模拟电子线路半导体器件

1、模拟电子线路半导体器件第1页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四教材： 模拟电子线路 （张友纯，华中科技大学出版社) 参考书： 电子技术基础(模拟部分4、5版) (康华光，高等教育出版社) 模拟电子技术基础 (第三版） (童诗白 华成英，高等教育出版社) 电子线路 （线性部分 第四版 ） （谢嘉奎 高等教育出版社)第2页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四1 半导体器件1.1 半导体的基本知识1.5 场效应管1.4 晶体三极管1.3 特殊二极管1.2 PN结与半导体二极管1.6 集成运算放大器第3页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，

2、星期四1.1 半导体的基本知识 半导体材料 半导体的共价键结构 本征半导体 杂质半导体第4页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 半导体材料 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导体：很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体(电阻率 108 cm的为绝缘体 ）。半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。第5页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四半导体的导电特性在外界某种因素作用下会发生显著变化。具体表现在以下三个方面：2、热敏性 温度的变化可以使其电阻率发生明显的变化，

3、人们利用这种特性可以做成各种热敏元件，如热敏电阻、温度传感器等。1、掺杂性：半导体因掺入微量的杂质其电阻率发生显著的变化，人们正是利用这种特性来改变和控制半导体的电阻率，制成各种半导体器件。3、光敏性 在光照下，一些半导体的电阻率可以发生明显变化，有的甚至可以产生电动势，人们利用这种特性可以做成各种光电晶体管、光电耦合器和光电池。第6页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 半导体的共价键结构硅晶体的空间排列第7页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构第8页，共120页，2022年，5月20日，23点

4、38分，星期四 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴共价键中的空位。电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。第9页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四本征半导体的结构特点GeSi（完全纯净的、结构完整的半导体晶体）硅和锗的晶体结构第10页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子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

5、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。第11页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子本征半导体的导电机理(1)两种载流子-自由电子、空穴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。第12页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。 P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。第13页，共120

6、页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 1. N型半导体 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。第14页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四+4+4+5+4多余电子磷原子 在硅或锗的晶体中掺入微量的五价元素（P）。1、由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓

7、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）。N 型半导体第15页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 2. P型半导体 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。第16页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四P 型半导体P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。+4+4+3+4空

8、穴硼原子 在硅或锗的晶体中掺入微量的三价元素（B）。第17页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四杂质半导体的示意表示法P型半导体+N型半导体第18页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 3. 杂质对半导体导电性的影响第19页，共120页，20

9、22年，5月20日，23点38分，星期四 本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念end 自由电子、空穴 N型半导体、P型半导体 多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质第20页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四1.2 PN结与晶体二极管 PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结的反向击穿 PN结的电容效应 晶体二极管 晶体二极管电路第21页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 1.2.1 PN结的形成图2.2.1 PN结的形成第22页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N

10、型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。 对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 第23页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时PN结加正向电压时的导电情况

11、 低电阻 大的正向扩散电流PN结的伏安特性第24页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四PN结的伏安特性 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (2) PN结加反向电压时PN结加反向电压时的导电情况 高电阻 很小的反向漂移电流A级 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 第25页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩

12、散电流； 由此可以得出结论： PN结具有单向导电性。 PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。第26页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 PN结的单向导电性 (3) PN结V- I 特性表达式其中PN结的伏安特性IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K）第27页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 PN结的反向击穿 当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿可逆第28页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四

13、PN结的电容效应 (1) 势垒电容CB势垒电容示意图第29页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 PN结的电容效应(2) 扩散电容CD扩散电容示意图 end第30页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 晶体二极管 在PN结上加上引线和封装，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。(a)点接触型 二极管的结构示意图1. 二极管的结构第31页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四(3) 平面型二极管 往往用于集成电路制造艺中。PN 结

14、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(c)平面型(4) 二极管的代表符号第32页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四半导体二极管图片第33页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四第34页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四2 . 二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管2CP10的V-I 特性锗二极管2AP15的V-I 特性正向特性反向特性反向击穿特性导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V 死区电压 硅管0.5V,锗管0.2

