电子线路基础模拟电路部分第1章基本半导体器件概述

1、电子线路基础模拟电路部分第1章基本半导体器件概述第1章 基本半导体器件1.1 PN结导 体：导电能力很强的物质。 电阻率109 cm， 如高价惰性气体和橡胶、陶瓷、塑料等高 分子材料.半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 如硅、锗等四价元素。 1. 价电子：原子外层轨道上的电子。2共价键：两个相邻原子共有的一对价电子。3本征半导体：纯净且呈现晶体结构的半导体，叫本征半导体。第1章 基本半导体器件1.1 PN结 1自由电子：获得足够能量，以克服共价键束缚的价电子。 2空穴：价电子脱离共价键束缚成为自由电子后在共价键中留下的空位。 第1章 基本半导体器件1.1 PN结 在常温下，由于热能的

2、激发，产生自由电子和空穴对的现象，叫本征激发。温度一定，自由电子和空穴对的浓度也一定。由于本征激发而在本征半导体中存在一定浓度的自由电子（带负电荷）和空穴（带正电荷）对，故其具有导电能力，但其导电能力有限。 第1章 基本半导体器件1.1 PN结（1）(Negtive)型半导体： 在硅或锗本征半导体中掺入适量的五价元素（如磷），则磷原子与其周围相邻的四个硅或锗原子之间形成共价键后，还多出一个自由电子参与导电。结果，自由电子成为多数载流子(称多子)，空穴成为少数载流子(称少子)。 第1章 基本半导体器件1.1 PN结（2）P(Positive)型半导体： 在硅或锗本征半导体中，摻入适量的三价元素（

3、如硼），则硼原子与周围的四个硅或锗原子形成共价键后，还留有一个空穴。结果，空穴成为多子，自由电子成为少子。这种主要依靠多子空穴导电的杂质半导体，叫P型半导体。 第1章 基本半导体器件1.1 PN结 无外电场作用时，本征半导体和杂质半导体对外均呈现电中性，其内部无电流。 在杂质半导体中，多子浓度取决于掺杂浓度；少子浓度取决于温度。 掺杂的目的不是提高导电能力，而是得到多种半导体特性，满足实际需要 。 第1章 基本半导体器件1.1 PN结 1. PN结中载流子的运动（1）多数载流子的扩散运动：在交界面两侧,电子和空穴的浓度差很大， P区中的多子空穴向N区扩散，在P区一侧留下杂质负离子,在N区一侧集

4、中正电荷；同时，N区中的多子自由电子向P区扩散，在N区一侧留下杂质正离子，在P区一侧集中负电荷。第1章 基本半导体器件1.1 PN结 扩散的结果，在P型和N型半导体交界面处形成空间电荷区，空间电荷区无载流子停留，故称为耗尽层.自建内电场（从N区指向P区）。该电场阻止多子扩散运动，又称为阻挡层。但有利于少子运动.第1章 基本半导体器件1.1 PN结（2）少数载流子的漂移 在内电场的作用下，P区中的少子自由电子向N区漂移，而N区中的少子空穴向P区飘移，使内电场削弱。 第1章 基本半导体器件1.1 PN结 扩散与漂移的动态平衡扩散：多子的运动，产生扩散电流。漂移：少子的运动，产生漂移电流。 当内电场

5、达到一定值时，多子的扩散运动与少子的漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区不再变化，这个空间电荷区，就称为PN结。 无外电场作用时，PN结内部虽有载流子运动，但无定向电流形成。第1章 基本半导体器件1.1 PN结 2PN结的单向导电特性 （1）PN结加正向电压（正偏） 外电场与内电场反方向 空间电荷区附近多子与其中离子复合 空间电荷区变窄 多子的扩散运动远大于少子的漂移运动 由浓度大的多子扩散形成较大的正向电流 PN结处于导通状态。 此时，其正向电阻很小，正向压降也很小。 第1章 基本半导体器件1.1 PN结（2）PN结加反向电压（反偏） 外电场与内电场同方向 使空间电荷区变宽 多子扩散运动大大减

