数字电子技术复习市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、主要内容：半导体材料。三种管子二极管、三极管、场效应管。模电第一章半导体器件基础1.1半导体基础知识1.1.1 本征半导体本征半导体：纯净半导体，不掺杂。区分于杂质半导体。半导体：导电能力介于导体（例铜、铁）和绝缘体（例橡胶、玻璃）之间物质（例硅、锗）。1第1页电子导电：在电场作用下，自由电子逆电场方向而动，形成电子电流。空穴导电：在电场作用下，价电子逆电场方向而动，相当于空穴顺电场方向而动，形成空穴电流。空穴等效为一个带正电荷载流子（能够移动从而形成电流粒子）。+-+4+4+4+4+4+4+4+4+42第2页 杂质半导体掺杂特征：在纯净半导体中掺入微量某种其它元素，会使半导体导电性能大大提升

2、。这种掺入杂质半导体就叫作杂质半导体。区分于本征半导体。一、N型半导体加入五价元素磷+5自由电子数空穴数 故称N型半导体。（多子） （少子） (Negative，负)+4+4+5+4+4+4+4+4+43第3页二、P型半导体加入三价元素硼+3空穴数自由电子数故称P型半导体。 （多子） （少子） (Positive，正)+4+4+3+4+4+4+4+4+44第4页三、杂质半导体导电性能掺杂后，载流子浓度发生改变，与纯净半导体相比，多子数，少子数。以N型半导体为例：加入杂质原子电子空穴与电子复合机会空穴数。浓度总和增加、浓度乘积不变。满足：np=nipi=ni2=pi2=常数例：以十亿分之一（10

3、-9）百分比在硅原子中加入磷原子。结论：杂质半导体导电能力。 注意：少子是本征激发产生，热敏性强。 多子是掺杂产生，受温度影响不大。5第5页 PN结一、PN结形成在硅半导体一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体。在P区中存在大量负离子（硼）和空穴（多子），少许电子（少子）在N区中存在大量正离子（磷）和电子（多子），少许空穴（少子）因为浓度差，多子向对方扩散，并与对方少子复合。交界处形成空间电荷区，称为PN结。也称耗尽层。+-PN6第6页所以在PN结中存在多子扩散和少子漂移两种运动。方向相反。多子扩散PN结变宽，少子漂移PN结变窄。开始浓度差大，内电场还未形成，扩散强，伴随内电场增强，漂移越来

4、越强，当二者到达平衡时，PN结宽度即确定下来。空间电荷区形成电场称为内电场，方向N区P区，电位差用Uho表示。+-UhoPNPN结内电场使少子向对方运动，称为漂移（区分于扩散）。7第7页二、PN结单向导电性1加正向电压（P正N负）VF时，导通外电场与内电场方向相反，外电场减弱了内电场，PN结变窄，打破平衡，多子扩散增强，少子漂移减弱，（平衡时扩散电流和漂移电流大小相等，现在扩散漂移）形成正向电流IF 。IF较大，因多子浓度高。且VFIF。PN结导通。8第8页2.加反向电压（P负N正）VR时，截止IR较小，因少子浓度低。且呈饱和性，VR到一定程度时，全部少子都参加运动，VR再，IR也不再增加，此

5、时IRIS常数。PN结截止。外电场与内电场方向一致，外电场增强了内电场，PN结变宽，打破平衡，多子扩散减小，少子漂移增强，形成反向电流IR。IRR9第9页三、PN结电流方程式中，UTkT/q，称为电压温度当量，与温度成正比，T=300K时，UT26mV。IS为反向饱和电流。正向特征：u0，ui，uUT时， 按指数规律 快速增加。反向特征：uUT 时，i-IS，恒定不变。+-PNiu四、PN结伏安特征 uU（BR）时，i 急剧增加反向击穿。10第10页1.2 半导体二极管PN结+管壳+引线 即组成二极管点接触型：结面积小，结电容小，适合用于小电流、高频面接触型：结面积大，结电容大，适合用于大电流

6、、低频平面型：1.2.1 半导体二极管几个常见结构特征符号：阳极阴极PN11第11页二极管伏安特征一、二极管伏安特征与PN结伏安特征区分1.正向特征开启电压U：正向电压超出某一数值后，才有显著正向 电流，该电压值称为开启电压。硅：Uon=0.5V；锗：Uon=0.1V正向导通电压U范围：硅：0.60.8V（计算时取0.7V），U=0.7锗：0.10.3V（计算时取0.2V），U=0.2正向电流减小，反向饱和电流增加。U思索：能否将1.5V电池直接加在二极管两端？12第12页2.反向特征硅：IsUb时，D1截止， 由DZ，UZ，rd表现其反向特征。当Ua-UbUZ时，DZ导通，表现出反向击穿特征

