2-半导体基本元件

1、2 半导体基本元件,2.1 二极管,2.1.1 二极管结构与符号,2.1.2 二极管的伏安特性及电流方程,2.1.3 二极管的主要参数,2.1.4 二极管伏安特性的建模,2.1.5 齐纳二极管,武汉大学 电气工程学院YTZ,教学基本要求： 1、二极管的主要特性是单向导电性，其结构、分类、参数及符号？ 2、二极管电路分析涉及几种模型？各种模型的选择有没有条件限制？ 3、齐纳二极管为什么是特殊二极管？主要作用是什么？,模拟电子技术,2.2 三极管,2.1 二极管,武汉大学 电气工程学院YTZ,模拟电子技术,2.1 二极管,2.1.1 结构与符号,将PN结封装，引出两个电极，就构成二极管。,点接触型

2、： 结面积小，结电容小 故结允许的电流小 最高工作频率高,面接触型： 结面积大，结电容大 故结允许的电流大 最高工作频率低,平面型： 结面积可小、可大 小的工作频率高 大的结允许的电流大,武汉大学 电气工程学院YTZ,模拟电子技术,2.1.2 二极管的伏安特性及电流方程,2.1 二极管,武汉大学 电气工程学院YTZ,2AP15的伏安特性,2CP10的伏安特性,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,模拟电子技术,2.1 二极管,武汉大学 电气工程学院YTZ,2AP15,2CP10,模拟电子技术,1、正向特性,问题一：为什么锗管的门槛电压和导通后的压降会比硅管小？,问题三：温度变化对二极管的正向特性有

3、什么影响？,问题二：掺杂浓度不同对二极管的正向特性有什么影响？,结论：掺杂浓度越高、温度越高，则二极管的正向特性越好，即门槛电压或导通压降越小、正向特性曲线左移。,2.1 二极管,武汉大学 电气工程学院YTZ,2AP15,2CP10,模拟电子技术,2、反向特性,问题一：为什么锗管的反向饱和电流会比硅管大？,问题二：温度变化对反向特性有什么影响？,问题三：掺杂浓度对反向特性有没有影响？,结论：反向电流与本征激发有关，与参杂浓度基本无关。 温度升高，反向特性曲线下移，则二极管的反向特性越差。锗管的反向特性比硅管差，对温度、光照变化也更为敏感。,2.1 二极管,武汉大学 电气工程学院YTZ,2AP1

4、5,2CP10,模拟电子技术,3、反向击穿,问题一：为什么硅管比锗管更容易击穿？,问题三：温度变化对反向击穿电压有什么影响？,问题二：掺杂浓度对反向击穿电压有什么影响？,结论：掺杂浓度越高、少数载流子浓度越低，所形成的PN结越容易被击穿或者说击穿电压越小。,4、电流方程,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,武汉大学 电气工程学院YTZ,2.1 二极管,模拟电子技术,UT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），一般取UT=26 mV。,2.1.3 二极管的主要参数,最大整流电流IF：安全工作允许的最大平均值

5、最大反向工作电压URM：安全工作允许的最大瞬时值 反向电流 IR：未击穿前的反向电流 最高工作频率fM：因PN结有电容效应,结电容为扩散电容（Cd）与势垒电容（Cb）之和。,扩散路程中电荷的积累与释放,空间电荷区宽窄的变化有电荷的积累与释放,武汉大学 电气工程学院YTZ,2.1 二极管,模拟电子技术,2.1.4 二极管V-I 特性的建模,理想 二极管,近似分析中最常用,理想开关 导通时 UVD0截止时IRS0,导通时UVD0.7V 截止时IRS0,应根据不同情况选择不同的等效电路！,1. 理想模型,2. 恒压降模型,3. 折线模型,武汉大学 电气工程学院YTZ,2.1 二极管,模拟电子技术,为

6、什么要建模？,Q越高，rD越小。,前三个模型确定切点，小信号模型给出切线参数，单独用于小信号作用下的分析计算。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,武汉大学 电气工程学院YTZ,4、小信号模型,2.1 二极管,模拟电子技术,与前三个模型是什么关系？,1）二极管电路,2） 叠加作用,3） 小信号模型,应用举例,1）整流电路,2）开关电路,采用理想模型，根据us近似画出uo的波形,武汉大学 电气工程学院YTZ,2.1 二极管,采用理想模型判断二极管的工作状态。,例2.1.2,例2.1.4,模拟电子技术,估算输出电压最好用恒压降模型。,断开所有二极管，确定各管偏置电压。,武汉大学 电气工程学院YTZ

