结来说，击穿电压〉7v时为雪崩击穿，<4v时为齐纳击穿。在4v与7v之间，两种击穿都有。这种现象破坏了PN结的单向导电性，我们在使用时要避免。

击穿并不意味着PN结烧坏。(1-37)二极管的击穿

二极管处于反向偏置时，在一定的电(1-38)§1.3特殊二极管1.3.1

稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。(1-38)§1.3特殊二极管1.3.1稳压二极管UII(1-39)（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压

UZ（2）电压温度系数U（%/℃）

稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻(1-39)（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax(1-40)稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:负载电阻。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。求：电阻R和输入电压ui的正常值。——方程1(1-40)稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL(1-41)令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：(1-41)令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmi(1-42)1.3.2光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加(1-42)1.3.2光电二极管反向电流随光照强度的增加(1-43)1.3.3发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。(1-43)1.3.3发光二极管有正向电流流过时，发出一定(1-44)§1.4半导体三极管1.4.1

基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型(1-44)§1.4半导体三极管1.4.1基本结构BEC(1-45)BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高(1-45)BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度(1-46)BECNNP基极发射极集电极发射结集电结(1-46)BECNNP基极发射极集电极发射结集电结(1-47)1.4.2电流放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE

，多数扩散到集电结。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。(1-47)1.4.2电流放大原理BECNNPEBRBEC(1-48)BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。(1-48)BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形(1-49)IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBE动态演示(1-49)IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPE(1-50)ICE与IBE之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。(1-50)ICE与IBE之比称为电流放大倍数要使三极管能放(1-51)BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管(1-51)BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEI(1-52)1.4.3

特性曲线ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

实验线路(1-52)1.4.3特性曲线ICmAAVVUCEUBE(1-53)一、输入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V

死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。(1-53)一、输入特性UCE1VIB(A)UBE(V(1-54)二、输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。(1-54)二、输出特性IC(mA)1234UCE(V)(1-55)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。(1-55)IC(mA)1234UCE(V)36912I(1-56)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。(1-56)IC(mA)1234UCE(V)36912I(1-57)输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且

IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

(1-57)输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电(1-58)例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？当USB

=-2V时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大饱和电流：Q位于截止区

(1-58)例：=50，USC=12V，当USB=(1-59)例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？IC<

ICmax(=2mA)

，

Q位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB

=2V时：(1-59)例：=50，USC=12V，IC<IC(1-60)USB

=5V时:例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIC>

Icmax(=2mA)，Q位于饱和区。(实际上，此时IC和IB

已不是的关系）(1-60)USB=5V时:例：=50，USC=1(1-61)三、主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：1.电流放大倍数和

(1-61)三、主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输(1-62)例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：=(1-62)例：UCE=6V时：IB=40A,I(1-63)2.集-基极反向截止电流ICBOAICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。(1-63)2.集-基极反向截止电流ICBOAICBOIC(1-64)BECNNPICBOICEO=

IBE+ICBO

IBEIBEICBO进入N区，形成IBE。根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。集电结反偏有ICBO3.集-射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。(1-64)BECNNPICBOICEO=IBE+IC(1-65)4.集电极最大电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。5.集-射极反向击穿电压当集---射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。(1-65)4.集电极最大电流ICM集电极电流IC上升会导致(1-66)6.集电极最大允许功耗PCM

集电极电流IC

流过三极管，所发出的焦耳热为：PC=ICUCE

必定导致结温上升，所以PC

有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区(1-66)6.集电极最大允许功耗PCM集电极电流IC(1-67)§1.5场效应晶体管场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种:(1-67)§1.5场效应晶体管场效应管与双极型晶体管不同(1-68)N基底：N型半导体PP两边是P区G(栅极)S源极D漏极一、结构1.5.1结型场效应管:导电沟道(1-68)N基底：N型半导体PP两边是P区G(栅极)S源(1-69)NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管DGSDGS(1-69)NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管D(1-70)PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管DGSDGS(1-70)PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管D(1-71)二、工作原理（以P沟道为例）UDS=0V时PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。(1-71)二、工作原理（以P沟道为例）UDS=0V时PGS(1-72)PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V时NNUGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。但当UGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。(1-72)PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V时NNU(1-73)PGSDUDSUGSNNUDS=0时UGS达到一定值时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS0V，漏极电流ID=0A。ID(1-73)PGSDUDSUGSNNUDS=0时UGS达到一(1-74)PGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS>0、UGD<VP时耗尽区的形状NN越靠近漏端，PN结反压越大ID(1-74)PGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS>0、U(1-75)PGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS较大时UGD<VP时耗尽区的形状NN沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。ID(1-75)PGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS较大时U(1-76)GSDUDSUGSUGS<VpUGD=VP时NN漏端的沟道被夹断，称为予夹断。UDS增大则被夹断区向下延伸。ID(1-76)GSDUDSUGSUGS<VpUGD=VP时(1-77)GSDUDSUGSUGS<VpUGD=VP时NN此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。ID(1-77)GSDUDSUGSUGS<VpUGD=VP时N(1-78)三、特性曲线UGS0IDIDSSVP饱和漏极电流夹断电压转移特性曲线一定UDS下的ID-UGS曲线(1-78)三、特性曲线UGS0IDIDSSVP饱和漏极电流(1-79)予夹断曲线IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线0(1-79)予夹断曲线IDUDS2VUGS=0V1V3V4(1-80)N沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线UGS0IDIDSSVP(1-80)N沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线UGS0(1-81)输出特性曲线IDUDS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN沟道结型场效应管的特性曲线(1-81)输出特性曲线IDUDS0UGS=0V-1V-3(1-82)

结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2.在