模拟电子技术基础常用半导体器件ppt课件

(1-1),1.1半导体基础知识,1.2半导体二极管,1.3双极型三极管,1.4场效应管,第1章常用半导体器件,(1-2),补充概念：导体、半导体和绝缘体,自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,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半导体基础知识,(1-3),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。,电子器件所用的半导体一般都具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。,(1-4),完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,在硅和锗晶体中，原子相互之间靠的很近，分属于每个原子的价电子受到相邻原子的影响，而使价电子为两个原子所共有，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。,1.1.1本征半导体,(1-5),本征半导体的导电机理,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。,(1-6),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。比如：热敏性、光敏性、掺杂性。,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改变。,(1-7),1.1.3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。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。,(1-8),N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）。,多余电子,磷原子,硅原子的半径:1.17x10-10米,(1-9),N型半导体,N型半导体中的载流子是什么？,自由电子称为多数载流子（多子），由于掺入少量的五价元素形成的。空穴称为少数载流子（少子），由于热激发产生的。物理模型为：,(1-10),P型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟）。,硼原子,(1-11),P型半导体,P型半导体中空穴是多子，电子是少子。物理模型为：,(1-12),一.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。,1.1.3PN结,(1-13),杂质半导体的示意图表示法,(1-14),P型半导体,N型半导体,空间电荷区,PN结处载流子的运动,内容回顾：1.扩散定理2.电场概念,(1-15),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。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,(1-16),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。,(1-17),二.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。,(1-18),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。（mA量级）,(1-19),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。（uA量级）,(1-20),三.PN结的伏安特性,在PN结的两端加上电压后，通过PN结的电流I随两端的电压V变化的曲线伏安特性,IS为反向饱和电流，q为电子的电量，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。常温下UT约为26mv。,(1-21),*四.PN结的电容效应,在一定条件下，PN结具有电容效应，主要由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,(1-22),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,(1-23),半导体二极管图片,1.2半导体二极管,(1-24),(1-25),end,(1-26),1.2.1半导体二极管的结构,在PN结上加上引线和外壳，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1)点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(1-27),(3)平面型二极管,往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(2)面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,(4)二极管的代表符号,(1-28),1.2.2二极管的伏安特性,(1-29),伏安特性,U,SI,GE,Uon,UBR,800C,200C,(1-30),(1-31),(1-32),(1-33),1.2.3二极管的主要参数,(1)最大整流电流IF,(2)反向击穿电压UBR和最大反向工作电压URM,(1-34),(4)最高工作频率fM,二极管工作的上限截止频率。,(1-35),1.2.4二极管的等效电路,能够用简单、理想的模型来模拟电子器件的复杂特性或行为的电路称为等效电路，也称为等效模型。,能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路，也称为二极管的等效模型。,(1-36),1.理想模型,一、由伏安特性折线化得到的等效电路,(1-37),工程上：二极管的应用举例,导通压降:硅管0.7V,锗管0.2V。,(1-38),解：当开关断开时，输出电压为,例题1.2.1已知二极管导通电压为0.7V。试分别估算开关断开和闭合时输出电压的数值。,当开关闭合时，二极管因外加反向电压而截止，故输出电压为,注：这里采用二极管恒压降模型,(1-39),小信号交流模型,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,二、二极管的微变等效电路,(1-40),应用举例补充,1.