7、,2.1 二极管,例2.1.1 硅二极管电路如图所示，已知R=10k， V分别为10V和2V。求这两种情况下的IVD和UVD。,解：（1）V=10V，采用恒压降模型进行计算,（2）V=2V，采用折线模型进行计算,UVD=0.7V,模拟电子技术,1）V2V、5V、10V时二极管中的直流电流各为多少？ 2）若交流电压的有效值为5mV，则上述各种情况下二极管中的交流电流各为多少？,V2V时,V=10V时,2.1 二极管,武汉大学 电气工程学院YTZ,解：1）采用恒压降及理想模型计算直流电流,V5V时,模拟电子技术,例2.1.5,IVD2.6mA时,IVD 8.6mA时,IVD 20mA时,在伏安特性

8、上，Q点越高，二极管的动态电阻越小！,武汉大学 电气工程学院YTZ,2）根据交流电阻计算交流电流,模拟电子技术,2.1 二极管,2.1.5 稳压二极管（齐纳二极管）,1、伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变。即：稳定电压,2、主要参数,稳定电压UVS、稳定电流IVSmin 、 IVSmax,最大功耗PVSM IVSM UVS,动态电阻rVSUVS /IVS,武汉大学 电气工程学院YTZ,2.1 二极管,模拟电子技术,武汉大学 电气工程学院YTZ,正常稳压时 UO =UVS,# 稳压条件是什么？,# 不加R可以吗？,3

9、、 稳压电路,2.1 二极管,模拟电子技术,1）输入电压必须大于输出电压，即：UIminUVS；,2）稳压管电流不能太小，即：,3）稳压管电流也不能太大，即：,需要限流R的配合。,满足这样的条件：,武汉大学 电气工程学院YTZ,一是分担多余的电压，即电阻R上的压降随输入电压的变化而变，以保证输出电压的不变；,限流电阻的作用：,2.1 二极管,模拟电子技术,限流电阻,二是防止过流烧坏稳压管，即输入电压最大时，电阻值不能太小。,电阻也不能太大，否则输出电流会很小。,故：,武汉大学 电气工程学院YTZ,稳压电路的稳压是由稳压管DVS和限流电阻R相互配合完成的。,# 稳压原理？,# 若稳压电路UI为正

10、弦波，且幅值大于UVS ， UO的波形是怎样的？,3、 稳压电路,2.1 二极管,模拟电子技术,当负载不变、输入电压增大时，限流电阻R的分压增大，稳压管DVS的分流增大，从而保证了输出电压、电流的不变。,当输入电压不变、负载RL增大时，输出电流减小，稳压管DVS的分流增大，限流电阻R的分压不变，从而保证了输出电压的不变。,4、限幅电路,电路如图，R = 1k，UVS = 3V，二极管为硅二极管。当uI = 6sint V时，绘出相应的输出电压uO的波形。若接入RL = 1k的负载电阻，波形有何变化？,武汉大学 电气工程学院YTZ,2.1 二极管,例2.1.6,模拟电子技术,解：（1）输入正半周

11、用3V恒压降模型，负半周用理想模型，可绘出输出电压uO波形。实线部分,（2）接入负载后，输出电压减小、稳压管未击穿，输出电压uO波形为虚线部分。,能不能用 3V电源和二极管代替稳压管进行限幅？,2.2.1 三极管的分类,2.2.2 双极型三极管BJT,2.2.3 场效应管FET,2.2.4 复合管,武汉大学 电气工程学院YTZ,2.2 三极管,教学基本要求： 1、BJT和MOS管有什么相同点和不同点？各自有哪些类型？ 2、BJT和MOS管均为受控电流源，其特性如何描述和表达？ 3、三极管的工作状态可分为哪几种？各有什么特征？ 4、三极管有哪些参数？什么时候要用到复合管？,模拟电子技术,武汉大学

12、 电气工程学院YTZ,模拟电子技术,2.2 三极管,2.2.1 三极管的分类,(注入型),三极管T,武汉大学 电气工程学院YTZ,模拟电子技术,(增强型),(耗尽型),耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在,增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道,双极型三极管BJT,绝缘栅型场效应管MOSFET,结型场效应管JFET,PNP型（锗管）,NPN型（硅管）,P沟道,N沟道,（PNP耗尽型）,（NPN增强型）,（NPN耗尽型）,（PNP增强型）,2.2.1 三极管的分类,耗尽型,PNP型（锗管）,P沟道,增强型,NPN型（硅管）,N沟道,场效应管FET,结型JFET,绝缘栅型MO

