模拟电子技术基础常用半导体器件.ppt

1、(1-1), 1.1 半导体基础知识, 1.2 半导体二极管, 1.3 双极型三极管, 1.4 场效应管,第1章 常用半导体器件,(1-2),补充概念： 导体、半导体和绝缘体,自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,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。,1.1 半导体基础知识,(1-3),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。,电子器件所用的半导体一般都具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。,(1-4),完全纯净的、结构完整

2、的半导体晶体，称为本征半导体。,在硅和锗晶体中，原子相互之间靠的很近，分属于每个原子的价电子受到相邻原子的影响，而使价电子为两个原子所共有，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。,1.1.1 本征半导体,(1-5),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。,(1-6),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。比

3、如：热敏性、光敏性、掺杂性。,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。,(1-7),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。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。,(1-8),N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）。,多余电子,磷原子,硅原子的半径: 1.17x10-10米,(1-9),N型半导体,N型半导体中的载流子是什么？,自

4、由电子称为多数载流子（多子），由于掺入少量的五价元素形成的。空穴称为少数载流子（少子），由于热激发产生的。物理模型为：,(1-10),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）。,硼原子,(1-11),P型半导体,P型半导体中空穴是多子，电子是少子。物理模型为：,(1-12),一. PN 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。,1.1.3 PN结,(1-13),杂质半导体的示意图表示法,(1-14),P型半导体,N型半导体,空间电荷区,PN结处载流子的运动,内容回顾： 1.扩散定理 2.电场概念,(1-

5、15),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。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,(1-16),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。,(1-17),二. PN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。,(1-18),PN结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱， 多子的扩散加强 能够形成较大的 扩散电流。 （mA量级）,(1-19),PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强

6、，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。 （uA量级）,(1-20),三. PN结的伏安特性,在PN结的两端加上电压后，通过PN结的电流I随两端的电压V变化的曲线伏安特性,IS 为反向饱和电流， q为电子的电量，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。常温下 UT 约为26mv。,(1-21),*四. PN结的电容效应,在一定条件下，PN结具有电容效应，主要由两部分组成： 势垒电容CB和扩散电容CD。,(1-22),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,(1-23),半导体二极管图片,1.2 半导体二极管,(1-24),(1-25),end,

7、(1-26),1.2.1 半导体二极管的结构,在PN结上加上引线和外壳，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,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(1-27),(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,(1-28),1.2.2 二极管的伏安特性,(1-29),伏安特性,U,SI,GE,Uon,UBR,800C,200C,(1-30),(1-31),(1-32),(

8、1-33),1.2.3 二极管的主要参数,(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URM,(1-34),(4) 最高工作频率 fM,二极管工作的上限截止频率。,(1-35),1.2.4 二极管的等效电路,能够用简单、理想的模型来模拟电子 器件的复杂特性或行为的电路称为等效电路， 也称为等效模型。,能够模拟二极管特性的电路称为二极管的 等效电路，也称为二极管的等效模型。,(1-36),1. 理想模型,一、由伏安特性折线化得到的等效电路,(1-37),工程上： 二极管的应用举例,导通压降: 硅管0.7V,锗管0.2V。,(1-38),解： 当开关断开时，输出电压为,

9、例题 1.2.1 已知二极管导通电压为0.7V。试分别估算开关断开和闭合时输出电压的数值。,当开关闭合时，二极管因外加反向电压而截止，故输出电压为,注：这里采用二极管 恒压降模型,(1-39),小信号交流模型,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。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,二、 二极管的 微变等效电路,(1-40),应用举例补充,1. 二极管的静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,(1-41),二极管的近似分析计算,例：,恒压源模型,测量值 9.32mA,相对误差,理想二极

10、管模型,相对误差,0.7V,(1-42),二极管的模型,串联电压源模型,U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。,理想二极管模型,正偏,反偏,43,讨论：解决两个问题,如何判断二极管的工作状态？ 什么情况下应选用二极管的什么等效电路？,uD=ViR,ID,UD,V与uD可比，则需图解：,实测特性,对V和Ui二极管的模型有什么不同？,(1-44),例2.4.2 提示,2. 限幅电路,end,应用举例补充,(1-45),uo,应用举例补充,3. 脉冲识别电路,请同学自己分析教科书 例 1.2.1,(1-46),1.3 电路如图P1.3所示，已知ui10sint(v)，试画出ui与

