模拟电子教程基础第一章.ppt

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1、1,第一章,半导体器件,2,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 双极结型三极管,3,1.1.1 导体、半导体和绝缘体,一、导体 自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,二、绝缘体 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,三、半导体 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 半导体的特性,4,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。例如：,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

2、改变。,5,本征半导体,一、本征半导体结构,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,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。,6,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，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。,7,硅和锗的共价键结构,共价键共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,8,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的

3、导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,9,二、本征激发,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.载流子、自由电子和空穴,10,自由电子,空穴,束缚电子,11,2.本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷

4、的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,12,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征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，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。,13,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。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，

5、也称为（电子半导体）。,14,一、N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,15,多余电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流

6、子（少子）。,16,二、P 型半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,17,杂质半导体的示意表示法：,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,18,小结,1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有

7、关。,19,1.2.1 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。,1.2 PN结及半导体二极管,一、多子扩散,20,P型半导体,N型半导体,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，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,21,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。,二、少子漂移,22,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,23,1.空间电荷区中没有载流子。,2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴.N区 中的电子（都是多

8、子）向对方运动（扩散运动）。,3.P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,24,1.2.2 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。,25,一、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。,26,二、PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，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。,R,E,27,半导体二极管,一、基本结构,PN 结加上管壳和引线，

9、就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,28,二、伏安特性,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,29,三、主要参数,1.最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.反向击穿电压UBR,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UWRM一般是UBR的一半。,30,3.反向电流 IR,指二极管加反向峰值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

10、向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,31,4.微变电阻 rD,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,32,5.二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流）

11、，注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,33,CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,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,34,二极管：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,35,二极管的应用举例2：,36,稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,一、结构二、特性,37,（4）

12、稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）最大允许功耗,三、稳压二极管的参数,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,38,负载电阻。,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,39,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。,方程2,联立方程1、2，可解得：,40,1.2.5 特殊二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,一、光电二极管,41,二、发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，

13、目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,42,基本结构和类型,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,1.3 半导体三极管,一、结构,43,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,44,发射结,集电结,二、类型,有PNP型和NPN型；硅管和锗管；大功率管和小功率管；高频管和低频管。,45,1.3.2 三极管的连接方式,EB,RB,EC,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。,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。,一、共发射极接法二、共集电极接法三、共基极接法,1.3.3 电流放大原

14、理,46,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。,一、载流子传输过程 发射、复合、收集,47,IB=IBE-ICBOIBE,二、各极电流关系,48,49,ICE与IBE之比称为电流放大倍数,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,三、电流放大系数,50,NPN型三极管,PNP型三极管,51,特性曲线,IC,V,UCE,UBE,RB,IB,EC,EB,实验线路,52,一、输入特性,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。,53

15、,二、输出特性,IC(mA),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,54,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,55,此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,56,输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且 IC=IB,(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE，IBIC，UCE0.3V,(3)截止区：UBE 死区电压，IB=0，IC=ICEO 0,57,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB=-2V

16、，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,当USB=-2V时：,IB=0，IC=0,IC最大饱和电流：,Q位于截止区,58,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,IC ICmax(=2mA)，Q位于放大区。,USB=2V时：,59,USB=5V时:,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,Q 位于饱和区，此时IC 和IB 已不是 倍的关系。,60,1.3.5 主要参数,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接

17、法，相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大倍数：,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,1.电流放大倍数和,61,例：UCE=6V时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=,62,2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,63,B,E,C,N,N,P,ICBO进入N区，形成IBE。,根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。,集电结反偏有ICBO,3.集-射极反

18、向截止电流ICEO,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,64,4.集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,5.集-射极反向击穿电压,当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,65,6.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC 流过三极管，所发出的焦耳 热为：,PC=ICUCE,必定导致结温 上升，所以PC 有限制。,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作区,66,67

19、,1.4 场效应晶体管(FET),场效应管(FET)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，属于压控器件。由于它仅靠多子参加导电，又称单极型晶体管。,一、结型场效应管(JFET),结型场效应管又有N沟道和P沟道两种类型。,图是N沟道结型场效应管的结构示意图，图（a）是N沟道结型场效应管的符号。图中，在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，所引出的电极称为栅极G，N型半导体的两端分别引出两个电极，一个称为漏极D，一个称为源极S。P区与N区交界面形成耗尽层，漏极和源极间的非耗尽层区域称为导电沟道。,注意：箭头指向是PN结的正偏方向,68,图1.4.1 N沟