13、SFET,双极型三极管BJT,三极管T,P沟道,N沟道,武汉大学 电气工程学院YTZ,模拟电子技术,(电流控制型),（电压控制型）,2.2.2 双极型三极管BJT,多子浓度高,多子浓度很低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,中功率管,大功率管,1、结构和符号,武汉大学 电气工程学院YTZ,模拟电子技术,2、BJT三极管的电流表达式,武汉大学 电气工程学院YTZ,由于发射结附近有集电结的存在，发射区发射到基区的电子,大部分被集电结收集形成受控电流ICN，即ICN的大小受控于IE，这是BJT特殊结构决定的。,Je单独正偏:,Jc单独反偏:,Je正偏、Jc反偏:,受集电结的影响，

14、发射区发射到基区的电子只有小部分在基区和空穴产生复合形成IBP复合电流。,模拟电子技术,Je正偏、Jc反偏:,本证激发产生的漂移,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电结很近且面积大，大部分电子进入集电结。在内电场的作用下，漂移到集电区,扩散运动形成发射极电流IEN 复合运动形成基极电流IBP 漂移运动形成集电极电流ICN,集电极电流ICN的可控性可用电流放大系数、来描述：,Je反偏、Jc正偏？,武汉大学 电气工程学院YTZ,模拟电子技术,2.2 三极管,为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？,根据节点电流方程：,根据叠

15、加原理及受控关系：,武汉大学 电气工程学院YTZ,2、BJT三极管的电流表达式,集电极电流：,基极电流：,发射极电流：IEIBIC(1+)IBP (1+)(IB+ICBO) (1+)IB+(1+)ICBO,令：,ICEO (1+)ICBO,穿透电流,模拟电子技术,集电极电流表达式：,武汉大学 电气工程学院YTZ,2、BJT三极管的电流表达式,发射极电流表达式：,模拟电子技术,3、 BJT的伏安特性曲线,为什么UCE增大曲线右移？,对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以近似取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,为什么像PN结的伏安特性？,为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显

16、了？,1）输入特性,武汉大学 电气工程学院YTZ,模拟电子技术,2）输出特性,是常数吗？,对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。,为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？,饱和区,放大区,截止区,武汉大学 电气工程学院YTZ,模拟电子技术,2.2 三极管,3）晶体管的三个工作区域,晶体管工作在放大状态时，集电极电流 iC与基极电流 iB近似保持一线性关系，即输出回路可等效成受控电流源 。,武汉大学 电气工程学院YTZ,模拟电子技术,4、三极管的开关作用,Je正偏、Jc反偏：,BJT工作在放大状态。,改变发射结Je偏电压极性，则IE=IB=0、集

17、电结Jc反偏IC=0，BJT工作状态由放大进入截止状态。（Je、Jc反偏）,武汉大学 电气工程学院YTZ,此时的三极管相当于一个断开的开关。,实际只要Je正偏电压UBE小于门坎电压后，则IE=IB=0、Jc反偏IC=0，BJT工作状态就由放大进入截止状态。,模拟电子技术,4、三极管的开关作用,Je正偏电压增加，基极电流增加。当集电极电阻上的压降接近工作电源VCC时，UCE0，BJT工作状态由放大进入饱和导通状态。集电极电位的降低使Jc由反偏变为正偏（Je、Jc正偏）,武汉大学 电气工程学院YTZ,此时的三极管相当于一个闭合的开关。,Je正偏电压不变，增大集电极电阻或降低工作电源VCC也会使BJ

18、T工作状态由放大进入饱和导通状态。,模拟电子技术,4、三极管的开关作用,UIUth 开关断开,开关闭合,将VBB换成控制电压UI ，可对三极管工作状态进行选择控制。,武汉大学 电气工程学院YTZ,放大工作状态则介断开和闭合状态之间。,集电极电阻变化也可使BJT工作状态在饱和导通和放大状态之间变换。,模拟电子技术,讨论,1、分别分析uI=0V、5V时三极管工作在截止状态还是导通状态。,通过uBE是否大于Uth判断管子是否导通。,临界饱和时的,武汉大学 电气工程学院YTZ,结果？,模拟电子技术,2、uI=5V时三极管导通，若UBE0.7V，问在什么范围内三极管处于放大状态？,2.2 三极管,电路如

19、图，设VT的80，UBE0.6V， 试分析当开关S分别接通A、B、C三位置时，VT工作在哪个状态，并求出相应的集电极电流IC。,武汉大学 电气工程学院YTZ,例2.2.2,模拟电子技术,解：由于电路中的两个电源均大于三极管的Uth 门坎电压，故三极管只可能是放大状态或饱和状态。,集电极饱和电流：ICS = 12V4k = 3mA,A点基极、集电极电流：IB12V40k = 0.3mA；IB24mA,B点基极、集电极电流：IB12V500k = 24A；IB1.92mA,C点基极、集电极电流：IB(4V-0.6V)20k = 17A；IB1.36mA,结果？,2.2 三极管,5、 BJT的主要参

