模拟电子技术基础简明教程（第三版）ppt课件.ppt

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1、第一章半导体器件,1.1半导体的特性,1.2半导体二极管,1.3双极型三极管(BJT),1.4场效应三极管,第一节 半导体的特性,本征半导体,杂质半导体,1. 半导体(semiconductor),共价键covalent bond,半导体的定义：将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体。,一、本征半导体(intrinsic semiconductor),在硅(或锗)的晶体中,原子在空间排列成规则的晶格。,2. 本征半导体(intrinsic semiconductors),在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强，在热力学温度零度（即T = 0 K ）时，价电子的能量不足以挣

2、脱共价键的束缚，晶体中不存在能够导电的载流子，半导体不能导电，如同绝缘体一样。,本征半导体中的载流子,如果温度升高，少数价电子将挣脱共价键束缚成为自由电子。,在原来的共价键位置留下一个空位，称之为空穴。,半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。,在一定温度下电子 空穴对的产生和复合达到动态平衡。,两种载流子浓度相等,1. N型（或电子型）半导体 (N-type semiconductor),二、 杂质半导体,则原来晶格中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子与周围四个硅原子组成共价键时多余一个电子。这个电子只受自身原子核吸引，在室温下可成为自由电子。,在4价的硅或锗中掺入少量的

3、5价杂质元素，,在本征半导体中掺入某种特定的杂质，就成为杂质半导体。,自由电子,失去自由电子的杂质原子固定在晶格上不能移动，并带有正电荷，称为正离子。,在这种杂质半导体中，电子的浓度大大高于空穴的浓度。,因主要依靠电子导电，故称为电子型半导体。,5价的杂质原子可以提供电子，所以称为施主原子。,在硅或锗晶体中掺入少量的3价杂质元素，,空位,2. P型半导体(P-type semiconductor),当它与周围的硅原子组成共价键时，将缺少一个价电子，产生了一个空位。,空位为电中性。,硅原子外层电子由于热运动填补此空位时，杂质原子成为负离子，硅原子的共价键中产生一个空穴。,在这种杂质半导体中，空穴

4、的浓度远高于自由电子的浓度。,空穴,在室温下仍有电子 空穴对的产生和复合。,多数载流子,P型半导体主要依靠空穴导电，所以又称为空穴型半导体。 3价的杂质原子产生多余的空穴，起着接受电子的作用，所以称为受主原子。,少数载流子,在杂质半导体中：杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构，多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度。杂质半导体的优点：掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体以不同方式组合，可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。,总结,第二节 半导体二极管,PN结及其单向导电性,二极管的伏安特性,二极管的主要参数,稳压管,1. PN结

5、中载流子的运动,空间电荷区,内电场,UD,又称耗尽层，即PN结。,最终扩散(diffusion)运动与漂移(drift)运动达到动态平衡，PN结中总电流为零。,内电场又称阻挡层，阻止扩散运动，却有利于漂移运动。,硅约为（0.60.8）V锗约为（0.20.3）V,一、PN结及其单向导电性,正向电流,外电场削弱了内电场有利于扩散运动，不利于漂移运动。,空间电荷区变窄,2. PN结的单向导电性,加正向电压,耗尽层,内电场,UD - U,外电场,称为正向接法或正向偏置（简称正偏，forward bias),PN结处于正向导通(on)状态，正向等效电阻较小。,R,V,称为反向接法或反向偏置（简称反偏）,

6、一定温度下， V 超过某一值后 I 饱和，称为反向饱和电流 IS 。,反向电流非常小，PN结处于截止(cut-off)状态。,加反向电压,IS 对温度十分敏感。,动画,P,N,二、二极管的伏安特性,阳极从P区引出，阴极从N区引出。,1. 二极管的类型从材料分：硅二极管和锗二极管。从管子的结构分：,点接触型二极管，工作电流小，可在高频下工作，适用于检波和小功率的整流电路。面接触型二极管，工作电流大，只能在较低频率下工作，可用于整流。开关型二极管，在数字电路中作为开关管。,正向特性,死区电压,Is,UBR,反向特性,+,-,UD,I,2. 二极管的伏安特性,当正向电压超过死区电压后，二极管导通,电