20、道结型场效应管的结构示意图,(a)N沟道管（b）P沟道管,图1.4.2 结型场效应管的符号,69,(一)结型场效应管的工作原理,1、当（即、短路）时，导电沟道的控制作用,图1.4.3 时，对导电沟道的控制作用,当 且 时，耗尽层很窄，导电沟道很宽，如图1.4.3(a)所示。,当 增大时，耗尽层加宽，沟道变窄（如图1.4.3(b)所示），沟道电阻增大。,当 增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失（如图1.4.3(c)所示），沟道电阻趋于无穷大，称此时 的值为夹断电压。,70,2、当 为 0中某一固定值时，对漏极电流的影响。,若，则有电流 从漏极流向源极，从而使沟道中各点与栅极间的电压不再相等，而

21、是沿沟道从源极到漏极逐渐增大，造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边宽。换言之，靠近漏极一边的导电沟道比靠近源极一边的窄，如图1.4.4(a)所示。,图1.4.4 且 的情况,71,因为栅漏电压，所以当 逐渐增大时，逐渐减小，靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄。,一旦 的增大使 等于，则漏极一边的耗尽层就会出现夹断区，如图1.4.4(b)所示，称 为预夹断。,若 继续增大，则，耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸，即夹断区加长，如图1.4.4(c)所示。,因此，当 时，当 增大时 几乎不变，即 几乎仅仅决定于，表现出 的恒流性和受控性。,72,(二)结型场效应管的特性曲线,1、漏极特性（输出特性曲线

22、）,描述当栅源电压 为常量时，漏极电流 与漏源电压 之间的函数关系，即,对应于一个，就有一条曲线，因此漏极特性为一族曲线，如图1.4.5（b）所示,（a）转移特性（b）漏极特性,图1.4.5 结型场效应管的特性曲线,73,场效应管有三个工作区：,(1)可变电阻区：图1.4.5（b）中的虚线为预夹断轨迹，它是各条曲线上使 的点连接而成的。预夹断轨迹的左边区域称为可变电阻区，该区域中曲线近似为不同斜率的直线。,恒流性和受控性,利用场效应管作为放大管时，应使其工作在该区域。,(3)夹断区：当 时，导电沟道被夹断，。,(2)恒流区（饱和区）：各曲线近似为一组恒轴的平行线。,74,2、转移特性,描述当漏

23、源电压 为常量时，漏极电流 与栅源电压 之间的函数关系，即,当场效应管工作在恒流区时，可以用一条转移特性曲线代替恒流区的所有曲线。如图（a）所示。可见转移特性曲线与漏极特性曲线有严格的对应关系。】,根据半导体物理中对场效应管内部载流子的分析可得到恒流区中 的近似表达式为,应当指出：为保证N沟道结型场效应管栅源间的耗尽层加反向电压，。,75,二、绝缘栅型场效应管,绝缘栅型场效应管的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离而得名。又因为栅极为金属铝，故又称为MOS管。,MOS管分为四种类型：N沟道耗尽型管、N沟道增强型管、P沟道耗尽型管和P沟道增强型管。,下面以N沟道耗尽型管为例进行讲解

24、：,（一）结构与符号,B端为衬底，经常与源极短接在一起。,(a)结构图；(b)符号,图1.4.6 N耗MOS管的结构与符号,76,（二）N沟道的形成（导电粒子为自由电子N型半导体的多子）,当不加外电场()时，在二氧化硅层中事先掺入的正离子(带正电荷)由于静电感应能在P型衬底表面处(两N+区之间)感应出同等数量的负电荷(电子)，形成N型导电沟道（又称反型层），把两个N+区连接起来。,图1.4.7 N沟道的形成与外电场对N沟道的影响,反型层的形成是MOS管能工作的关键。,必须指出：当不加外电场时N沟道就已经存在，这是耗尽型的特点。,77,（三）特性曲线及工作原理,(a)转移特性；(b)漏极特性,图

25、1.4.8 N耗MOS管的特性曲线,78,1、转移特性,如图1.4.8(a)所示，转移特性曲线与N沟道结型管相仿，不同的是 可以为正值。,转移特性反映 对 的控制规律，控制原理可以分四种情况讨论：,(1)时，来源于外电场VGS正极的正电荷使SiO2中原有的正电荷数目增加，由静电感应，N沟道中的电子随之作同等数量的增加，N沟道变宽，沟道电阻减小，漏电流成指数规律的增加。,(2)时，N沟道已经存在，因此 不为零，仍记以IDSS，但不是最大值。,(3)时，来源于外电场负极上的负电荷抵消一部分SiO2中原有的正电荷，使其数目减少，沟道变窄，沟道电阻增加，从而漏电流ID成指数规律减小。,(4)时，SiO