20、数,（1）电流放大系数,2) 共发射极交流电流放大系数 =IC/IBuCE=const,1) 共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB uCE=const,、 ,武汉大学 电气工程学院YTZ,电流放大系数用于描述电流的控制能力,模拟电子技术,2.2 三极管,（2） 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。,2) 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO,ICEO=（1+ ）ICBO,武汉大学 电气工程学院YTZ,极间反向电流越小越好。,模拟电子技术,2.2 三极管,1) 集电极最大允许电流ICM,（3）极限参数,3) 反向击

21、穿电压,几个击穿电压有如下关系: U(BR)CBOU(BR)CEOU(BR) EBO,武汉大学 电气工程学院YTZ,2) 集电极最大允许功率损耗PCM,模拟电子技术,2.2 三极管,（4） 温度对BJT参数的影响,1) 温度对ICBO的影响,温度每升高10，ICBO约增加一倍。,2) 温度对 的影响,温度每升高1， 值约增大0.5%1%。,3) 温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响,温度升高时，V(BR)CBO和V(BR)CEO都会有所提高。,武汉大学 电气工程学院YTZ,模拟电子技术,2.2 三极管,讨论,由图示特性可求出哪些参数？,2.7,uCE=1V时的iC就是IC

22、M=27mA,U（BR）CEO=26V,武汉大学 电气工程学院YTZ,特性曲线和参数是对BJT的两种不同表述，一个直观、一个具体，本质是相同的。,模拟电子技术,2.2 三极管,2.2.3 场效应管FET,SiO2绝缘层,衬底,耗尽层,空穴,高参杂,1、结构与符号,符号,栅极,源极,漏极,衬底,符号中虚线有什么含义？,武汉大学 电气工程学院YTZ,ENMOS的结构,符号中的箭头指向有什么含义？,模拟电子技术,2.2 三极管,1、结构与符号,武汉大学 电气工程学院YTZ,DNMOS的结构与符号,NJFET的结构与符号,模拟电子技术,2.2 三极管,2、 FET三极管的电流表达式,MOSFET因绝缘

23、层的存在、JFET因PN结的反偏，故FET栅极电流： iG =0,武汉大学 电气工程学院YTZ,模拟电子技术,2、 FET三极管的电流表达式,MOSFET因绝缘层的存在、JFET因PN结的反偏，故FET栅极电流： iG =0,2.2 三极管,武汉大学 电气工程学院YTZ,模拟电子技术,FET漏极饱和电流：,式中K为沟道导电常数（单位是mA/V2)。若回避导电常数K ，可对表达式进行变换。,增强型FET漏极饱和电流：,耗尽型FET漏极饱和电流：,2、 FET三极管的电流表达式,UON是开启电压， IDO是uGS =2UON 时的漏极饱和电流。,UOFF是夹断电压， IDSS是uGS =0 时的漏

24、极饱和电流。,IDSS ， IDO可通过实测获取。,2.2 三极管,武汉大学 电气工程学院YTZ,可变电阻区 uGS UON uGD=uGS-uDSUON,截止区 uGSUON,恒流区 uGS UON uGD=uGS-uDSUON,夹断点 uGS UON uGD= uGS-uDS =UON,1）输出特性,模拟电子技术,3、FET的伏安特性曲线,UON是开启电压,武汉大学 电气工程学院YTZ,1）输出特性,模拟电子技术,3、FET的伏安特性曲线,ENMOSFET的输出特性,DNJFET的输出特性,P沟道FET输出特性?,武汉大学 电气工程学院YTZ,2）转移特性,模拟电子技术,3、FET的伏安特性曲线,ENMOSFET的输出特性及转移特性,转移特性有几种获取方式?,其他几种转移特性?,武汉大学 电气工程学院YTZ,例2.2.3 场效应管电路如图所示。设场效应管开启电压UON=1V，导电常数 。试问场效应管工作在可变电阻区还是恒流区？,解：栅源电压,漏源电压,假设场效应管工作在恒流区（饱和区），漏极电流,满足沟道夹断条件:,模拟电子技术,2.2 三极管,uGD=uGS-uDS=0UON,场效应管工作在恒流区。,4、FET的主要参数,直流参数:,1) 开启电压UON （增强型参数）,2) 夹断电压UOFF （耗尽型参数）,3)