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1、模拟电子技术基础,第1章 常用半导体器件,硅Si和锗Ge原子结构及简化模型,(a) Si原子结构模型图 (b) Ge原子结构模型图 (c) 简化模型图,本征半导体,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,通过特殊工艺，可使硅或锗材料形成晶体结构，每个原子与周围的4个原子以共价键的形式紧密结合着，并排列成整齐的晶格结构。,价电子,共价键,单晶体中的共价键结构,当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,本征半导体中的自由电子和空穴,自由电子,空穴,若 T ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T ,自由电子和空穴使本
2、征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴和自由电子称为载流子。,杂质半导体,一、 N 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。,二、 P 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。,自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。,空穴浓度多于电子浓度，即 p n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。,PN 结及其单向导电性,在一块半导体的一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形
3、成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。,PN 结中载流子的运动,1. 扩散运动,2. 扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。, PN 结，耗尽层。,3. 空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒； 内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。,4. 漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,5. 扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流,等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与,漂移运动达到动态平衡。,二、 PN
4、 结的单向导电性,1. PN 外加正向电压,又称正向偏置，简称正偏。,在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。,2. PN 结外加反向电压(反偏),反相偏置的 PN 结,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高， IS 将急剧增大。,反向接法时，外电场与内电场方向一致，增强了内电场作用；,外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I ；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,综上所述：当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于 导通状态；当
5、 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。可见， PN 结具有单向导电性。,PN结的电容效应 PN结的单向导电性，体现了PN结具有可变电阻的性质，即外加正向电压时，PN结呈现的电阻很小；外加反向电压时，PN结呈现的电阻很大。PN结除了表现有可变电阻的特性外，它还具有可变电容的特性。PN结的电容由势垒电容和扩散电容两部分组成。1）势垒电容 当PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将随之变化，既耗尽区的空间电荷量随外加电压而增加或减少。这种现象与电容器充放电过程类似，其空间电荷量的变化所等效的电容，称之为势垒电容，用Cb表示。2）扩散电容因多子扩散所引起的电容
6、效应对应的等效电容称之为扩散电容，用Cd表示。,PN结的总电容Cj为Cb与Cd之和，即： Cj=Cb+Cd PN结正偏时，结电容以Cd为主，即CjCd，其值通常为几十几百pF; PN结反偏时，结电容以Cb为主，即CjCb，其值通常为几几十pF。在低频时，常忽略Cj的影响，而在信号频率较高时，才考虑结电容的影响。,1. 在杂质半导体中多子的数量与- （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与- （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 - （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是- ，N 型
7、半导体中的电流主要是 - 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,1.1 什么是本征半导体?什么是杂质半导体?各有什么特征?1.2 N型半导体是在本征半导体中掺入_价元素而形成，其多数载流子是_，少数裁流子是_；P型半导体是在本征半导体中掺入_价元素而形成，其多数载流子是_，少数裁流子是_。1.3 当PN结无外加电压时，有无电流流过？有无载流子通过? PN结两端存在内建电位差，若将PN结短路，问有无电流流过?1.4 PN结末加外部电压时，扩散电流_漂移电流；外加正向电压时：扩散电流_漂移电流，其耗尽层变_； 加反向电压时：扩散电流_漂移电流，其耗尽层变_。,部分习题：,1.2 半导体二极管,普通
8、二极管,图1.10 二极管的结构与电路符号（a）面接触型 （b）点接触型 （c）电路符号,按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。,按 PN 结结构分：有点接触型和面接触型二极管。,按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。,二极管的伏安特性,在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I = f (U )之间的关系曲线。,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,二极管的伏安特性,k为波尔兹曼常数,T为热力学温度，在T=300K时（室温下），UT 26mV,q为电子电量,二极管伏安特性,二极管的主要参数,1. 最大整流电流 IF,二极管长期运行时，允许
