第一章 常用半导体器件ppt课件

1、.,模拟电子技术基础 第四版 清华大学 华成英 童诗白 主编,.,前 言,自然界中的两大类信息，模拟信息和数字信息都可以通过物理或化学的转换方式变成电信号。那么如何处理，应用这两类信息，用什么器件和电路来完成这些任务？怎样能够系统地分析和设计这两类电路？这就是电类专业学生所必须要掌握的知识。模拟电子技术基础和数字电子技术基础课程也正是你建筑电子信息系统大厦的最佳基石。,处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。,模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。,数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。,.,1. 本课程的性质,是一门技术基础课,2. 特点,非纯理论性课程,实践性很强,以工程实践的观点来处理电

2、路中的一些问题,3. 研究内容,以器件为基础、以信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。,4. 教学目标,能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计。,.,5. 学习方法,重点掌握基本概念、基本电路、基本方法。,6. 参考书,(1) 康华光主编，电子技术基础 模拟部分 第四版，高教出版社,(2) D.A.Neamen，Electronic Circuit Analysis and Design Second Edition， McGrawHill,7.考核方式 期末闭卷笔试；平时成绩占30，期末考核占70。,.,.,第一章 常用半导体器件,1.

3、1 半导体的基本知识,1.2 半导体二极管,1.3 晶体三极管,1.4 场效应管,.,1.1 半导体的基本知识,在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,.,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,一. 本征半导体,本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,.,这一

4、现象称为本征激发，也称热激发。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子,空穴,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。,.,可见本征激发同时产生电子空穴对。 外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象复合,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,常温300K时：,电子空穴对,.,自由电子 带负电荷 电子流,总电流,空穴 带正电荷 空穴流,本征半导体的导电性取决于外加能量： 温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,导电机制,.,

5、二. 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。,1.N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。,.,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,.,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,2.P型半导体,.,杂质半导体的示意图,多子电子,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度与温度有关,多子浓度与温度无关,.,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促

6、使少子漂移。,PN结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,三. PN结及其单向导电性,1 . PN结的形成,.,动态平衡：,扩散电流 漂移电流,总电流0,.,2. PN结的单向导电性,(1) 加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,.,(2) 加反向电压电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关

7、，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,.,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,.,3. PN结的伏安特性曲线及表达式,根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图,正偏,IF（多子扩散）,IR（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿烧坏PN结,电击穿可逆,.,根据理论分析：,u 为PN结两端的电压降,i 为流过PN结的电流,IS 为反向饱和电流,UT =kT/q 称为温度电压当量,其中k为玻耳兹曼常数 1.381023 q

8、 为电子电荷量1.6109 T 为热力学温度 对于室温（相当T=300 K） 则有UT=26 mV。,当 u0 uUT时,当 u|U T |时,.,4. PN结的电容效应,当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,(1) 势垒电容CB,.,(2) 扩散电容CD,当外加正向电压 不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,极间电容（结电容）,.,1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的结构,1.2.2 二极管的伏安特性与参数,1.2.3 二极管的

9、等效电路,1.2.5 其它半导体二极管,.,半导体二极管图片一,.,半导体二极管图片二,.,半导体二极管图片三,.,1.2.1 半导体二极管的结构,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) 点接触型二极管,.,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,(4) 二极管的代表符号,.,二极管与PN结伏安特性曲线的区别： 1.二极管存在串连电阻R. 2.二级管存在反向漏电.,1.2.2 二极管的伏安特性与

10、参数,D,E,反向漏电,开启电压 Uon,导通电压,二极管的伏安特性仍可由,近似描述。,IS：反向饱和电流 UT：电压当量，室温下26mV,IR,.,二极管伏安特性与温度T的关系：,由于IS随T 的增加而增加，所以二极管的正向压降VF随T 的增加而降低。一般线性减少22.5mV/C （利用该特性，可以把二极管作为温度传感器）,二极管参数：,(1) 最大整流电流IF,(2) 反向击穿电压UBR和最大反向工作电压UR,(3) 反向电流IR UR下的反向电流,(4) 最高工作频率fM 1N4000系列整流管：3kHz；1N4148开关管：MHz,.,1.2.3 二极管的等效电路,2、开关模型：正向导