26、2层中的正电荷全部被负电源中和，N沟道中电子全部消失，也就是说N沟道不存在了，沟道电阻为无穷大，漏电流，管子截止(夹断)。,79,综上述可知，MOS管与J型管的导电机构不同。J型管利用耗尽区的宽窄度控制漏流；而MOS管是利用感应电荷的多少改变导电沟道的性质，从而达到控制 的目的。,2、漏极特性,如图1.4.8(b)所示，MOS管的漏极特性与J型管类似。对N沟道也有楔形影响。越大，N沟道的楔形程度越严重。一定，楔形一定。改变 大小可改变N沟道的宽窄度，从正到负，即漏极特性曲线由上而下，反映 对 的控制作用。可见，这种管子也有受控性及恒流性，也分三个区。,80,三、场效应管的主要参数,(一)直流参

27、数,1、夹断电压：是指在 为常量情况下，时对应的 值。适用于J型管及耗尽型的MOS管。约有几伏数量级。,2、开启电压 是指在 为常量情况下，使 大于零所需要的最小 值。适用于增强型MOS管。,3、饱和漏极电流：对于耗尽型管，在UGS=0情况下产生预夹断时的漏极电流定义为。,4、直流输入电阻：指栅源电压与栅极电流的比值。对于J型管，在107至109；对MOS管一般可达1012至1015。,81,(二)交流参数,低频跨导：（数值大小表示 对 控制作用的强弱）,在管子工作在恒流区且 为常量的条件下，的微小变化量 与引起它变化的 之比，称为低频跨导。即（单位是“S”西门子）,是转移特性曲线上某一点的切

28、线的斜率，与切点的位置密切相关。,(三)极限参数,1、最大漏极电流：,是管子正常工作时漏极电流的上限值。,2、击穿电压,(1)指在漏极特性中使 开始剧增的 值；,(2)对J型管，使反向饱和电流开始剧增时所对应的 值。对MOS管，使SiO2绝缘层击穿的 值。,82,四、微变等效电路及其参数,根据漏极特性曲线族具有受控性及恒流性，在低频小信号情况下可画出FET简化的等效电路如图所示。,其中 极性与 的方向、大小是受控关系。即,83,的大小有三种求法。,(1)在漏极特性上确定 的方法与相同，如图1.4.10（a）所示。,(2)在转移特性上求，如图1.4.10（b）所示。,可见,的几何意义是过静态工作

29、点Q作外切线的斜率。,(3)用计算法求：,84,（a）在漏极特性上求gm,（b）在转移特性上求gm,图1.4.10 求,五、场效应管和双极型三极管的比较,我们在了解场效应管的一般性能以后，下面再把它和双极型三极管相比，作为选用的依据。,85,1、场效应管是电压控制元件，而双极型三极管则是电流控制元件，所以在向信号源基本不取电流的情况下，应该用场效应管；而在信号电压较弱但又允许取一定电流的情况下，应该选用双极型三极管。,2、场效应管是利用多数载流子导电(例如N型硅中的自由电子)，而双极型三极管既利用多数载流子又利用少数载流子。少数载流子的数目容易受温度或核辐射等外界因素的影响，因此在环境条件变化

30、比较剧烈的情况下，采用场效应管比较合适。场效应管有一个零温度系数工作点，即当栅极电压在某一合适的数值时，不受温度变化的影响。,3、场效应管的噪声系数比三极管要小，因此在低噪声放大器的前级，常选用场效应管。,86,6、场效应管的工作频率较低，不适合高频运用。绝缘栅场效应管容易被感应电压击穿，称栅穿。使用和保存时应注意防栅穿，如保存时将各电极短接在一起，焊接时电烙铁要有良好的接地线或断电后利用余热焊接。,5、场效应管能在很小的电流、很低的电压条件下工作，故适用于作为小功率无触点开关和由电压控制的可变电阻，而且它的制造工艺便于集成化，因而在电子设备中得到广泛的应用。,4、有些场效应管的源极和漏极可以互换，栅极电压可正可负，灵活性比双极型三极管强。,