9、通过的最大正向平均电流。,2. 最高反向工作电压 URM,工作时允许加在二极管两端的反向电压值。,3. 反向电流 IR,室温下，二极管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。,4. 最高工作频率 fM,fM 值主要决定于 PN 结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。,5） 直流电阻RDRD定义为：二极管两端所加直流电压UD与流过它的电流ID之比，即,6） 交流电阻rd当二极管外加正向直流偏置电压UD时，将产生电流ID，UD、ID在二极管的特性曲线上确定了一点Q（UD，ID）。定义在Q点附近的小范围内，电压的增量与电流的增量之比为rd，即,二极管
10、等效模型,1理想二极管等效电路,2恒压降型等效电路,3 折线型等效电路,二极管的单向导电性,1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,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=0,二极管的应用举例1：二极管半波整流,电路
11、如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳V阴 二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例2：,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 VUD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,例3:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2
12、的电流为,求：UAB,在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例4：,二极管的用途： 整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,半导体二极管的测量与选用:,用万用表的电阻档测量得出二极管的好坏:两次测量正反向电阻相差最大,质量好.两次测量正反向电阻接近或相等,失效.两次测量正反向电阻无穷大,断路.两次测量正反向电阻等于零,短路.,1.8 二极管电路如图1.46所示。试判断图中各二极管是导
13、通还是截止，并求出A、O两端间的电压UAO，(设二极管的正向电压降和反向电流均可忽略)。,1.10 电路如图1.48所示，已知D1是硅管，D2是锗管，其余参数如图示。试计算UO和ID。,稳压二极管管,一种特殊的面接触型半导体硅二极管。,稳压管工作在反向击穿区。虽然反向电流变化较大，但管子两端的电压却变化很小。,(b)稳压管符号,(a)稳压管伏安特性,图 1.2.10稳压管的伏安特性和符号,1 .正向导通2 .关断3 .反向稳压导通,稳压管主要参数,1. 稳定电压 UZ,5 . 动态电阻 rZ,2. 稳定电流 IZ（即IZmin),稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。,I IZ 时 ，管子的
14、稳压性能差； 一般，I 较大时稳压性能较好 ，但不能超过额定功耗最大稳定电流IZmax。,4. 额定功耗 PZ,稳压管的额定功耗PZ等于其稳定电压UZ与最大稳定电流IZM的乘积。,PZ = UZIZM,3. 最大稳定电流IZmax 稳压管正常工作时允许通过的最大电流。,稳压管正常工作的参考电流。,6. 温度系数,使用稳压管需要注意的几个问题：,稳压管电路,1. 外加电源的正极接管子的 N 区，电源的负极接 P 区，保证管子工作在反向击穿区；,2. 稳压管应与负载电阻 RL 并联；,3. 必须限制流过稳压管的电流 IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。,发光二极管,光电二极管,发光二极管是
15、一种将电能转换为光能的半导体器件。,光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件。,1.11 在图1.49所示电路中，稳压管参数为UZ12V，IZ5mA，PZM200mW，试分析： (1)稳压管是否工作于稳压状态?并求UO值; (2)稳压管是否能安全工作?,1.3 晶体管,晶体管的结构,(a)平面型(NPN),(b)合金型(PNP),e 发射极，b基极，c 集电极。,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,基区：最薄，掺杂浓度最低,发射区：掺杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点：,集电区：面积最大,晶体管的结构与符号,晶体管的放大原理
16、,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,少数载流子的运动,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,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,图1.26 发射结正向偏置、集电结反向偏置（a） 内部电流传输示意图 （b） 电路图,三极管的电流分配关系,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,IC = ICn + ICBO,IE = ICn + IBn + IEp = IEn+ IEp,一般要求 ICn 在 IE 中占的比例尽量大
17、。而二者之比称共基直流电流放大系数，即,一般可达 0.95 0.99,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,为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？,共发射极电流放大作用 1 发射结正向偏置，集电结反向偏置 晶体管在发射结正偏、集电结反偏时，内部载流子的传输过程与外电路的连接形式无关。晶体管处于放大状态。,1，所以当基极电流有一个较小的变化时，会引起集电极电流有一个较大的变化，这就是晶体管共发射极接法时的电流放大作用。,2 发射结反向偏置、集电结反向偏置,当晶体管的发射结与集
18、电结均反向偏置时，各电极的电流近似为零，称这种状态为截止状态。,3 发射结正向偏置、集电结正向偏置,集电结对基区的非平衡少子的收集能力大大降低，当发射结电压增大时，由发射区进入基区的载流子较多的与基区的多子复合，使IB迅速增加，而IC基本上维持一个常数。晶体管的这种工作状态称为饱和状态。 在饱和状态下，IB失去了对IC的控制作用。,随着IC的增大，UCE减小。,当UCE减小，使UCB小于零时，集电结则处于正向偏置。,发射结反向偏置、集电结正向偏置 三极管倒置应用时，没有电流放大能力。,综上所述：晶体管有三种工作状态：放大状态、截止状态、饱和状态。,晶体三极管把基极电流的微小变化能够引起集电极电
19、流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。 实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是电流控制器件。,晶体管的共射输入特性和输出特性,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取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,为什么像PN结的伏安性？,为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？,1. 输入特性,UCE=0V时发射结与集电结并联，相当于两只二极管并联。,0UCE1V时集电结由正偏向反偏过渡，iC增加iB减小。,UCE1V后，集电结反偏形成，iC基本不变， UBE与iB的关系受UCE的影响减小。,2. 输出特性,对应于一个IB就有一条iC
