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1、1,模拟电子技术,CAI,电气信息学院电子信息系主讲：杨建宁,2,第 一 章 半导体器件 5%理解半导体结构和导电机理（概念）理解温度变化对半导体导电能力影响的原因 理解二极管结构 掌握二极管的单向导电性应用 理解稳压管稳压原理理解三极管的结构，掌握三极管的特性区域，放大、饱和、截止功能 理解场效应管的开启电压和夹断电压 学习了解、理解、掌握三层次。,3,1.1 半导体基础,导体：自然界中很容易导电的物质金属绝缘体：物质几乎不导电的橡皮、陶瓷、塑料半导体：导电特性处于之间的锗、硅、氧化物等,导电机理不同于其它物质特点受光照、热、电场，磁场的作用，或掺入某些杂质（掺杂）导电能力明显改变。半导体应
2、用基础,从微观，原子结构认识:导电本质带电粒子定向移动,粒子数量决定导电能力最外层电子决定物理（导电）和化学性能,4,1.1.1 本征半导体,简图,晶体原子排列整齐,具有某种几何对称性的半导体如：C:碳石墨/钻石工业实用本征半导体不含杂质,晶格完整的半导体结合方式（物理过程）示意,5,本征半导体的导电机理,自由电子负电粒子移动,激发/复合（成对）空穴带正电粒子移动,束缚电子,共价键电子对八个稳定形成晶体,载流子可以运动的带电粒子，即空穴+和自由电子载流子的数量受激发(热,光,电,磁场)影响很大。载流子的数量决定导电能力。解释半导体导电机理（和导体区别）,温度影响：温度越高，激发作用越强，载流子
3、的浓度越高。半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素,6,多余电子自由运动,N(电子)型半导体,5价磷原子,导电以电子为主,空穴自由运动,P(空穴)型半导体,3价硼原子,导电以空穴为主,载流子:多子：电子(掺杂，激发)少子：空穴（激发）,多子：空穴（掺杂，激发）少子：电子（激发）,空间电荷不可运动,掺杂,7,1.1.3 PN结及其特性,空间电荷区，耗尽层，阻挡层,结合浓差多子扩散界面复合,空间电荷区形成内电场E方向(NP)静电场作用a.阻碍多子扩散,但是扩散愈多Er愈强;b.利于少子飘移,但飘移愈多E愈弱动态平衡,稳定.耗尽,阻挡层,空间电荷区PN结,PN结,8,理想PN
4、结的单向导电性,正向偏置PN结导通,反向偏置 PN结截止,少子漂移电流(微),(P区高电位、N区低电位),(P区低电位、N区高电位),多子扩散电流（大）,9,实际PN结伏安特性,导通压降:硅管 0.7V锗管 0.3V。,反向击穿电压U(BR),线性工作区,门坎区死区,反向饱和区,反向击穿区,死区电压 硅管0.5V锗管0.2V,理想PN结伏安特性,10,PN结 伏安特性温度影响，曲线变化趋势,温度升高1、反向饱和电流成倍增加很多，单向导电性变差；2、死区电压 降低；,UT 温度电压当量,11,PN结 的雪崩击穿和齐纳击穿。,PN结 的电容效应。,12,1.2 半导体二极管,点接触型（小电流，高频
5、）,面接触型（大电流，低频）,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,PN,13,1.2.3 主要参数,1）最大整流电流 IF二极管长期使用时，允许流过的最大正向平均电流。,2）反向击穿电压UB R 最高反向工作电压UR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UR一般是UBR的一半。,3）反向电流 IR,指二极管加反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。,4）最高工作频率f M
6、,14,1.2.6 主要应用,二极管的应用是主要利用它的单向导电性。包括整流、限幅、保护、检波、开关、信号处理等等。,例1：二极管的应用,15,例2：二极管的应用(电路分析）,假设截止法(反证,定二极管通断)1.断开V,2.绘V+,V-波形,3.比较,V+V-二级管导通(短路处理)V+V-二级管截止(断开处理),16,实际二极管的优先导通问题P16,当多个二极管同极性连与一点时，这些二极管存在优先导通问题，只有正向管压降的最大的二极管导通，其余的二极管均截止。（只有正向管压降最高的一个二极管能导通）,例2：,uo,ui1,ui2,+5V,+1V,17,18,1.2.7 稳压二极管,曲线越陡电压
