模拟电子技术 康华光等主编

1、1,第一章,半导体器件,康华光等主编,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,半导体三极管,1.4,场效应晶体管,3,1.1.1,导体、半导体和绝缘体,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。,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。,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

2、。,?,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。,5,1.1.2,本征半导体,一、本征半导体的结构特点,Ge,Si,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。,硅和锗的晶,体结构：,7,硅和锗的共价键结构,共价键共,用电子对,+4,+4,+4,+4,+4,表示,除去价

3、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。,+4,+4,+4,+4,9,二、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

4、，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,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,束缚电子,11,2.,本征半导体的导电机理,+4,+4,+4,+4,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

5、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。,13,1.1.3,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。,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，,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,（或锑），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

6、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,+4,+4,+5,+4,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,少数载流子,（,少子,）。,16,二、,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），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质,取代，硼原子的最外层有三个价电

7、子，与相邻的,半导体原子形成共价键时，,产生一个空穴。这个空穴,可能吸引束缚电子来填补，,使得硼原子成为不能移动,的带负电的离子。由于硼,原子接受电子，所以称为,受主原子,。,+4,+4,+3,+4,空穴,硼原子,P,型半导体中空穴是多子，电子是少子,。,17,三、杂质半导体的示意表示法,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,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。,18,1.2.1,PN,结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造,

8、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,半导体二极管,19,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,漂移运动,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。,空间电荷区，,也称耗尽层。,20,漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,所以扩散和漂移这一对

9、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。,21,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,空间,电荷,区,N,型区,P,型区,电位,V,V,0,22,1.,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,:,23,1.2.2,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

10、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。,24,+,+,+,+,R,E,一、,PN,结正向偏置,内电场,外电场,变薄,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。,25,二、,PN,结反向偏置,+,+,+,+,内电场,外电场,变厚,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,26,1.2.3,半导体二极管,一、基本结构,PN,结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,引线,外壳线,触丝线,基片,点接触型,PN,结,面接触型,

11、P,N,二极管的电路符号：,27,二、伏安特性,U,I,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,U,BR,28,三、主要参数,1.,最大整流电流,I,OM,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,U,BR,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,U,WRM,一般是,U,BR,的一半。,29,3.,反向电流,I,R,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，

12、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。,30,4.,微变电阻,r,D,i,D,u,D,I,D,U,D,Q,?,i,D,?,u,D,r,D,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：,D,D,D,i,u,r,?,?,?,显然，,r,D,是对,Q,附近的微小,变化区域内的电阻。,31,1.2.4,二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：,势

13、垒电容,C,B,和,扩散电容,C,D,。,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），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,C,D,。,P,+,-,N,32,C,B,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

14、效应,r,d,33,二极管：,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,R,L,u,i,u,o,u,i,u,o,t,t,二极管的应用举例,1,：,二极管半波整流,34,二极管的应用举例,2,：,t,t,t,u,i,u,R,u,o,R,R,L,u,i,u,R,u,o,35,1.2.5,稳压二极管,U,I,I,Z,I,Zmax,?,U,Z,?,I,Z,稳压,误差,曲线越陡，,电压越稳,定。,+,-,U,Z,动态电阻：,Z,Z,I,U,Z,r,?,?,?,r,z,越小，稳,压性能越好。,36,（,4,）,稳定电流,I,Z,、,最

15、大、最小稳定电流,I,zmax,、,I,zmin,。,（,5,）最大允许功耗,max,Z,Z,ZM,I,U,P,?,稳压二极管的参数,:,（,1,）,稳定电压,U,Z,（,2,）,电压温度系数,?,U,（,%/,）,稳压值受温度变化影响的的系数。,（,3,）动态电阻,Z,Z,I,U,Z,r,?,?,?,37,1.2.6,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,I,U,照度增加,38,1.2.7,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。,39,1.3.1,基本结构,B,E,C,N,N,P,基极,发

16、射极,集电极,NPN,型,P,N,P,集电极,基极,发射极,B,C,E,PNP,型,1.3,半导体三极管,40,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,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,41,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,发射结,集电结,42,1.3.2,电流放大原理,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,C,I,E,基区空穴,向发射区,的扩散可,忽略。,I,BE,进入,P,区的电子,少部分与基区的,空穴复合，形成,电流,I,BE,，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,I,E,。

17、,43,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,C,I,E,集电结反偏，,有少子形成的,反向电流,I,CBO,。,I,CBO,I,C,=,I,CE,+,I,CBO,?,I,CE,I,BE,I,CE,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,I,CE,。,44,I,B,=,I,BE,-,I,CBO,?,I,BE,I,B,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,C,I,E,I,CBO,I,CE,I,C,=,I,CE,+,I,CBO,?,I,CE,I,BE,45,I,CE,与,I,BE,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

18、结反偏。,B,C,CBO,B,CBO,C,BE,CE,I,I,I,I,I,I,I,I,?,?,?,?,?,?,46,B,E,C,I,B,I,E,I,C,NPN,型三极管,B,E,C,I,B,I,E,I,C,PNP,型三极管,47,1.3.3,特性曲线,I,C,m,A,?,A,V,V,U,CE,U,BE,R,B,I,B,E,C,E,B,实验线路,48,一、输入特性,U,CE,?,1V,I,B,(,?,A),U,BE,(V),20,40,60,80,0.4,0.8,工作压降：,硅管,U,BE,?,0.60.7V,锗,管,U,BE,?,0.20.3V,。,U,CE,=0V,U,CE,=0.5V,死区

19、电,压，硅管,0.5V,，锗,管,0.2V,。,49,二、输出特性,I,C,(mA ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,?,A,40,?,A,60,?,A,80,?,A,100,?,A,此区域满,足,I,C,=,?,I,B,称为线性,区（放大,区）。,当,U,CE,大于一,定的数值时，,I,C,只与,I,B,有关，,I,C,=,?,I,B,。,50,I,C,(mA ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,?,A,40,?,A,60,?,A,80,?,A,100,?,A,此区域中,U,CE,?,U,BE,集电结正偏，,?