20、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,放大区：发射结正偏，集电结反偏截止区：发射结反偏，集电结反偏饱和区：发射结正偏，集电结正偏。,温度对晶体管特性的影响,晶体管参数与温度的关系,1、温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优 于锗管。,2、温度每升高 1C，UBE将减小 (22.5)mV， 即晶体管具有负温度系数。,3、温度每升高 1C， 增加 0.5%1.0%。,主要参数,直流参数： 、 、ICBO、 ICEO,c-e间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，PCMiCuCE,安全工作区,交流
21、参数：、fT（使1的信号频率）,极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO,晶体管的主要参数,1 电流放大系数,共基极,共发射极,2 极间反向电流,1）集电极反向饱和电流ICBO,2） 集电极发射极穿透电流ICEO,发射极开路时，集电极与基极之间的反向电流。,基极开路时，集电极与发射极之间的穿透电流。,3 极限参数,1） 集电极最大允许耗散功率PCM,2） 集电极最大允许电流ICM,3） 极间反向击穿电压,U(BR)CEO是指基极开路时，集电极发射极间的反向击穿电压。U(BR)CBO是指发射极开路时，集电极基极间的反向击穿电压。U(BR)EBO是指集电极开路时，发射极基极间的反向击穿电压。,U
22、(BR)EBO U(BR)CEO U(BR)CBO,PNP 型三极管,放大原理与 NPN 型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与 NPN 正好相反。,三极管外加电源的极性,1.14 晶体管工作在放大区时，发射结为_偏置，集电结为_偏置；工作在饱和区时，发射结为_偏置，集电结为_偏置；工作在截止区时，发射结为_偏置，集电结为_偏置。,1.15 发射结为正向偏置，集电结为反向偏置是晶体管工作在放大区的基本要求。试问这一要求与以基极作为输入输出回路的公共端或者以发射极作为输入输出回路的公共端有无关系？为什么？,1.18 在放大电路中，测得三个晶体管的三个电极1、2、3对参考点
23、的电压U1、U2、U3分别为以下几组数值，试判断它们是NPN型还是PNP型?是硅管还是锗管？并确定e、b、c。(1) U13.3V， U22.6V， U312V(2) U13.3V， U23V, U312V(3) U15.5V， U211.3V, U312V,1.20 用电压表测量某电路中几个晶体管的极间电压，得到下列几组值，试依据这些数据说明各个管子是NPN型还是PNP型，是硅管还是锗管，并说明它们工作在什么区域。（1） UBE = 0.7V ， UCE = 0.3V；（2） UBE =0.7V ， UCE = 5V；（3） UBE =0.3V ， UCE =5V；,1.19 用电流表测量某
24、放大电路中2个晶体管各电极的电流，所得数据如图1.50所示，试依据这些数值求出另一个电极的电流值，标出其实际方向，注明各个电极的名称，并分别计算其电流放大系数。,1.4 场效应管,场效应管（以N沟道为例）,场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区。,1. 结型场效应管,导电沟道,源极,栅极,漏极,符号,结构示意图,栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用,沟道最宽,uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？,UP,漏-源电压对漏极电流的影响,uGSUP且不变，VDD增大，iD增大。,预夹断,uGDUP,VDD的增大，几乎全部用来克
25、服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。,场效应管工作在恒流区的条件是什么？,uGDUP,uGDUP,夹断电压,漏极饱和电流,转移特性,场效应管工作在恒流区，因而uGSUP 且uGDUP。,为什么必须用转移特性描述uGS对iD的控制作用？,UP,g-s电压控制d-s的等效电阻,输出特性,预夹断轨迹，uGDUP,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）,夹断电压,IDSS,不同型号的管子UP、IDSS将不同。,低频跨导：,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。,结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电
26、阻很高，可达 107 以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。,在漏极特性上用作图法求转移特性,2. 绝缘栅型场效应管（MOS场效应管）,uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。,增强型管,SiO2绝缘层,衬底,耗尽层,空穴,高掺杂,反型层,大到一定值才开启,增强型MOS管uDS对iD的影响,用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？,iD随uDS的增大而增大，可变电阻区,uGDUT,预夹断,iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区,刚出现夹断,uDS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻,耗尽型MOS
27、管,耗尽型MOS管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。,加正离子,小到一定值才夹断,uGS=0时就存在导电沟道,MOS管的特性,1)增强型MOS管,2)耗尽型MOS管,开启电压,夹断电压,UT,UT,UP,UP,场效应管的主要参数,一、直流参数,饱和电流 IDSS,2. 夹断电压 UP,3. 开启电压 UT,4. 直流输入电阻 RGS,为结型和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。,为结型和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
28、 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。,3. 输出电阻rd,输出电阻说明了uDS对iD的影响，是输出特性曲线某点上切线斜率的倒数。在饱和区，iD随uDS变化很小，因此rd的数值很大，一般在几千欧到几百千欧之间。,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。,1.22 结型场效应管栅极与沟道间的PN结在作为放大器件工作时，能允许正向偏置吗？晶体三极管的发射结呢？,
