模拟电子技术1半导体器件.ppt

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

2、足以挣脱共价键的束缚， 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

3、或锗中掺入少量的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。

4、,在这种杂质半导体中，空穴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

5、极管的主要参数,稳压管,1. PN结中载流子的运动,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,

6、称为反向接法或反向偏置（简称反偏）,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。,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

7、正向电压超过死区电压后， 二极管导通, 电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,击穿的物理本质,（1）雪崩击穿：碰撞电离 （2）齐纳击穿：场致激发 （3）热击穿：

8、 PN结过热,正向: 温度升高 PN结电压减小（-2.5mV/） 反向: 温度升高 反向电流增大（ ）,硅管的反向电流极小，锗管的反向电流较大,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。 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 fM fM值主要决定于PN结结电

9、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。,势垒电容示意图,扩散电容示意图,1. 理想模型,3. 折线模型,2. 恒压降模型,二极管的等效电路-由伏安特性折线化得到,例1.2.1,直流工作点Q,根据,得Q点处的微变电导,则,二极管的微变等效电路,例1.2.1已知uI = Umsin t ，画出uO和uD的波形,Um,uI0 时二极管导通， uO = uI uD = 0,uI

10、 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。 rZ= U / I 4. 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

11、. 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= 10V IZmax= 50mA， IZmin= 5mA，RLmax= 1k，RLmin= 600 UZ= 6V, 对应UZ= 0.3V。 求rZ ，选择限流电阻RO,解：,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

12、 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,其他类型的二极管,发光二极管 P25 光电二极管 P26 应用 作业,第三节 双极型三极管,三极管的结构,三极管中载流子的运动和电流分配关系,三极管的特性曲线,三极管的主要参数,制作材料：,分类 ：,它们通常是组成各种电子电路的核心器件。,硅或锗,NPN型 PNP型,半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（Bipolar

13、Junction Transistor,简称BJT）。,一、 三极管的结构,三个区,NPN型三极管的结构和符号,N P N,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 + ICBO IE = ICn + IBn,当ICBO IC时，可得,IEn = ICn + IBn,IE = IEn,IE = IC + IB,将 代入IC = ICn

14、+ 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,在一定范围内，可以用晶体管在某一直流量下的 来取代在此基础上的加动态信号时的 。,三. BJT的特性曲线（共发射极接法）,(1) 输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const,（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。,（3）u

15、CE 1V再增加时，曲线右移很不明显。,（2）当uCE=1V时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少， 在同一uBE 电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。,(2)输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const,现以iB=60uA一条加以说明。(NPN),（1）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。,（2） uCE Ic 。,（3） 当uCE 1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。,同理，可作出iB=其他值的曲线。,输出特性曲线可以分为三个区域:,饱和区iC受uCE显著控制的

16、区域，该区域内uBEUon , uCEuBE, 此时发射结正偏，集电结也正偏。,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区 曲线基本平行等距 发射结正偏，集电结反偏uBEUon , uCE = uBE 该区中有：,饱和区,放大区,截止区,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 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

17、 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,Rc,= 4.85 mA, iB ICS,假设成立， 三极管工作在饱和区。,或者,iC = i

18、B = 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. BJT的主要参数,1.电流放大系数,（2）共基电流放大系数：,一般在20200之间,2.3,1.5,（1）共射极电流放大系数：,2.极间反向电流,（2）集电极发射极间的穿透电流ICEO 基极开路时，集电极到发射极间的电流穿透电流 。 其大小与温度有关。,（1）集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。 锗管：I CBO为微安数量级， 硅管：I CBO为纳安数量级。,（3）反向击

19、穿电压,BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：, U（BR）EBO集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏十几伏。 U（BR）CBO发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏几百伏。, U（BR）CEO基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。,3.极限参数,Ic增加到一定大的值时， 要下降。当值下降到线性放大区值的70时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。,（1）集电极最大允许电流ICM,（2）集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PC= ICUCE, PCM,(3)极间反向击穿电压,五

20、、 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。,温度对晶体管特性及参数的影响,一.温度对ICBO的影响 温度每升高10 ,ICBO增加约一倍 二.温度对输入特性的影响 与二极管伏安特性相类似 三.温度对输出特性的影响 温度升高时, ICE0,增大，导致集电极电流增大。,其他,例1.3.1 例1.3.2 光电三极管：比光电二极管更敏感 作业,饱和区,放大区,截止区,放大区：发射结正偏，集电结反偏。 即： IC=IB , 且 IC = IB,饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：UCEUBE， IBIC，UCE0.3V,截止区： UBE 死区电压， IB=0

21、 ，IC=ICEO 0,例1：试判断三极管的工作状态,例2：用数字电压表测得放大电路中晶体管的各极电位，试判断晶体管的类型（为NPN型还是PNP型，硅管还是锗管，分别标上B、E、C。,例3： =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？,当USB =-2V时：,IB=0 ， IC=0,IC最大饱和电流：,Q位于截止区,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

22、。,USB =2V时：,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？,IC Icmax(=2 mA)， Q位于饱和区。(实际上，此时IC和IB 已不是的关系）,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

23、号,栅极,漏极,源极,2. 工作原理,uGS = 0,UGS(off) 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,iS = iD,iD,iS,iD,iS,uGS=0，uGD UGS(off),UGS(off) UGS(off), 当UGS(off) uGS 0 ，uDS 0 时对耗尽层和 iD 的影响。,uGD=uGS-uDS,uDS 再增加，使uGD UGS(off)，,夹断区延长， iD基本恒定 但是不同的 uGS对应确定的iD,导电沟道预夹断,UGS(off) uGS 0 ，uGD=UGS(off), 当U

24、GS(off) uGS 0 ，uDS 0 时对耗尽层和 iD 的影响。,（1）输出（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,uGS - uDS=UGS(off),可变电阻区： iD 与uDS 基本上呈线性关系， 但不同的uGS 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。,夹断区,3. 特性曲线,uDS= uGS - UGS(off),（2）转移特性,iD = f（uGS）|uDS=常数,沟道

25、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。,3. 特性曲线,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， 若增大uGS ，则耗尽层变宽。,又称之

26、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。楔型,iD,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。,当uDS 继续增大，使uGD UGS(th) 夹断区向左延长，但 iD 不变。, 特性曲线,IDO,UGS(th),2UGS(th),预夹断轨迹,恒流区,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u

27、GS = 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 时有导电沟道。 增强型： uGS = 0 时无导电沟道。,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个重要参数。其定义是当uDS一定时