二极管的静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,(1-41),二极管的近似分析计算,例：,恒压源模型,测量值9.32mA,相对误差,理想二极管模型,相对误差,0.7V,(1-42),二极管的模型,串联电压源模型,UD二极管的导通压降。硅管0.7V；锗管0.3V。,理想二极管模型,正偏,反偏,.,43,讨论：解决两个问题,如何判断二极管的工作状态？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？,uD=ViR,ID,UD,V与uD可比，则需图解：,实测特性,对V和Ui二极管的模型有什么不同？,(1-44),例2.4.2提示,2.限幅电路,end,应用举例补充,(1-45),uo,应用举例补充,3.脉冲识别电路,请同学自己分析教科书例1.2.1,(1-46),1.3电路如图P1.3所示，已知ui10sint(v)，试画出ui与uO的波形。设二极管正向导通电压可忽略不计。,解图P1.3,图P1.3,(1-47),1.4电路如图P1.4所示，已知ui5sint(V)，二极管导通电压UD0.7V。试画出ui与uO的波形，并标出幅值。,图P1.4,解图P1.4,(1-48),课程回顾,1.学习方法,概念清楚,重点突出,熟练掌握：作业题和典型例题,2.杂质半导体：N型半导体中电子是多子，P型半导体中空穴是多子,3.PN结的单向导电性,扩散运动涉及多子的运动；漂移运动涉及少子的运动,动态平衡；PN结加上正向电压，扩散运动为主，所以正向电流很大（mA)；PN结加上反向电压，漂移运动为主，所以反向电流很小(uA)。,(1-49),4.半导体二极管,(1)二极管的代表符号,P,N,（2)二极管的伏安特性,（3)二极管的温度特性,温度升高时，二极管的管压降减少,(1-50),5二极管的等效电路,小信号交流模型,(1-51),1.2.5稳压二极管,1.稳压管的伏安特性,伏安特性,(1-52),(a)符号,(b)等效电路,符号与等效电路:,(1-53),(1)稳定电压UZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,(2)最大功耗PZMUZIZ,(3)稳定电流IZ：IZmax电流高于此值时，二极管会损坏Izmin电流低于此值时，稳压性能变坏,2.稳压二极管主要参数,(1-54),(4)动态电阻rZ,rZ=UZ/IZ,(5)温度系数,表示温度每变化1稳压值的变化量,(1-55),稳压二极管应用,3.稳压电路,正常稳压时VO=VZ,#稳压条件是什么？,#不加R可以吗？,(1-56),(1-57),例题1.2.2已知VI=10V,稳压管的稳定电压UZ=6V,最小稳定电流IZmin=5mA,最大稳定电流IZmax=25mA;负载电阻RL=600欧姆。求解限流电阻R的取值范围。,解：由基尔霍夫电流定律得：,R上的电压：,因此,(1-58),发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，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。,(1-59),光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,I,V,照度增加,其它类型二极管,(1-60),作业：,1.4,1.6,(1-61),半导体三极管的结构示意图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管,发射结(Je),集电结(Jc),基极，用B或b表示（Base）,发射极，用E或e表示（Emitter）；,集电极，用C或c表示（Collector）。,发射区,集电区,基区,三极管符号,1.3晶体三极管,(1-62),1.3.1结构特点：,发射区的掺杂浓度最高；,集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；,基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,管芯结构剖面图,(1-63),三极管的两种基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型（最常用）,(1-64),PNP型,(1-65),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,(1-66),发射结,集电结,(1-67),1.内部载流子的传输过程,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。(必要条件),发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子（以NPN为例）,1.3.2晶体管的电流放大作用,基极,发射极,集电极,(1-68),内部载流子的运动,VBB,Rb,Ec,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。,1,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。,(1-69),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。,2,IB,IC,(1-70),2.电流分配：IEIBICIE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,基极开路集电极回路会有穿透电流？,3.晶体管的共射电流放大系数,(1-71),综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,晶体管放大信号需要满足的条件,（请记录）,(1-72),(1)稳定电压VZ,(2)稳压条件是什么？,(1)稳定电压VZ,(2)稳压条件是什么？,(2)稳压条件是什么？,(2)稳压条件是什么？,1.稳压二极管,课程回顾,稳压管加反向电压,(1-73),2.三极管的放大作用的外部条件：发射结正偏，集电结反偏。(必要条件),3.电流分配：IEIBIC,4.晶体管的共射电流放大系数,(1-74),1.3.3晶体管的特性曲线,(1-75),(1-76),vCE=0V,iB=f(vBE)vCE=const,(2)当vCE1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。,(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。