11、通时。相当于理想二极管串联一个0.7伏（导通电压，非UON）的恒定电压源，特性曲线如图（b)所示。由于该模型比较简单，在模拟电路里用得比较多。,1、理想二极管模型：正向工作时二极管导通电压等于0。反向时，二极管开路，特性曲线如图（a)所示。一般适用于大信号工作状态。例如逻辑电路、整流电路中。,理想二极管符号,开关模型等效电路,.,3、折线模型：正向导通时。相当于理想二极管串联一个等效电阻rD和一个电压源UON ，特性曲线如图（c)所示。,（c） 折线模型,4、微变等效模型：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rd 。,（c） 折线模型,（d）微变等效模型,.,

12、即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,微变电阻rd 计算,.,二极管的近似分析计算,例：,串联电压源模型,测量值 9.32mA,相对误差,理想二极管模型,相对误差,0.7V,.,例：二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为ui。 (1)若 ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo,解：（1）采用理想模型分析。,(2) 采用理想二极管串联电压源模型分析。,.,（2）如果ui为幅度4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。,

13、解：采用理想二极管 模型分析。波形如图所示。,.,采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。,.,1.2.5 其它半导体二极管,1. 稳压二极管,(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。,符号及稳压特性,.,(1) 稳定电压UZ,(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 =UZ /IZ,(3)最大耗散功率 PZM,(5)稳定电压温度系数VZ,稳压二极管主要参数,PZM UZ IZmax,(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,雪崩击穿：VZ 0；齐纳击穿：V

14、Z 0,1.3.2 晶体管的电流放大作用,三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。,.,（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子 ，形成了扩散电流IEN 。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。 所以发射极电流I E I EN 。,一、晶体管内部载流子的运动,（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流I B I BN 。大部分到达了集电区的边缘。,.,（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN 。,另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。,.,二、晶体管的电流分配关系,三

15、个电极上的电流关系:,IE =IC+IB,定义：,(1)IC与I E之间的关系:,所以:,其值的大小约为0.90.99。,.,(2) IC与I B之间的关系：,联立以下两式：,得：,所以：,得：,令：,.,1.3.3. 晶体管的共射特性曲线,一、 输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const,（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。,（3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显。,（2）当uCE=1V时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少， 在同一uBE 电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。,.,二、输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const

16、,现以iB=60uA一条加以说明。,（1）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。,（2） uCE Ic 。,（3） 当uCE 1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。,同理，可作出iB=其他值的曲线。,.,输出特性曲线可以分为三个区域:,饱和区iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE0.7 V。 此时发射结正偏，集电结也正偏。,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区 曲线基本平行等 距。 此时，发 射结正偏，集电 结反偏。 该区中有：,饱和区,放大区,截止

17、区,.,输出特性三个区域的特点:,(2) 截止区： uBEiC，UCES0.3V,饱和压降图释,.,临界饱和： UCES0.7V 深度饱和： UCES0.3V,深饱和,临界饱和,.,1.3.4 晶体管的主要参数,1. 电流放大倍数,共射极直流电流放大倍数,共射极交流电流放大倍数,典型值为50300,共基极直流电流放大倍数,共射极交流电流放大倍数,典型值为0.950.995,.,例：UCE=6V时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。,.,3.频率特性,集电结反向饱和电流 ICBO 是指发射极开路，C与B之间加反向电压时的反向饱和电流(A级)

18、。,穿透电流 ICEO 是指基极开路，集电极与发射极之间加反向电压时，从集电极穿过基区流入发射极的反向饱和电流。,ICEO是衡量三极管性能稳定与否的重要参数之一，其值愈小愈好。 ICBO和ICEO与温度密切相关。,2. 极间反向电流,特征频率 fT 是指 下降到1时的信号频率。,.,4. 极限参数,集电极最大允许电流 ICM 当iC超过ICM时，电流放大倍数将显著下降。,集电极最大允许功耗 PCM PCM表示集电结上允许的耗散功率的最大值。主要由管子所允许的温升及散热条件决定。当超过PCM时，管子可能烧毁。,反向击穿电压 超过反向击穿电压时，管子将发生击穿。反向击穿电压的大小不仅与管子本身的特