15、V第35页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四3 . 二极管的参数(1) 最大整流电流IF(2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3) 反向电流IR(4) 正向压降VF(5) 极间电容CB end第36页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 二极管电路及其分析方法1 二极管V- I 特性的建模2 应用举例第37页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 1 二极管V- I 特性的建模 1. 理想模型3. 折线模型 2. 恒压降模型第38页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 4. 小信号模型 二极管

16、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） 1 二极管V- I 特性的建模第39页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四例1：二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为ui。 (1)若 ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、恒压源模型计算电流I和输出电压uo解：（1）采用理想模型分析。 采用恒压源模型分析。2 应用举例第40页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四（2）如果ui为幅度4V的交流三角波，波形如图所示，分别采用理想二极管模型和恒压源模型分析电

17、路并画出相应的输出电压波形。解：采用理想二极管模型分析。波形如右所示。0-4Vuit2V2Vuot第41页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用恒压源模型分析，波形如右所示。第42页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四判断二极管在电路中的工作状态，常用的方法是：先假设将二极管断开，求二极管正负极间的电压，若该电压大于二极管导通电压，则二极管处于正偏而导通；反之，则处于反偏而截止。若电路中出现两个以上二极管，则承受正向电压较大者优先导通，然后根据电路情况，分析其它二极管工作状态。注意注意第43页，共120页

18、，2022年，5月20日，23点38分，星期四例2:在下图中,试求以下几种情况的端电压VY及各元件流过的电流:(1)UA=10V,UB=0V;解:忽略二极管的导通压降：(1)二极管优先导通，则反向偏置，截止，UAUB1K1K R9kA第44页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四(2)UA=6V,UB=5.8V;设两管均导通，应用结点电压法可得：UAUB1K1K R9kA可见DB管也确能导通.第45页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四例3：两个稳压管,稳定电压分别为5.5V和8.5V,正向导通压降都是0.5V,如果要得到0.5V、3V、6V、9V和1

19、4V应如何连接?解:电路如下列所示，分别可以得到题意要求的稳压值：(a)(b)(c)(d)(e)第46页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四例3：两个稳压管,稳定电压分别为5.5V和8.5V,正向导通压降都是0.5V,如果要得到0.5V、3V、6V、9V和14V应如何连接?解:电路如下列所示，分别可以得到题意要求的稳压值：-+RUiDz10.5V-R+RDZ1Dz2Ui-3V+-+UiRDz1Dz2+6V-+Ui-RDz1Dz2+9V-+Ui-R+14v-第47页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四V阳V阴 二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，

20、UAB = 6V否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V例4： 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。 在这里，二极管起钳位作用。 D6V12V3kBAUAB+电路如图, 求: UABV阳 = V阴 = 6 V 12 V第48页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 VUD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V例

21、5:D1承受反向电压为6 V流过 D2 的电流为求：UAB 在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。 BD16V12V3kAD2UAB+第49页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui ICBO 为电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 = 0.90.99IE=IB+ IC载流子的传输过程第76页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四根据 是另一个电流放大系数，同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 1IE=IB+ IC IC= InC+

22、 ICBO且令ICEO= (1+ ) ICBO（穿透电流）2. 电流分配关系第77页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四3. 三极管的三种组态共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；三极管的三种组态第78页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四+-bceRL1k共射极放大电路 共射极放大电路VBBVCCVBEIBIEIC+-vI+vBEvO+-+iC+iE+iBvI = 20mV 设若则电压放大倍数iB = 20 uAvO = -iC RL = -0.98 V

23、， = 0.98使4. 放大作用第79页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 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。1.4.2 三极管的电流分配与放大原理注意： NPN: VCVBVE ； PNP: VCVB0，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。vCE = 0VvCE 1V(1) 当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特

24、性曲线。1. 输入特性曲线1.4.3 三极管的特性曲线（以共射极放大电路为例）第81页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏。iC=f(vCE) iB=const2. 输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:1.4.3 三极管的特性曲线放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时， vBE小于死区电压，集电结反偏。第82页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四输出特