11、uO的波形。 设二极管正向导通电压可忽略不计。,解图P1.3,图P1.3,(1-47),1.4 电路如图P1.4所示，已知ui5sint (V)，二极管导通电压UD0.7V。 试画出ui与uO的波形，并标出幅值。,图P1.4,解图P1.4,(1-48),课程回顾,1. 学习方法,概念清楚,重点突出,熟练掌握：作业题和典型例题,2. 杂质半导体： N型半导体中电子是多子， P型半导体中空穴是多子,3. PN结的单向导电性,扩散运动涉及多子的运动；漂移运动涉及少子的运动,动态平衡； PN结加上正向电压，扩散运动为主，所以正向电流很大（mA)； PN结加上反向电压，漂移运动为主，所以反向电流很小(u

12、A)。,(1-49),4. 半导体二极管,(1) 二极管的代表符号,P,N,（2) 二极管的伏安特性,（3) 二极管的温度特性,温度升高时，二极管的管压降减少,(1-50),5 二极管的等效电路,小信号交流模型,(1-51),1.2.5 稳压二极管,1. 稳压管的伏安特性,伏安特性,(1-52),(a)符号,(b)等效电路,符号与等效电路:,(1-53),(1) 稳定电压UZ,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。,(2)最大功耗 PZM UZIZ,(3)稳定电流 IZ ： IZmax 电流高于此值时，二极管会损坏 Izmin 电流低于此值时，稳压性能变坏,2. 稳压二极管主

13、要参数,(1-54),(4) 动态电阻rZ,rZ =UZ /IZ,(5) 温度系数,表示温度每变化1稳压值的变化量,(1-55),稳压二极管应用,3. 稳压电路,正常稳压时 VO =VZ,# 稳压条件是什么？,# 不加R可以吗？,(1-56),(1-57),例题 1.2.2 已知VI=10V, 稳压管的稳定电压 UZ=6V, 最小稳定电流IZmin=5mA,最大稳定电流IZmax=25mA;负载电阻RL=600欧姆。求解限流电阻R 的取值范围。,解：由基尔霍夫电流定律得：,R上的电压：,因此,(1-58),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

14、的光，它的电特性与一般二极管类似。,(1-59),光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,I,V,照度增加,其它类型二极管,(1-60),作业：,1.4 , 1.6,(1-61),半导体三极管的结构示意图所示。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,三极管符号,1.3 晶体三极管,(1-62),1.3.1 结构特点：, 发射区的掺杂浓度最高；, 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；, 基区很薄，一般

15、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,(1-63),三极管的两种基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型（最常用）,(1-64),PNP型,(1-65),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,(1-66),发射结,集电结,(1-67),1. 内部载流子的传输过程,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。 外部条件：发射结正偏，集电结反偏。(必要条件),发射区：发射载流子 集电区：收集载流子 基区： 传送和控制 载流子 （以NPN为例）,1.3.2 晶体管的电流放大作用,基极,发射极,集电极,(1-68),内部载流子的运

16、动,VBB,Rb,Ec,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,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。,(1-69),EB,RB,Ec,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,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。,2,IB,IC,(1-70),2. 电流分配： IEIBIC IE扩散运动形成的电流 IB复合运动形成的电流 IC漂移运动形成的电流,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,基极开路集电极回路会有穿透电流？,3. 晶体管的共射电流放大系数,(1-71),综上所述，

17、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。,晶体管放大信号需要满足的条件,（请记录）,(1-72),(1) 稳定电压VZ,(2) 稳压条件是什么？,(1) 稳定电压VZ,(2) 稳压条件是什么？,(2) 稳压条件是什么？,(2) 稳压条件是什么？,1. 稳压二极管,课程回顾,稳压管加反向电压,(1-73),2. 三极管的放大作用的外部条件： 发射结正偏，集电结反偏。(必要条件),3. 电流分配： IEIBIC

18、,4. 晶体管的共射电流放大系数,(1-74),1.3.3 晶体管的特性曲线,(1-75),(1-76),vCE = 0V,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，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,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,(1-77),iC=f(vCE) iB=const,2. 输出特性曲线,输出特性曲线的三个区域:,(1-78),集电结正偏，UCE0.3V称为饱和区。,饱和,(1-79)

19、,此区域中 : IB=0,UBE 死区电压，称为截止区。,截止,(1-80),输出特性线性放大,IC(mA ),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,(1-81),（4）晶体管的共射特性曲线,输入特性曲线,输出特性曲线,(1-82),1.3.4 晶体管的主要参数,1、共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB,一. 直流参数,2、 共基直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE,(1-83),ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度变化的影响。,3. 极间反向电流,(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。