7、越稳定 U/i,工艺特别,可以工作在反向击穿区。VZ基本不变（稳压）正向区同普通二级管,19,稳压二极管的参数（图解）,（1）稳定电压 UZ,（4）动态电阻越小输出电压越稳定,（2）稳定电流IZ、最小稳定电流 Izmin最大稳定电流 Izmax,（3）最大允许功耗,20,1.3 双极型晶体三极管BJT,1.基本结构、分类、符号,21,基区：较薄，掺杂浓度低,内部条件集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,集电结,发射结,22,1.3.2 电流分配和放大原理,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IC。,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。,进入P
8、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。,IB+IC=IE=Ic/Ib=IC/IEIc=Ib+ICEO,23,UCE,UBE,UCB,24,三、特性曲线,实验线路,IC,25,工作压降：硅管UBE0.60.7V锗管UBE0.20.3V,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,1）输入特性（同二极管）,26,当UCE大于一定的数值时，IC基本只与IB有关，IC=IB。,（2）输出特性,IC(mA),此区域满足IC=IB称为线性区放大区,条件：发射结正偏,集电结反偏，功能：放大,放大区,27,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCES0.3V称为饱和区。,条件：
9、发射结正偏集电结正偏功能：RCE 0近似电子开关接通,饱和区,28,此区域中:IB=0,IC=ICEOUBE 死区电压，称为截止区。,条件：发射结反偏集电结反偏功能：RCE 近似电子开关断开,截止区,29,1.3.4 主要参数,1 性能参数 1）共基电流放大系数=Ic/Ie=IC/IE 2）共射电流放大系数=Ic/Ib=IC/IB(一般40-200)3）.集-基反向饱和电流ICBO(CB之间PN结反向电流，A级)4）.穿透电流ICEO=(1+)ICBO温度.噪声IC=+ICBO 5）特征频率fT 三极管的下降带1时的频率,30,ICUCE=PCM,安全工作区,2）极限参数4.集电极最大电流IC
10、M5.集射反向击穿电压UCEO。UEBO。UCBO6.集电极最大耗散功率PCM,31,温度对三极管参数影响,32,1.4 场效应管 FET,特点：（1）场效应管只有一种极性的载流子（电子或者空穴）参与导电，所以场效应管有时又称为单极型晶体管。（2）场效应管是电压控制器件，它的输入阻抗高达1071014，基本不需信号源提供输入电流。场效应管的主要缺点是放大能力较低。,场效应管具有三极管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的优点、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强的优点，效应管类型较多，电压极性要求和特性曲线各不相同，工程上可方便灵活选用,33,场效应管 分类,N沟道MOS管结型P沟道MOS管场效应管增强
11、型N沟道MOS管绝缘栅型P沟道MOS管耗尽型N沟道MOS管P沟道MOS管,34,1.2.6 结型?/,35,1.4 绝缘栅型场效应管,1.4.1 基本结构,增强型N沟道 耗尽型N沟道增强型P沟道 耗尽型P沟道,耗尽/增强型；N/P沟道 区分：,36,1.4.2 工作原理-1,在漏极和源极之间加上电压UDS，由于N+漏区和N+源区与P型衬底之间形成两个PN结，无论UDS极性如何，两个PN结中总有一个因反向偏置而处于截止状态，漏极和源极没有导电通道，漏极电流ID为零。,UDS,导电通道形成-场效应,37,1.4.2 工作原理-2,正向电压UGS，由于栅极铝片与P型衬底之间为二氧化硅绝缘体，它们构成
12、一个电容器，UGS在二氧化硅绝缘体产生一个垂直于衬底表面的电场，电场方向向下，由于二氧化硅绝缘层很薄，产生的电场强度很大（V/M）在电场作用下，P衬底中的电子被吸引到表面层。当UGS较小时，吸引到表面层中的电子很少，而且立即被空穴复合，只形成不能导电的耗尽层。,当UGS UGSON时，吸引到表面层中的电子，除填满空穴外，多余的电子在原为P型半导体的衬底表面形成一个自由电子占多数的N型层，故称为反型层。反型层沟通了漏区和源区，成为它们之间的导电沟道。,开启电压UGS(TH)使增强型场效应管刚开始形成导电沟道的临界电压。夹断电压UGS(OFF)耗尽型场效应管导电沟道刚开始断开的临界电压,38,1.
