模拟电路课件第一章-常用半导体器件-

1、第一章 常用半导体器件1.1 半导体基础知识1.2 半导体二极管1.3 晶体三极管1.4 场效应管第一章 常用半导体器件1.1 半导体基础知识1.2 半导体二1.1 半导体基础知识3.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。常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge）。 1.1.1 本征半导体一、半导体1. 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。2. 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如惰性气体、橡胶、陶瓷、塑料和石英。1.1 半导体基础知识3.半导体：1.1.1 本征半导体一、半导体具有下列的重要特性： (

2、1) 热敏性: 一些半导体对温度反应很灵敏, 其电阻率随温度升高而明显下降, 利用该特性可制成各种热敏元件, 如热敏电阻、 温度传感器等。 (2) 光敏性: 有些半导体的电阻率随光照增强而明显下降, 利用这种特性可做成各种光敏元件, 如光敏电阻和光电管等。 (3) 掺杂性: 在纯净的半导体中掺入其它微量元素（如磷和硼）会使其电阻率下降，利用该性质可制成各种晶体管器件。 半导体具有下列的重要特性： (1) 热敏性: 一些半导体对温模拟电路课件第一章-常用半导体器件-模拟电路课件第一章-常用半导体器件-共价键共用电子对纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体二、本征半导体 本征半导体的共价键结构在

3、绝对温度T=0K，且无外界激发时，价电子完全被共价键紧紧束缚，即没有可以自由移动的带电粒子（载流子）。因此本征半导体导电能力很弱。共价键共纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体二、本征半导当温度升高或受到光照射，一些价电子获得足够能量，挣脱共价键束缚，成为自由电子。自由电子产生同时，在其原共价键中留下一个空位，称为空穴。原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。本征半导体中自由电子和空穴是成对出现的，即自由电子和空穴数目相等。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴这一现象称为本征激发。当温度升高或受到光照射，一些价电子获得足够能量，挣脱共价键束与本征激发相反现象复合（自由电子

4、在运动中与空穴结合）。在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。在外电场作用下，一方面，自由电子做定向运动形成电子电流；另一方面，价电子按一定方向填补空穴，即空穴也产生定向移动，形成空穴电流。三、本征载流子浓度 本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。载流子浓度升高，导电能力增强。本征载流子浓度：与本征激发相反现象复合（自由电子在运动中与空穴结合）。在1.1.2杂质半导体 为改善半导体导电性能，在本征半导体中掺入微量元素，掺杂后的半导体称为杂质半导体。按掺杂元素不同，分为P型半导体和N型半导体。一、N型

5、半导体 在纯净的硅（或锗）晶体中掺入五价元素（如磷），形成N型半导体。此类杂质称为施主杂质。1.1.2杂质半导体 为改善半导体导电性能，在本征N型半导体多余电子磷原子硅原子多数载流子自由电子少数载流子空穴N型半导体主要靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性也越强。+4+4+4+4+4+4+4+4+5N型半导体多余电子磷原子硅原子多数载流子自由电子少数载流空位硼原子硅原子多数载流子 空穴少数载流子自由电子在纯净的硅（或锗）晶体中掺入三价元素（如硼），形成P型半导体。此类杂质称为受主杂质。二、P型半导体P型半导体主要靠空穴导电，掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高

6、，导电性也越强。+4+4+4+4+4+4+4+4+3空位硼原子硅原子多数载流子 空穴少数载流子自由电杂质半导体的示意图+N型半导体多子电子少子空穴P型半导体多子空穴少子电子少子浓度与温度有关多子浓度与掺杂有关杂质半导体的示意图+N型半导体多子电1.1.3 PN结 一、 PN结的形成 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。扩散运动使靠近接触面P区空穴浓度降低、靠近接触面N区自由电子浓度降低，产生由N区指向P区内电场，阻止扩散运动进行。1.1.3 PN结 一、 PN结的形成 物质因浓度差而产生的因电场作用所产生的运

7、动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。有利于少子的运动因电场作用所产生的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的 二、 PN结的单向导电性 (1) 加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区 耗尽层变窄 扩散运动漂移运动多子扩散形成正向电流I外电场削弱内电场 二、 PN结的单向导电性 (1) 加正向电压（正偏）电(2) 加反向电压电源正极接N区，负极接P区 耗尽层变宽 漂移运动扩散运动少子漂移形成反