19、性有关，还与外电路的接法有关。,安全工作区,.,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,一、温度对ICBO的影响,温度每升高10时, ICBO约增加一倍。,温度升高，输入特性曲线将左移。,二、温度对输入特性的影响,.,三、温度对输出特性的影响,温度升高将导致IC增大。,.,1.3.6 光电三极管,利用光照强度来控制集电极电流大小，可等效为一只光电二极管与一只BJT连接组成，引出线为集电极和发射极，目前应用较多。,.,.,判断BJT工作状态的一般方法(以NPN管为例),:临界饱和电流IBS =(VCC-UCES)/ RC,.,1.4 场效应管,利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导

20、体器件称为场效应管。只有一种载流子（多子）参与导电，也称单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,.,符号,1.4.1 结型场效应管,一、结构,图 1.4.1 N 沟道结型场效应管结构图,N型沟道,栅极,源极,漏极,在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子电子可以导电。,导电沟道是 N 型的，称 N 沟道结型场效应管。,.,P 沟道场效应管,P 沟道结型场效应管结构图,P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区(N+)，导电沟道为 P 型，多数载

21、流子为空穴。,.,二、结型场效应管的工作原理,N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的。,*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流 ID 减小，反之，漏极 ID 电流将增加。,*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。,.,1. 设UDS = 0 ，在栅源之间加负电源 VGG，改变 VGG 大小。观察耗尽层的变化。,UGS = 0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽,UGS 由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。,当 UGS = UP，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压为负值。,.,UGS = 0，UDG ，ID 较大。,

22、UGS 0，UDG 0 时，耗尽层呈现楔形。,(a),(b),2. 当uGS 为UGS（Off)0中一固定值时, uDS 对漏极电流iD的影响。,uGD uGS uDS,.,UGS | UGS(off) |,ID 0,夹断,(c),(d),3.当uGD uGS(off),时， , uGS 对漏极电流iD的控制作用,在uGD uGS uDS uGS(off)情况下, 即当uDS uGS -uGS(off) 对应于不同的uGS ，d-s间等效成不同阻值的电阻。,(2)当uDS使uGD uGS(off)时，d-s之间预夹断,(3)当uDS使uGD uGS(off)时， iD几乎仅仅决定于uGS ，

23、而与uDS 无关。此时， 可以把iD近似看成uGS控制的电流源。,.,三、特性曲线,1. 转移特性(N 沟道结型场效应管为例),图 1.4.6 转移特性,UGS = 0 ，ID 最大；UGS 愈负，ID 愈小；UGS = UP，ID 0。,两个重要参数,饱和漏极电流 IDSS(UGS = 0 时的 ID),夹断电压 UGS(off) (ID = 0 时的 UGS),.,2. 输出特性曲线,当栅源 之间的电压 UGS 不变时，漏极电流 ID 与漏源之间电压 UDS 的关系，即,结型场效应管转移特性曲线的近似公式：,.,恒流区,可变电阻区,输出特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。,输出特性

24、,.,场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。,UDS = 常数,UDS = 15 V,在漏极特性上用作图法求转移特性,.,1.4.2 绝缘栅型场效应管,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。,特点：输入电阻可达 109 以上。,类型,N 沟道,P 沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,.,一、N 沟道增强型 MOS 场效应管,1. 结构,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅

25、极 G,N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,.,2. 工作原理,绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID。,工作原理分析,(1)UGS = 0,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。,.,(2) UDS = 0，0 UGS UT， UGD UT,(b) UGD = UT,(c) UGD 0，产生较大的漏极电流；,UGS 0V。,.,1.4.3 场效应管的主要参数,一、直流参数,饱和漏极电流 IDSS,2. 夹断电压 UP,3. 开启电压 UT,4. 直流输入电阻 RGS

26、,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,为增强型场效应管的一个重要参数。,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 109 。,.,二、交流参数,1. 低频跨导 gm,2. 极间电容,用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流 ID 的控制作用。,单位：ID 毫安(mA)；UGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS),这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 CGS、CGD、CDS。 极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,.,三、极限参数,1. 漏极最大允许耗散功率 PDM,2. 漏源击穿电压 U(BR)DS,3. 栅源击穿电压U(BR)GS,由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。,场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若UGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。,.,表 1-2 各类场效应管的符号和特性曲线,.,.,1.4.4 场效应管与晶体管的比较,1、场效应管是电压控制元件，双极型三极管是电流控制元件. 在向信号源基本不取电流