20、,I,B,I,C,，,U,CE,?,0.3V,称为饱和区。,51,I,C,(mA ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,?,A,40,?,A,60,?,A,80,?,A,100,?,A,此区域中,:,I,B,=0,I,C,=,I,CEO,U,BE,死区,电压，称为,截止区。,52,输出特性三个区域的特点,:,(1),放大区：,发射结正偏，集电结反偏。,即：,I,C,=,?,I,B,且,?,I,C,=,?,?,I,B,(2),饱和区：,发射结正偏，集电结正偏。,即：,U,CE,?,U,BE,，,?,I,B,I,C,，,U,CE,?,0.3V,(3),截止区：

21、,U,BE,死区电压，,I,B,=0,，,I,C,=,I,CEO,?,0,53,三、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，称为共射接法，相应地还有共基、共,集接法。共射,直流电流放大倍数,：,B,C,I,I,?,_,?,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,?,I,B,，,相应的集电极电流变化为,?,I,C,，,则,交流电流放,大倍数,为：,B,I,I,C,?,?,?,?,1.,电流放大倍数,?,_,?,54,例：,U,CE,=6V,时,：,I,B,= 40,?,A,I,C,=1.5 mA,；,I,B,= 60,?,A,I,C,=2

22、.3 mA,。,5,.,37,04,.,0,5,.,1,_,?,?,?,B,C,I,I,?,40,04,.,0,06,.,0,5,.,1,3,.,2,?,?,?,?,?,?,?,B,C,I,I,?,在以后的计算中，一般作近似处理：,?,=,?,55,2.,集,-,基极反向截止电流,I,CBO,?,A,I,CBO,I,CBO,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。,56,B,E,C,N,N,P,I,CBO,I,CEO,=,(1+,?,),I,CBO,3,.,集,-,射极反向截止电流,I,CEO,I,CEO,受温度影响,很大，当温度上,升时，,I,CEO,增加,很

23、快，所以,I,C,也,相应增加。,三极,管的温度特性较,差,。,57,4.,集电极最大电流,I,CM,集电极电流,I,C,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,I,CM,。,5.,集,-,射极反向击穿电压,当集,-,射极之间的电压,U,CE,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,25,?,C,、基极开路时的击穿电压,U,(BR)CEO,。,58,6.,集电极最大允许功耗,P,CM,?,集电极电流,I,C,流过三极管，,所发出的焦耳,热为：,P,C,=,I,C,U,CE,?,必定导致结温,上升，所以,P,C,有限制。,P,C

24、,?,P,CM,I,C,U,CE,I,C,U,CE,=,P,CM,I,CM,U,(BR)CEO,安全工作区,59,场效应管与双极型晶体管不同，它是多子,导电，输入阻抗高，温度稳定性好。,结型场效应管,JFET,绝缘栅型场效应管,MOS,场效应管有两种,:,1.4,场效应晶体管,60,N,基底,：,N,型半导体,P,P,两边是,P,区,G(,栅极,),S,源极,D,漏极,一、结构,1.4.1,结型场效应管,:,导电沟道,61,N,P,P,G,(,栅极,),S,源极,D,漏极,N,沟道结型场效应管,D,G,S,D,G,S,62,P,N,N,G,(,栅极,),S,源极,D,漏极,P,沟道结型场效应管

25、,D,G,S,D,G,S,63,二、工作原理（以,P,沟道为例）,P,G,S,D,U,DS,U,GS,N,N,I,D,PN,结反偏，,U,GS,越大则耗尽区越,宽，导电沟道越,窄。,64,P,G,S,D,U,DS,U,GS,I,D,N,N,U,GS,越大耗尽区越宽，,沟道越窄，电阻越大。,65,P,G,S,D,U,DS,U,GS,N,N,U,GS,达到一定值时,（,夹断电压,V,P,）,耗,尽区碰到一起，,DS,间被夹断，这时，即,使,U,DS,?,0V,，漏极电,流,I,D,=0A,。,I,D,66,三、特性曲线,U,GS,0,I,D,I,DSS,V,P,饱和漏极电流,夹断电压,转移特性曲线

26、,一定,U,DS,下的,I,D,-U,GS,曲线,67,I,D,U,DS,2V,U,GS,=0V,1V,3V,4V,5V,可变电阻区,夹断区,恒流区,输出特性曲线,0,68,N,沟道结型场效应管的特性曲线,转移特性曲线,U,GS,0,I,D,I,DSS,V,P,69,输出特性曲线,I,D,U,DS,0,U,GS,=0V,-1V,-3V,-4V,-5V,N,沟道结型场效应管的特性曲线,70,1.4.2,绝缘栅场效应管,:,一、结构和电路符号,P,N,N,G,S,D,P,型基底,两个,N,区,SiO,2,绝缘层,导电沟道,金属铝,G,S,D,N,沟道增强型,71,N,沟道耗尽型,P,N,N,G,S,D,予埋了导,电沟道,G,S,D,72,N,