7、。当Ua-UbUZ时，DZ截止，电流为0，未击穿；DZD1UZrdabDZ，UZ，rd是反向特征等效电路D1是正向特征等效电路当UaUb时， DZ截止， 由D1表现其正向特征；等效电路：uiOUZIU将特征曲线折线化,并令:阴极阳极DZab17第17页为确保电流适当，应加适当限流电阻。解：由：得：稳压管正常工作条件：反向击穿；IZminI基区掺杂浓度 3. 集电区尺寸发射区尺寸，集电区 掺杂浓度VBB确保集电结反偏。22第22页1.3.3 晶体管共射特征曲线一、输入特征曲线1VUCE1V，曲线基本重合原因：UCE增大到一定程度，集电区搜集载流子能力足够强，再 增加UCE，IC亦不再增加， IB

8、不再降低，曲线基本不变。UCE=0UCE=0，与二极管伏安特征曲线类似原因：相当于两个二极管并联。uBEiBOECBiBuBE开启电压与导通电压概念同二极管UCE增大，曲线右移原因：UCE增大，集电区搜集载流子能力增强，IC增加， 基区复合掉载流子数量降低，IB降低，曲线右移。= 0.5V讨论各种偏置状态下，各极电流和电压关系。23第23页二、输出特征曲线取IB=IB3，起始部分很陡， UCE1V后，较平坦。原因：UCE较小时， UCE增加，集电区搜集能力增强，使IC增强；UCE1V后，集电区搜集能力足够大，IC不再增强。ECBiCuCEiCuCEIB=0OIB1IB2IB3IB41V IB取

9、不一样值，可得到一组曲线。原因： 相同UCE下，IB增加， IC增 加，曲线上移。24第24页从输出特征曲线看，晶体管有三个工作区域放大区：发射结正偏（大于开启电压Uon）， 集电结反偏特点：iC受IB控制，iC=IB； uCE增加，iC基本不变截止区：发射结电压小于开启电压Uon 集电结反偏。特点：IB=0，iCICEOECB iC0uCE饱和区：发射结正偏（大于开启电压Uon）， 集电结正偏特点：uCE增加，iC增加很多；iCIB 。 因为uCE很小，故uCE增加时，集电极搜集能力增强，iC增加很多； 集电结正偏，集电极搜集能力弱，集电极漂移电流小，故iCIB。 ECBiCuCE0iCuC

10、EIB=0放大区IB1IB2IB3IB4IBIC饱和区截止区uCE=uBE饱和压降：UCE(sat)0.1V25第25页晶体管开关作用晶体管饱和： uCE0ECBiCuCE0ECBiCuCECEiCuCEECB iC0uCE晶体管截止： iC0CEiCuCE 0+-开关断开开关闭合相当于CEiC 0uCE发射结反偏或零偏，集电结反偏发射结正偏，集电结正偏26第26页例1.3.1 测得电路中各晶体管各极电位，且已知各管Uon=0.5V，判断各管工作状态。T1发射结正偏集电结反偏放大T2发射结正偏集电结正偏饱和T3发射结正偏集电结反偏放大T4发射结零偏集电结反偏截止解：判据：发射结正偏，且UBEU

11、on，集电结反偏；放大 发射结正偏，集电结正偏； 饱和 发射结反偏，或UBEUon， Vc Vb Ve ；饱和：Vb Vc Ve ；截止：UBEUon， Ve Vb Vc ；饱和： Ve Vc Vb；截止： UEB Uon，集电结反偏，则有可能工作在放大状态。发射结正偏且Uon，集电结反偏发射结反偏，集电结零偏有可能无可能解：RbRc1.5V-6VReRc-6V31第31页1.4 场效应管场效应管是一个利用电场效应来控制电流半导体器件。其作用有放大、开关、可变电阻。特点：输入电流很小，耗能小；输入电阻很大； 便于集成分类：结型（N沟道、P沟道） 增强型（N沟道、P沟道） 耗尽型（N沟道、P沟道

12、）绝缘栅型32第32页1.4.1 结型场效应管耗尽层NPsgd结构示意图上面P型区和下面P型衬底连在一起，引出电极称为栅极G；两边N型区各引出一个电极称为源极S和漏极D；中间N型区称为导电沟道（内有很多电子，在外加电压作用下移动形成电流）；两个PN结（上、下） 实际结构图N+s源极g栅极d 漏极PPN+N沟道衬底gds符号N沟道gdsP沟道33第33页一、结型场效应管工作原理1. uDS=0，uGS对导电沟道控制作用uGS=0，PN结零偏，导电沟道很宽；NsgdUGS(off)被称为夹断电压（注意是一个负值）UGSUGS(off)0时，沟道好像被夹断；sgdVGGUGS(off)VGGuGSu

13、GS0，PN结反偏，导电沟道变窄；sgdPP结论： uGS改变，会引发导电沟道宽度改变； 因为PN结反偏，故栅极电流为0。为使N沟道结型场效应管正常工作，应在其栅源之间加负向电压（即uGS0） ，以形成漏极电流iD。34第34页二、结型场效应管特征曲线1.输出特征曲线uDSiD-4V-3V-2V-1VUGS=0可变电阻区夹断区预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区特点：uDS增加，iD增加，呈电阻性；不一样UGS，斜率不一样，电阻不一样35第35页特点： uDS改变，iD基本不变； UGS 不一样，iD不一样；恒流区变阻区和恒流区界限： uDS=uGS-UGS(off)，即 uGD=UGS(off)