7、流与电压关系近似指数关系。,硅二极管为0.7 V左右锗二极管为0.2 V左右,硅二极管为0.5 V左右锗二极管为0.1 V左右,死区电压：,导通压降：,正向特性,反偏时，反向电流值很小，反向电阻很大，反向电压超过UBR则被击穿。,IS,反向特性,UBR,结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。,二极管方程：,反向饱和电流,反向击穿电压,若|U| UT则 I - IS,式中： IS为反向饱和电流 UT 是温度电压当量， 常温下UT近似为26mV。,反向特性,三、二极管的主要参数,最大整流电流 IF指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。IF的数值是由二极管允许的温升所限定。

8、最高反向工作电压 UR工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR 。,反向电流 IR室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值愈小愈好。 IR受温度的影响很大。,最高工作频率 fMfM值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。,二极管除了具有单向导电性以外，还具有一定的电容效应。,势垒电容 Cb由PN结的空间电荷区形成，又称结电容，反向偏置时起主要作用。 扩散电容 Cd由多数载流子在扩散过程中的积累引起，正向偏置时起主要作用。,例1.2.1已知uI =

9、 Umsin t ，画出uO和uD的波形,Um,uI0 时二极管导通，uO = uI uD = 0,uI 0 时二极管截止，uD = uI uO = 0,-Um,io,例1.2.2 二极管可用作开关,正向偏置，相当于开关闭合。,反向偏置，相当于开关断开。,四、稳压管,稳压管是一种面接触型二极管，与二极管不同之处：1.采用特殊工艺，击穿状态不致损坏；2.击穿是可逆的。符号及特性曲线如下图所示：,U,I,值很小,有稳压特性,阴极,阳极,稳定电压UZ ：稳压管工作在反向击穿区时的工作电 压。2. 稳定电流IZ ：稳压管正常工作时的参考电流。3. 动态内阻rZ ：稳压管两端电压和电流的变化量之比。 r

10、Z= U / I4. 电压的温度系数U：稳压管电流不变时，环境温度 对稳定电压的影响。5. 额定功耗PZ ：电流流过稳压管时消耗的功率。,主要参数：,使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：,稳压管必须工作在反向击穿区。稳压管应与负载RL并联。必须限制流过稳压管的电流IZ 。,例1.2.3 电路如图所示，已知UImax= 15V， UImin= 10VIZmax= 50mA， IZmin= 5mA，RLmax= 1k，RLmin= 600UZ= 6V, 对应UZ= 0.3V。求rZ ，选择限流电阻RO,解：,IZ =IR - IO,=,UI - UZ,R,-,UZ,RL,IZmax ,UImax

11、- UZ,R,-,UZ,RLmax,IZmin ,UImin - UZ,R,-,UZ,RLmin,rZ =,IZ,UZ,= 6.7,IZ = IZmax - IZmin = 45 mA,U,U,U,U,例1.2.4 有两个稳压管 VD1 和 VD2 ，它们的稳压值为UZ1 = 6 V，UZ2 = 8 V，正向导通压降均为 UD = 0.6 V，将它们串联可得到几种稳压值?,U=UD+UD = 1.2 V,U=UZ1+UD = 6.6 V,U =UZ1+UZ2 = 14 V,U=UD+UZ2 = 8.6 V,第三节 双极结型三极管,三极管的结构,三极管中载流子的运动和电流分配关系,三极管的特性曲

12、线,三极管的主要参数,半导体三极管 晶体管 (transistor) 双极型三极管或简称三极管,制作材料：,分类 ：,它们通常是组成各种电子电路的核心器件。,双极结型三极管又称为 ：,硅或锗,NPN型PNP型,一、 三极管的结构,三个区,NPN型三极管的结构和符号,NPN,发射极电流,二、三极管中载流子的运动和电流分配关系,发射: 发射区大量电子向基区发射。,2. 复合和扩散：电子在基区中复合扩散。,3. 收集：将扩散过来的电子收集到集电极。,同时形成反向饱和电流ICBO 。,IE,IC,IB,ICN,IEN,IBN,ICBO,集电极电流,基极电流,IC = ICn + ICBOIE = IC