20、,(1-84),(2) 集电极发射极间的反向穿透电流ICEO ICEO=（1+ ）ICBO,ICEO,(1-85),1、 共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const,1.3.4 晶体管的主要参数,二. 交流参数,2、 共基极交流电流放大系数 =IC/IE VCB=const,(1-86),一般工程计算中， 、 ，可以不加区分。,说明：,(1-87),3,(1-88),2、 集电极最大 允许电流ICM,1、 集电极最大允许功率损耗PCM,PCM= ICVCE,三. 极限参数,(1-89),3、 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) EB

21、O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,(1-90),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。 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区,(1-91),ICBO受温度影响很大. 当温度上升时，ICBO增加很快（1倍/10C）。,1.3.5 温度对晶体管特性及其参数影响,一、温度对ICBO的影响,(1-92),二、温度对输入特性的影响,温度上升时，输入特性曲线左移。,(1-93),三. 温度对输出特性的影响,总的效果是：,

22、温度上升时，输出特性曲线上移。,(1-94),例 1.3.1 现已测得某电路中几只NPN型晶体管三个极的直流电位如下图所示，各晶体管 b-e间开启电压 Uon均为0.5V。 试分析各管子的工作状态。,C,注：对于NPN型晶体管 （1) UBE Uon, 且UCE UBE 。管子放大状态。（发射结正偏，集电结反偏） （2) UBE=0.7V，且 UCE=0.4V ， UCE UBE 。管子放大状态。 （4) UBE=0V Uon,。管子为截止状态；,(1-95),例 1.3.2 在一个单管放大电路中，电源电压为30V , 已知三只管子的参数如下表所示，请选用一只管子，并简述理由。,C,注： （1

23、) T1 的电流放大倍数小，不宜选用； （2) T3 的UCEO小于电源电压，工作时有可能被击穿，不宜选用； （3) T2 的ICBO 也较小，电流放大倍数较大，且UCEO大于电源电压， 所以最合适。,(1-96),作业,1.10 1.12,(1-97),1.14已知两只晶体管的电流放大系数分别为50和100，现测得放大电路中这两只管子两个电极的电流如图P1.14所示。分别求另一电极的电流，标出其实际方向，并在圆圈中画出管子。,图P1.14,解：答案如解图P1.14所示。 解图P1.14,(1-98),1.15测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图P1.15所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它

24、们是硅管还是锗管。,图P1.15,(1-99),1.16 电路如图P1.16所示，晶体管导通时UBE0.7V，=50。试分析VBB为0V、1V、1.5V三种情况下T的工作状态及输出电压uO的值。,解：（1）当VBB0时，T截止，uO12V。 （2）当VBB1V时，因为,A,所以T处于放大状态。 （3）当VBB3V时，因为,A 图P1.16,所以T处于饱和状态。,(1-100),1.晶体管的特性曲线,课程回顾,(1). 输入特性曲线,(2). 输出特性曲线,集电结正偏，UCE0.3V称为饱和区。,满足IC=IB（放大区）。,此区域中 : IB=0,UBE 0.7V，称为截止区。,(1-101),

25、2. 三极管的重要参数：,电流分配： IEIBIC,晶体管的共射电流放大系数,(1-102),当温度上升时，ICBO增加很快。,3. 温度对晶体管特性及其参数影响,（1）、温度对ICBO的影响,（2）、温度对输入特性的影响,（3）. 温度对输出特性的影响,(1-103),1.4 场效应管,场效应管 是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体器件。,由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极性晶体管。,单极型管噪声小、抗辐射能力强、低电压工作,(1-104),场效应管分为结型和绝缘栅型两种不同的结构。下面将对它们 的工作原理、特性及主要参数一一加以介绍。 （以N沟道为例）,场效应管

26、有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。,(1-105),一. 结型场效应管的工作原理（ 以N沟道为例）,符号,结构示意图,导电沟道,实验发现,1.4.1. 结型场效应管,(1-106),沟道最宽 uGS=0,此时UGS的值(为负值)为夹断电压UGS（off） (如-4V)。,1. 当 uDS=0V一定时，栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用,UGS（off） uGS0,uGS=UGS（off）,结论：当 uGSUGS（off）时，工作在恒流区或可变电阻区 。,此时UGS的值(为负值