,1.输入特性曲线,1.3.3晶体管的共射特性曲线,(1-77),iC=f(vCE)iB=const,2.输出特性曲线,输出特性曲线的三个区域:,(1-78),集电结正偏，UCE0.3V称为饱和区。,饱和,(1-79),此区域中:IB=0,UBEUon,且UCEUBE。管子放大状态。（发射结正偏，集电结反偏）（2)UBE=0.7V，且UCE=0.4V，UCEUBE。管子放大状态。（4)UBE=0VUon,。管子为截止状态；,(1-95),例1.3.2在一个单管放大电路中，电源电压为30V,已知三只管子的参数如下表所示，请选用一只管子，并简述理由。,C,注：（1)T1的电流放大倍数小，不宜选用；（2)T3的UCEO小于电源电压，工作时有可能被击穿，不宜选用；（3)T2的ICBO也较小，电流放大倍数较大，且UCEO大于电源电压，所以最合适。,(1-96),作业,1.101.12,(1-97),1.14已知两只晶体管的电流放大系数分别为50和100，现测得放大电路中这两只管子两个电极的电流如图P1.14所示。分别求另一电极的电流，标出其实际方向，并在圆圈中画出管子。,图P1.14,解：答案如解图P1.14所示。解图P1.14,(1-98),1.15测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图P1.15所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。,图P1.15,(1-99),1.16电路如图P1.16所示，晶体管导通时UBE0.7V，=50。试分析VBB为0V、1V、1.5V三种情况下T的工作状态及输出电压uO的值。,解：（1）当VBB0时，T截止，uO12V。（2）当VBB1V时，因为,A,所以T处于放大状态。（3）当VBB3V时，因为,A图P1.16,所以T处于饱和状态。,(1-100),1.晶体管的特性曲线,课程回顾,(1).输入特性曲线,(2).输出特性曲线,集电结正偏，UCE0.3V称为饱和区。,满足IC=IB（放大区）。,此区域中:IB=0,UBE0.7V，称为截止区。,(1-101),2.三极管的重要参数：,电流分配：IEIBIC,晶体管的共射电流放大系数,(1-102),当温度上升时，ICBO增加很快。,3.温度对晶体管特性及其参数影响,（1）、温度对ICBO的影响,（2）、温度对输入特性的影响,（3）.温度对输出特性的影响,(1-103),1.4场效应管,场效应管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。,由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极性晶体管。,单极型管噪声小、抗辐射能力强、低电压工作,(1-104),场效应管分为结型和绝缘栅型两种不同的结构。下面将对它们的工作原理、特性及主要参数一一加以介绍。（以N沟道为例）,场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。,(1-105),一.结型场效应管的工作原理（以N沟道为例）,符号,结构示意图,导电沟道,实验发现,1.4.1.结型场效应管,(1-106),沟道最宽uGS=0,此时UGS的值(为负值)为夹断电压UGS（off）(如-4V)。,1.当uDS=0V一定时，栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用,UGS（off）uGSUGS（off）.,2.当uGS为uGS（off）0V某一固定值时，且uGDUGS（off），uDS对漏极电流iD的影响。,当uDSUGS（off）时，可能工作在恒流区或可变电阻区。,uGDUGS（off），此时导通沟道上部未夹断。这时uGS-uDSUGS（off）.,2.当uGS为uGS（off）0V某一固定值时，且uGDUGS（off），uDS对漏极电流iD的影响。,2.当uGS为uGS（off）0V某一固定值时，且uGDUGS（off），uDS对漏极电流iD的影响。,uGDUGS（off），此时导通沟道上部未夹断。这时uGS-uDSUGS（off）.,2.当uGS为uGS（off）0V某一固定值时，且uGDUGS（off），uDS对漏极电流iD的影响。,(1-108),实验发现，上述两种变化趋势相互抵消。uDS的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区。这时，iD几乎仅仅决定于uGS。与uDS无关。,其中，uGD=uGS-uDS,uDS的增大，一方面带来uGD的变小，沟道的电阻变大，iD变小；另一方面DS间的纵向电场增强，iD变大。,3.当uGS为uGS（off）0V某一固定值时，且uGDuGS-UGS（off）时，效应管工作在恒流区。,当uGSUGS（off）时，工作在恒流区或可变电阻区。,其中，uGD=uGS-uDS,uDS的增大，一方面带来uGD的变小，沟道的电阻变大，iD变小；另一方面DS间的纵向电场增强，iD变大。,其中，uGD=uGS-uDS,实验发现，上述两种变化趋势相互抵消。uDS的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区。这时，iD几乎仅仅决定于uGS。与uDS无关。,uDS的增大，一方面带来uGD的变小，沟道的电阻变大，iD变小；另一方面DS间的纵向电场增强，iD变大。,其中，uGD=uGS-uDS,(1-109),课程回顾,结型场效应管的符号,一.结型场效应管的工作原理（以N沟道为例）,结论：1.当uGSUGS（off）.,(1-111),2)当uDSuGS-UGS（off）时，效应管工作在恒流区。,已知：当uGSUGS（off）时，工作在恒流区或可变电阻区。,实验发现，上述两种变化趋势相互抵消。uDS的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区。这时，iD几乎仅仅决定于uGS。与uDS无关。,uDS的增大，一方面带来uGD的变小，沟道的电阻变大，iD变小；另一方面DS间的纵向电场增强，iD变大。,其中，uGD=uGS-uDS,此时：uGDuGS-UGS（off）时，效应管工作在恒流区。,1)当uDSuGS-UGS（off）时，效应管工作在可变电阻区。,当uGSUGS（off）时，工作在恒流区或可变电阻区。,3.汇总：结型场效应管的工作原理（以N沟道为例）,(1-113),1.输出特性曲线,预夹断轨迹，uGDUGS（off）,可变电阻区,恒流区,iD几乎仅决定于u