25、性三个区域的特点:(1) 放大区 发射结正偏，集电结反偏， IC=IB , 且 IC = IB(2) 饱和区发射结正偏，集电结正偏 ，即UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V (3) 截止区发射结反偏，集电结反偏 ， UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 第83页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四1.4.4 三极管的主要参数 (1)共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const1. 电流放大系数 第84页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四(2) 共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE

26、=const1.4.4 三极管的主要参数1. 电流放大系数 第85页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 (4) 共基极交流电流放大系数 =IC/IE VCB=const 当ICBO和ICEO很小时， 、 ，可以不加区分。1.4.4 三极管的主要参数1. 电流放大系数 第86页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 (2) 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO=（1+ ）ICBO 2. 极间反向电流ICEO (1) 集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。 1.4.4 三极管的主要参数 即输出特性曲线IB=0那条

27、曲线所对应的Y坐标的数值。 ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。第87页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四(1) 集电极最大允许电流ICM(2) 集电极最大允许功率损耗PCM PCM= ICVCE 3. 极限参数1.4.4 三极管的主要参数第88页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四(3) 反向击穿电压 V(BR)CBO发射极开路时的集电结反 向击穿电压。 V(BR) EBO集电极开路时发射结的反 向击穿电压。 V(BR)CEO基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO 3.

28、 极限参数1.4.4 三极管的主要参数第89页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 由PCM、 ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区（思考题）end第90页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四1.5.1 结型场效应管1.5 .3 场效应管的参数及其特点1.5 场效应管1.5.2 绝缘栅场效应管第91页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四场效应管是一种利用电场效应来控制电流大小的半导体器件.具有体积小 重量轻 耗电省 寿命 长等特点,而且输入电阻高 噪声低

29、热稳定性好 抗辐射能力强,应用范围广泛.第92页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)分类：增强型：没有加偏置电压(ugs=0)时，没有导电沟道(iD=0)耗尽型：没有加偏置电压(ugs=0)时，有导电沟道存在(iD0)第93页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四1.5.1 结型场效应管 结构 工作原理 输出特性 转移特性 主要参数1 JFET的结构和工作原理2 JFET的特性曲线及参数 第94页，共120页，2022年，5月20日，2

30、3点38分，星期四1 JFET的结构和工作原理1. 结构 第95页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四 源极，用S或s表示N型导电沟道漏极，用D或d表示 P型区P型区栅极，用G或g表示栅极，用G或g表示符号符号1 JFET的结构和工作原理1. 结构 # 符号中的箭头方向表示什么？第96页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四2. 工作原理 VGS对沟道的控制作用当VGS0时（以N沟道JFET为例） 当沟道夹断时，对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。对于N沟道的JFET，VP 0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄。 VGS继续减

31、小，沟道继续变窄 VDS对沟道的控制作用当VGS=0时，VDSID G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。 当VDS增加到使VGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时VDS 夹断区延长沟道电阻ID基本不变 VGS和VDS同时作用时当VP VGS0时UGS足够大时（UGSVT）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道。感应出电子VT称为阈值电压第105页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。PNNGSDUDSUGS第106页，共120页，2

32、022年，5月20日，23点38分，星期四PNNGSDUDSUGS当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。第107页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四PNNGSDUDSUGS夹断后，即使UDS 继续增加，ID仍呈恒流特性。IDUDS增加，UGD=VT 时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。第108页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四UGS=3VU DS （V）ID（mA）01324UGS=4VUGS=5VUGS=2VUGS=1V开启电压UGS（th）固定一个U DS，画出ID和UGS的关系曲线，称为转移特性曲线3、增强型N沟道MOS管的特性曲线第109页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四N沟道增强型（UGS=0时，ID =0 ）GSDIDUGSUGS（th）开启电压UGS全正增强型NMOS场效应管转移特性第110页，共120页，2022年，5月20日，23点38分，星期四输出特性曲线UGS=0VU DS （V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V夹断电压UP固定一个U DS，画出ID和UGS的关系曲线，称为转移特性曲线4、耗尽型N沟道MOS管的特性曲线第111页，共120页，2022年，5月20日，23点