6、弱，而少子的漂移运动相对加强， 由浓度很小的少子漂移形成很小的反向饱和电流IS，PN结处于截止状态。此时，反向电阻很大。 PN结正偏时导通，反偏时截止，故具有单向导电特性。 第1章 基本半导体器件1.1 PN结 二极管的类型：从管子结构来分，有点接触型和面接触性和平面型第1章 基本半导体器件1.2 二极管 二极管的类型：从制造材料来分，有硅二极管、锗二极管此外还有一种开关型二极管，适用于在脉加数宇电路中作为开关管。第1章 基本半导体器件1.2 二极管第1章 基本半导体器件1.2 二极管第1章 基本半导体器件1.2 二极管第1章 基本半导体器件1.2 二极管二极管的伏安特性正向特性： 死区电压

7、硅：左右 锗：左右反向特性： 反向饱和电流IS 反向击穿电压UBR第1章 基本半导体器件1.2 二极管二极管方程UT：温度的电压当量，26mV实际二极管的伏安特性正向特性：开启电压Vth 硅：左右 锗：左右反向特性：反向饱和电流IR(sat) 硅A 锗:0.1mA saturation 第1章 基本半导体器件1.2 二极管理想二极管的伏安特性正向特性：开启电压Vth=0反向特性：反向饱和电流IR(sat)=0第1章 基本半导体器件1.2 二极管稳定电压：UZ稳定电流： IZ动态内阻：rZ额定功耗： PZ电压的温度系数：U稳压管第1章 基本半导体器件1.2 二极管 使用稳压管组成稳压电路时，需要

8、注意1. 应反偏连接2. 稳压管应与负载电阻 并联3. 必须限制流过稳压管的电流，使其不超过规定值，以免因过热而烧毁管子。第1章 基本半导体器件1.2 二极管二极管参数最大正向直流电流IFM：平均电流反向峰值电压VRM：瞬时值反向直流电流IR： 是对温度很敏感的参数最高工作频率fM：结电容作用的结果第1章 基本半导体器件1.2 二极管二极管应用-限幅第1章 基本半导体器件1.2 二极管+VRVRVRVR 通=Vi= VR二极管应用-半波整流第1章 基本半导体器件1.2 二极管二极管应用-全波整流第1章 基本半导体器件1.2 二极管二极管应用-桥式整流第1章 基本半导体器件1.2 二极管第1章

9、基本半导体器件1.2 二极管 例 稳压电路。稳压管VZ=6V，Izmax=33mA,Izmin=5mA，输入电压VI=15V，负载RL在0.5k 至2k 之间变化，试计算限流电阻R的大小。 解 电路的输出电压就是稳压管的稳定电压，即VZ=VO=6V。由于负载电阻的变化造成电压的不稳定。而稳压管稳压在于利用稳定电流Iz来调整负载上的电压。+-15V+-Vz=6V第1章 基本半导体器件1.2 二极管第1章 基本半导体器件双极型三极管第1章 基本半导体器件双极型三极管 三个极： 发射极(e) 基极(b) 集电极(c) 三个区： 发射区 基区 集电区。 两个结： 发射结 集电结。第1章 基本半导体器件

10、双极型三极管第1章 基本半导体器件双极型三极管第1章 基本半导体器件双极型三极管 三极管有电流放大作用的内部条件。 发射区：掺杂浓度大 基 区：很薄，掺杂浓度很小。 集电区：掺杂浓度小，但面积大。 三极管有电流放大作用的外部条件。 1.NPN型三极管：VCVBVE型三极管：VCVB0时，iD由D流向S，沟道上窄下宽，iD随uDS的增大而增大。（3）当uDS增大至uGD= uGS- uDS= VGS(off)时漏极一端出现夹断区，称为预夹断。 若uDS继续增大，则完全消耗在夹断区上，iD不再随uDS的增大而增大，仅决定于uGS。第1章 基本半导体器件1.4 场效应管结型场效应管特性曲线输出特性曲