27、)为夹断电压UGS（off） (如-4V)。,(1-107),uGDUGS（off），此时导通沟道上部未夹断。这时uGS-uDSUGS（off）.,2. 当 uGS为uGS（off） 0V某一固定值时，且 uGDUGS（off）， uDS对漏极电流iD的影响。,当 uDSuGS-UGS（off） 时，效应管工作在可变电阻区。, uGSUGS（off）时，可能工作在恒流区或可变电阻区 。,uGDUGS（off），此时导通沟道上部未夹断。这时uGS-uDSUGS（off）.,2. 当 uGS为uGS（off） 0V某一固定值时，且 uGDUGS（off）， uDS对漏极电流iD的影响。,2. 当

28、uGS为uGS（off） 0V某一固定值时，且 uGDUGS（off）， uDS对漏极电流iD的影响。,uGDUGS（off），此时导通沟道上部未夹断。这时uGS-uDSUGS（off）.,2. 当 uGS为uGS（off） 0V某一固定值时，且 uGDUGS（off）， uDS对漏极电流iD的影响。,(1-108),实验发现，上述两种变化趋势相互抵消。uDS的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区。 这时，iD几乎仅仅决定于uGS。与uDS无关。,其中，uGD= uGS- uDS,uDS的增大，一方面带来uGD的变小，沟道的电阻变大， iD变小；另一方面DS间的纵向电场增

29、强， iD变大。,3. 当 uGS为uGS（off） 0V某一固定值时，且 uGDUGS（off）， uDS对漏极电流iD的影响。,当 uDSuGS-UGS（off） 时，效应管工作在恒流区。,当 uGSUGS（off）时，工作在恒流区或可变电阻区 。,其中，uGD= uGS- uDS,uDS的增大，一方面带来uGD的变小，沟道的电阻变大， iD变小；另一方面DS间的纵向电场增强， iD变大。,其中，uGD= uGS- uDS,实验发现，上述两种变化趋势相互抵消。uDS的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区。 这时，iD几乎仅仅决定于uGS。与uDS无关。,uDS的增大，

30、一方面带来uGD的变小，沟道的电阻变大， iD变小；另一方面DS间的纵向电场增强， iD变大。,其中，uGD= uGS- uDS,(1-109),课程回顾,结型场效应管的符号,一. 结型场效应管的工作原理（ 以N沟道为例）,结论：1. 当 uGSUGS（off）（均为负值） 时，工作在截止区；,此时UGS的值(为负值)为夹断电压UGS（off） (如-4V)。,(1-110),1)当 uDSuGS-UGS（off） 时，效应管工作在可变电阻区。,2. 当 uGSUGS（off）时，工作在恒流区或可变电阻区 。,结论：1. 当 uGSUGS（off）（均为负值） 时，工作在截止区；,uGDUGS

31、（off），此时导通沟道上部未夹断。这时uGS-uDSUGS（off）.,(1-111),2)当 uDSuGS-UGS（off） 时，效应管工作在恒流区。,已知：当 uGSUGS（off）时，工作在恒流区或可变电阻区 。,实验发现，上述两种变化趋势相互抵消。uDS的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区。 这时，iD几乎仅仅决定于uGS。与uDS无关。,uDS的增大，一方面带来uGD的变小，沟道的电阻变大， iD变小；另一方面DS间的纵向电场增强， iD变大。,其中，uGD= uGS- uDS,此时：uGDUGS（off），,(1-112),2)当 uDSuGS-UGS（o

32、ff） 时，效应管工作在恒流区。,1)当 uDSuGS-UGS（off） 时，效应管工作在可变电阻区。,当 uGSUGS（off）时，工作在恒流区或可变电阻区 。,3.汇总： 结型场效应管的工作原理（ 以N沟道为例）,(1-113),1.输出特性曲线,预夹断轨迹，uGDUGS（off）,可变电阻区,恒 流 区,iD几乎仅决定于uGS,击 穿 区,夹断区（截止区）,uGSUGS（off）,二. 结型场效应管的特性曲线,(1-114),2. 转移特性,（1.4.3),(1-115),# JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？,VP,3. 转移特性与输出 特性的对应关系,(1-116),1.4.2. 绝缘栅型场效应管,下面以N沟道增强型绝缘栅型场效应管为例,(1-117),SiO2绝缘层,衬底,一、N沟道增强型 MOS管,大到一定值才开启,1.工作原理,开启电压表示：UGS(th) . 典型值4V,(1-118),2. 符号、特性曲线与电流方程,特性曲线,2)当 uDSuGS-UGS（th） 时，效应管工作在可变电阻区。,当 uGSUGS（th）时，工作在恒流区或可变电阻区 。,1)当 uDSuGS-UGS（th） 时，效应管工作在恒流区。,N沟道增强型