13、4.2 工作原理-3,如果加上栅源电压UGSUGSON后，在漏区和源区形成了导电沟道，同时再加上漏源电压UDS0，导电沟道形状会变成逐渐减小的楔形形状.这是因为UDS使得栅极与沟道不同位置间的电位差变得不同，靠近源极一端的电位差最大为UGS；靠近漏极一端的电位差最小为UGD=UGSUDS，反型层为楔型的不均匀分布。,39,1.4.2 工作原理-4,改变栅极电压UGS，就能改变导电沟道的厚薄和形状，即改变导电沟道的电阻值，实现对漏极电流ID的控制作用。与三极管的不同之处是：三极管是由IB来控制IC的，是电流控制元件。场效应管是由UGS来控制ID的，故为电压控制元件，UGS对ID的控制能力可通过跨
14、导gm来表示。gm=UDS=常数当UDS继续增加，UGD=UGSUDS减小，沟道在接近漏极处消失，结果楔形导电沟道如图所示，这时的状态称为预夹断。预夹断不是完全将导电沟道夹断，而是允许电子在导电沟道的窄缝中以高速流过，保证沟道电流的连续性。管子预夹断后，UDS在较大范围内变化时，ID基本不变，进入恒流区。,增强型场效应NMOS管导通的条件为：UGSUGS(TH)UDSUGS0,40,1.4.3 场效应管特性曲线,1转移特性在UDS一定时，漏极电流ID与栅源电压UGS之间的关系ID=f(UGS)当栅源电压小于开启电压时，漏极电流为零（0UGSUGS(TH)，ID=0）开启电压增强型场效应管刚开始
15、形成导电沟道的临界电压UGS(TH)夹断电压耗尽型场效应管导电沟道刚开始断开的临界电压UGSOFF开启和夹断电压的极性！当栅源电压大于开启电压时（UGSUGS(TH)），漏极与栅极之间有了导电沟道，产生漏极电流ID，随着UGS增加，导电沟道加宽，沟道电阻减小，漏极电流ID随着UGS增加而迅速增加。反映了栅源电压UGS的对漏极电流ID控制作用,41,1.4.6 输出特性（漏极特性）,（1）可变电阻区（）：UGS控制着场效应管的沟道宽度，UGS一定时，沟道电阻基本不变。随着UDS的增加，ID近似线形地增加。D、S间可等效成一个由UGS控制的可变电阻。（2）恒流区（）：场效应管已经进入预夹断状态，U
16、DS增加，ID只略有增加，ID的大小主要受UGS控制，可以把ID近似等效成一个受UGS控制的电流源，且ID随着UGS线形增长，故又称为线形放大区。（3）击穿区（）：随着UDS进一步增加到一定的数值时，漏极与衬底的 反向PN结被击穿，ID突然迅速上升，功耗急剧增大。,ID=f(UDS)|UGS=常数,42,1.4.3 直流主要参数,1开启电压UGS(TH)：增强型MOS管的UDS为一定值时，产生某一微小电流ID所需要|UGS|的最小值。2夹断电压UGSOFF：耗尽型MOS管的UDS为一定值时，使ID等于某一微小电流所对应的|UGS|值。3饱和漏极电流IDSS：耗尽型，U GS=0，管子发生预夹断
17、时的漏极电流。（测试条件：U GS=0，U DS=10V时的 ID=IDSS）4直流输入电阻RGS：表示栅极和源极的直流电阻。绝缘栅型的栅、源极之间是二氧化硅的绝缘层，RGS可高达1091017。,43,1.4.3 交流主要参数,1跨导gm：表示栅源电压UGS对漏极电流ID控制作用的大小的参数。在UDS在一定数值的条件下，UGS的微小变化量引起的ID微小变化量的比值。单位为A/V或mA/V。gm=UDS=常数2.交流输出电阻：,UGS=常数,1.4.3 极限参数,44,场效应管思考题,理解P37表1-2，各种电压极性关系含义（查表，不要求记忆）1。解释开启电压、夹断电压的意义，各是那一种场效应管的参数。2。试说明NMOS管与PMOS管的主要区别，增强型管和耗尽型管的主要区别。3。为什么说三极管是电流控制元件，而场效应管是电压控制元件？,耗尽型N沟道 增强型N沟道 耗尽型P沟道 增强型P沟道,45,第1章 作业,1-71-9*（IMINIMAX）1-10（1）1-12*1-13,