11、线1.可变电阻区漏极附近不发生预夹断， uGS不变，iD随uDS升高而增大，电阻随uGS变化而改变，表现为由uGS控制的一个可变电阻。2.恒流区(饱和区)漏极附近发生了预夹断， uDS的增加导致漏极附近发生预夹断。此后，uDS增大导致耗尽层继续增长，抵消了uDS的增加，而iD基本不变。（3）击穿区 当uDS升高到一定值时，PN结被反向击穿，iD突然增大，叫击穿区。 第1章 基本半导体器件1.4 场效应管结型场效应管特性曲线转移特性曲线uGS=0时的漏极电流称为饱和漏极电流，ID(sat) uGS=0时，漏源间为两个背靠背的PN结，不导电。 N沟道增强型MOS管第1章 基本半导体器件1.4 场效

12、应管绝缘栅场效应管 uDS 不变，uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，管子导通。此时的uGS称为开启电压VGS(th) 。第1章 基本半导体器件1.4 场效应管绝缘栅场效应管第1章 基本半导体器件1.4 场效应管绝缘栅场效应管1. UGS对导电沟道的控制情况：（1）当UGS=0时，在D、S为背靠背二极管，不存在导电沟道。（2）当UGSUT，会感应出电子层。因此，UGS的变化会使反型层的宽度变化，达到控制ID的目的。2当UGS VGS(th)时，uDS对iD的影响。（1）当uDS=0时，iD=0 （2）当uDS0时，iD随uDS的增大而增大（3）当uDS增大至uG

13、D= uGS- uDS= VGS(th)时,漏极一端出现夹断区，称为预夹断。 若uDS继续增大，则完全消耗在夹断区上，iD不再随uDS的增大而增大，仅决定于uGS。进入恒流区。 第1章 基本半导体器件1.4 场效应管绝缘栅场效应管输入特性：vGS VGS(th) ，才有漏极电流iD。vGS控制iD。第1章 基本半导体器件1.4 场效应管绝缘栅场效应管可变电阻区：vDS很低，iD随vGS的增大直线上升。 改变vGS，直线斜率改变，阻值改变。 类似一只受vGS控制的可变电阻。 恒流区： 预夹断后，vGS为定值时，iD几乎不随vDS变化， vDS为定值时，iD随vGS的增大而增大， FET具有放大作

14、用，且iD受vGS控制。 击穿区：当vDS增大到一定值以后，反偏的漏源之间的 PN结会发生击穿，漏极电流iD将急剧增大。 第1章 基本半导体器件1.4 场效应管绝缘栅场效应管耗尽型管加正离子 uGS=0时就存在导电沟道。第1章 基本半导体器件1.4 场效应管绝缘栅场效应管1)增强型MOS管2)耗尽型MOS管开启电压第1章 基本半导体器件1.4 场效应管绝缘栅场效应管第1章 基本半导体器件1.4 场效应管绝缘栅场效应管1.直流参数(1)开启电压VGS(TH)（增强型FET参数）:当vDS保持一定时，使增强型场效应管导通的最小电压。(2)夹断电压VGS(off) （耗尽型FET参数）: 当vDS保持一定时，使耗尽型场效应管截止(夹断)的最小栅源电压。(3)饱和漏极电流ID(sat)(耗尽型FET的参数) vGS=0时管子的漏极电流。(4)直流输入电阻RGS：漏源短路情况下，栅源电压与栅极电流之比。第1章 基本半导体器件1.4 场效应管场效应管的主要参数2. 交流参数(1)低频跨导gm：栅源电压vGS对漏极电流iD的控制能力。第1章 基本半导体器件1.4 场效应管场效应管的主要参数(2)极间电容：Cgs,Cgd,Cds3. 极限参数(1)漏源击穿电压V(BR)DS vDS增大过程中，使iD急剧增大时的漏源电压。(6)栅源击穿电压V(BR)GS FET正常工作时的栅源电