14、。uDSiD-4VO-3V-2V-1VUGS=0可变电阻区夹断区预夹断轨迹恒流区击穿区夹断区特点： iD0原因： uGS0，且uGS越负，iD越小。在恒流区，uDS改变时，iD几乎不变，故不一样UDS对应曲线 几乎重合，只画一条即可。当uGSUGS(off)时，全夹断，iD=0。uGS=0对应电流为IDSS2. 转移特征曲线恒流区iD 与uGS关系曲线iDuGSIDSSUGS(off)0-2-3-4uDSiD-4V-3V-2V-1VUGS=0恒流区电流方程：（UGS(off) uGS0）38第38页1.4.2 绝缘栅场效应管(又称MOS管)特点：输入电流更小，输入电阻更大；便于集成分类：增强型

15、（N沟道、P沟道）耗尽型（N沟道、P沟道）一、N沟道增强型MOS管符号：gsdBN沟道gsdBP沟道结构：N+N+sgdBP（衬底）SiO2薄膜39第39页（一）工作原理1. GS间开路时此时，漏源间有两个背靠背PN结，所以DS间接什么电压，都不会有电流产生。即此时不存在导电沟道。2. uGS0，DS短接此时，栅极接正，衬底接负，衬底中多子空穴被排斥到下方，上面形成耗尽层。且uGS增加，耗尽层宽度增加。NN耗尽层PdgsuGSB通常源极和衬底是连在一起N+N+sgdBP（衬底）40第40页当uGS=UGS(th)时，衬底中少子电子被吸引到耗尽层，形成N型薄层，称为反型层。该反型层即导电沟道。u

16、GS再，则反型层加宽，沟道变宽。NN反型层PdgsuGSBUGS(th)称为开启电压。 3. uGSUGS(th)，uDS0 uDS很小时，uGD = uGS-uDSUGS(th)，因为s端电压低于d端电压，故s端沟道宽，d端沟道窄，沟道仍呈楔型。沟道中电子在uDS作用下形成电流iD。且uDSiD，展现电阻性。电阻大小与uGS相关NNPdgsuGSBuDSiD3V2V41第41页当uDSuGD=UGS(th)时，d端反型层消失，沟道被夹断，称为预夹断（因S端未被夹断）；NNPdgsuGSBuDSiD预夹断后，uDS，夹断长度，增加电压uDS大部分落在夹断区，沟道上电压几乎不，故iD基本不，呈饱

17、和性。NNPdgsuGSBuDSiD42第42页（二）特征曲线与电流方程IDOiDuGSUGS(th)O2UGS(th)输出特征曲线与结型类似，分为三个区。不一样之处于于开启电压0。转移特征曲线与结型形状类似，但在第一象限，因开启电压0。输出特征曲线转移特征曲线uDSiDUGS=UGS(th)OUGS1UGS2UGS3=2UGS(th)可变电阻区夹断区预夹断轨迹uDS=uGS-UGS(th)恒流区IDO方程：43第43页二、N沟道耗尽型绝缘栅场效应管情况与增强型类似。不一样只是开启电压不一样。增强型UGS(th)0，耗尽型UGS(off)0。uGSUGS(off)时，在ds间加正压，有电流iD

18、产生。结构与增强型类似，只不过在二氧化硅中加入大量正离子，故在uGS=0时，即有反型层存在。符号：gsdBN沟道gsdBP沟道PdgsuGSBNN反型层+ + + + + + + + +44第44页三、P沟道场效应管P沟道是N沟道对偶型使用时uGS、uDS极性应于N沟道相反，电流方向也与N沟道相反。开启电压：结型场效应管， UGS(off)0；增强型MOS管UGS(th)0。gdsVGGVDDiDRD+uI+uO45第45页例：P沟道结型场效应管特征曲线gdsP沟道iDuGSiDIDSSuGSUGS(off)P沟道0uGSUGS(off)，iD0旋转180度iDIDSSuGSUGS(off)N沟道UGS(off) uGS0gdsN沟道uGSiD特征曲线：在电流、电压参考方向一致情况下， 将N沟道对应曲线旋转180度 即得。46第46页uDSiDOUGS=0UGS(off)0，iD0uDSiDOUGS=0UGS(off)0P沟道，uDS0，iD0，uDS0，故为N沟道因uGS(th) =4V0，故为增强型MOS48第48页解：1. uI=0时，uGS=0VuGS(th)=4V，全夹断，iD=0，uO=15V2. uI=8时，在恒流区，iD=1mA，uO=VDD-iDRD=15-15=10V3. uI=10时， uGS=10V ，在恒流区，iD=2.2mA， uO=VDD-iDRD=