13、n + IBn,当ICBO IC时，可得,IEn = ICn + IBn,IE = IEn,IE = IC + IB,将 代入IC = ICn + ICBO 得,IE = IC + IB,可得,当ICEO IC时，可得,ICEO =（ 1+ ）ICBO,IE = IC + IB,IC IB,IE =（ 1+ ）IB,ICEO称为穿透电流。,各参数含义：,：共基直流电流放大系数。,：共射直流电流放大系数。,：集电极与发射极间穿透电流。,：共基交流电流放大系数。,：共射交流电流放大系数。, 和 满足,或,三、三极管的特性曲线,1. 输入特性,uCE=0V,uCE=2V,当uCE大于某一数值后，各条

14、输入特性十分密集，通常用uCE 1 时的一条输入特性来代表。,2. 输出特性,iC=f(uCE),iB=常数,饱和区,放大区,截止区：iB 0的区域，iC 0 ，发射结和集电结都反偏。,3. 饱和区：发射结和集电结都正偏，uCE较小，iC 基本不随iB 而变化。当uCE = uBE 时，为临界饱和；当uCE uBE 时过饱和。,截止区,2. 放大区：发射结正偏，集电结反偏iC = iB,发射结反向偏置,集电结反向偏置,三极管工作在截止区,可调换 VBB 极性。,发射结反向偏置,三极管工作在截止区,可调换 VCC 极性,或将VT更换为PNP型。,两PN结均正偏,三极管工作在饱和区。,例1.3.1

15、 判断图示各电路中三极管的工作状态。,VBB = iB Rb + uBE,iB,iC,iB = 46.5 A, iB = 2.3 mA,假设三极管饱和，UCES = 0.3 V,则,ICS =,VCC - UCES,Rc,= 4.85 mA, iB ICS,假设不成立，三极管工作在放大区。,或者,iC = iB = 2.3 mA,uCE = VCC - iC Rc = 5.4 V,发射结正偏集电结反偏，三极管工作在放大区。,VBB = iB Rb + uBE,iB,iC,iB = 465 A, iB = 23 mA,假设三极管饱和，UCES = 0.3 V,则,ICS =,VCC - UCES

16、,Rc,= 4.85 mA, iB ICS,假设成立，三极管工作在饱和区。,或者,iC = iB = 23 mA,uCE = VCC - iC Rc = -36 V,发射结正偏集电结正偏，三极管工作在饱和区。,四、 三极管的主要参数,2. 反向饱和电流,共基电流放大系数,集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO,集电极和发射极之间的穿透电流 ICEO,两者满足,1. 电流放大系数,共射电流放大系数,3. 极限参数,a. 集电极最大允许电流 ICM,三极管的安全工作区,过流区,集射反向击穿电压U(BR)CEO,集基反向击穿电压U(BR)CBO,iCuCE=PCM,过压区,安 全工作区,ICM,U

17、(BR)CEO,c. 极间反向击穿电压,b. 集电极最大允许耗散功率 PCM,五、 PNP型三极管,PNP型三极管的放大原理与NPN型基本相同，但外加电源的极性相反。,在由PNP型三极管组成的放大电路中，三极管中各极电流和电压的实际方向如图(a)所示，根据习惯三极管中电流和电压的规定正方向如图(b)所示。,定量计算中，将得出PNP型三极管的UBE和UCE为负值。在PNP型三极管的输入和输出特性曲线中，电压坐标轴上将分别标注“ - UBE”和“ - UCE”。,电流实际方向与规定方向一致，电压实际方向与规定方向相反。,第四节 场效应三极管,结型场效应管,绝缘栅场效应管,场效应管的主要参数,场效应

18、三极管中参与导电的只有一种极性的载流子（多数载流子），故称为单极型三极管。,分类：,结型场效应管,绝缘栅场效应管,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,N沟道,P沟道,P沟道,一、结型场效应管,1. 结构,N型沟道,N沟道结型场效应管的结构和符号,栅极,漏极,源极,2. 工作原理,uGS = 0,uGS 0,uGS = UGS(off), 当uDS = 0 时， uGS 对耗尽层和导电沟道的影响。,ID=0,ID=0,沟道较宽，iD 较大。,iS = iD,iD,iS,iD,iS,uGS=0，uGD UGS(off),uGS UGS(off), 当uDS 0 时， uGS 对耗尽层和 iD

19、的影响。,沟道变窄， iD 较小。,uGS 0，uGD= UGS(off)，,uGS UGS(off) ，uGD UGS(off)，,iD 0， 导电沟道夹断。,iD更小， 导电沟道预夹断。,3. 特性曲线, 转移特性,iD = f（uGS）|uDS=常数,沟道结型场效应管转移特性,IDSS,UGS(off),饱和漏极电流,栅源间加反向电压 uGS 0利用场效应管输入电阻高的优点。, 漏极特性,iD=f（uDS）|uGS=常数,预夹断轨迹,恒流区,击穿区,|UGS(off)|8V,IDSS,|uDS-uGS|= |UGS(off)|,可变电阻区：iD 与uDS 基本上呈线性关系，但不同的uGS

20、 其斜率不同。,恒流区：又称饱和区，iD 几乎与uDS 无关，iD 的值受uGS 控制。,N沟道结型场效应管的漏极特性,击穿区：反向偏置的PN结被击穿， iD 电流突然增大。,夹断电压,二、绝缘栅场效应管,1. N沟道增强型MOS场效应管, 结构,P型衬底,B,铝,P衬底杂质浓度较低，引出电极用B表示。,N+两个区杂质浓度很高，分别引出源极和漏极。,栅极与其他电极是绝缘的，通常衬底与源极在管子内部连接。,开启电压，用uGS(th)表示, 工作原理,当uGS 增大到一定值时，形成一个N型导电沟道。,N型沟道,导电沟道的形成,假设uDS = 0 ，同时uGS 0,靠近二氧化硅的一侧产生耗尽层，若增

21、大uGS ，则耗尽层变宽。,又称之为反型层,导电沟道随uGS 增大而增宽。,uDS对导电沟道的影响,uGS为某一个大于UGS(th)的固定值，在漏极和源极之间加正电压，且uDS UGS(th)则有电流iD 产生，,iD,使导电沟道发生变化。当uDS 增大到uDS =uGS - UGS(th)即uGD = uGS - uDS = UGS(th) 时，沟道被预夹断， iD 饱和。, 特性曲线,IDO,UGS(th),2UGS(th),预夹断轨迹,恒流区,当uGS UGS(th)时,转移特性曲线可近似用以下公式表示：,2. N沟道耗尽型MOS场效应管,预先在二氧化硅中掺入大量的正离子，使uGS =

22、0 时，产生N型导电沟道。当uGS 0 时，沟道变宽，iD 增大。,耗尽型： uGS = 0 时无导电沟道。增强型： uGS = 0 时有导电沟道。,特性曲线,IDSS,UGS(off),预夹断轨迹,恒流区,IDSS,三、 场效应管的主要参数,1. 直流参数, 饱和漏极电流 IDSS是耗尽型场效应管的一个重要参数。它的定义是当栅源之间的电压uGS等于零，而漏源之间的电压uDS大于夹断电压时对应的漏极电流。, 夹断电压 UGS(off)是耗尽型场效应管的一个重要参数。其定义是当uDS一定时，使iD减小到某一个微小电流时所需的uGS值。, 开启电压 UGS(th)UGS(th)是增强型场效应管的一

23、个重要参数。其定义是当uDS一定时，使漏极电流达到某一数值时所需加的uGS值。, 直流输入电阻 RGS栅源之间所加电压与产生的栅极电流之比。结型场效应管的RGS一般在107以上，绝缘栅场效应管的RGS更高，一般大于109。,2. 交流参数 低频跨导gm用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用。, 极间电容 场效应管三个电极之间的等效电容，包括CGS 、CGD和CDS 。极间电容愈小，管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,3. 极限参数 漏极最大允许耗散功率PDM漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积，即pD= iD uDS。 漏源击穿电压U（BR)DS在场效应管的漏极特性曲线上，当漏极电流iD急剧上升产生雪崩击穿时的uDS 。 栅源击穿电压U（BR）GS,