8、向电流IS 外电场加强内电场 在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IS基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IS与温度有关。 (2) 加反向电压电源正极接N区，负极接P区 耗尽 PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。 PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻根据理论分析：u ：PN结两端的电压降i ：流过PN结的电流IS ：反向饱和电流UT =kT/q ：温度电压当量其中k为玻耳兹曼常数 1.381023q

9、 为电子电荷量1.6109T 为热力学温度对于室温（相当T=300 K）则有UT=26 mV。当 u0 uUT时当 u|U T |时三、 PN结方程及伏安特性曲线根据理论分析：u ：PN结两端的电压降i ：流过PN结的电流PN结的伏安特性曲线如图正偏I（多子扩散）IS（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿利用反向击穿特性可以制成稳压管。PN结的伏安特性曲线如图正偏I（多子扩散）IS（少子漂移）反四、PN结的电容效应PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2. 扩散电容3. 结电容： Cj=Cb+Cd。

10、正向电压时Cd起作用CjCd；反向电压时Cb起作用CjCbCj随外加电压而非线性变化非线性电容，且数值很小，只有在频率较高时才考虑。PN结外加的正向电压变化时，在扩散过程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。1. 势垒电容四、PN结的电容效应PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将1.2 半导体二极管 1.2.1 半导体二极管的结构 1.2.2 二极管的伏安特性 1.2.3 二极管的参数 1.2.4 二极管的等效电路 1.2.5 稳压二极管1.2 半导体二极管 1.2.1 半导体二极管的结构 1.2将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。

11、1.2.1 半导体二极管的结构点接触型：结面积小，结电容小故结允许的电流小最高工作频率高用于检波和变频等高频电路面接触型：结面积大，结电容大故结允许的电流大最高工作频率低用于低频大电流整流电路平面型：结面积可小、可大小的工作频率高大的结允许的电流大用于高频整流和开关电路中将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。 1.2.1 半材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.60.8V0.1A以下锗Ge0.1V0.10.3V几十A开启电压反向饱和电流击穿电压温度的电压当量 1.2.2 二极管伏安特性二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.6

12、0.82. 伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IST（）正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线 1. 单向导电性从二极管的伏安特性可以反映出：2. 伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降u1. 最大整流电流IF 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. 最高反向工作电压UR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。通常UR为击穿电压UBR的一半。3. 反向电流 IR二极管未击穿时的反向电流。IR愈小，二极管的单向导电性愈好， IR对温度敏感。4. 最高工作频率fM 1.2.3

13、二极管主要参数二极管工作的上限频率。超过此值时，由于结电容的作用，二极管的单向导电性变坏。1. 最大整流电流IF 二极管长期使用时，允许流过二极管的最 1.2.4 二极管等效电路 在一定的条件下，可用线性模型来代替二极管，称为二极管的等效模型（或等效电路）。根据二极管的伏安特性，对应于不同的应用场合， 可建立不同的等效模型。1 理想模型（a）由图可见，理想二极管正向导通时，其端电压等于零，相当于短路；反向截止时，电流等于零，相当于开路。所以理想二极管相当于一个理想开关。理想二极管导通时 UD0截止时IS0 1.2.4 二极管等效电路 在一定的条件下，2 恒压降模型（b）在电路分析中，可认为二极

14、管正向导通时压降恒定为Uon，截止时，反向电流为零。 二极管电路等效模型为一理想二极管和一恒压源Uon相串联。近似分析中最常用导通时UDUon截止时IS02 恒压降模型（b）近似分析中最常用导通时UDUon3 折线模型（c）为了进一步改善电路模型的准确度，在恒压降模型基础上，作一定修正，图中二极管正向压降大于Uon后，用一斜线来描述电压和电流的关系，斜线的斜率为实际二极管特性曲线的斜率1/rD，rD =U/I。等效模型为一理想二极管和恒压源Uon及正向电阻rD相串联。 导通时i与u成一次函数关系3 折线模型（c）导通时i与u成一次函数关系例1.2.1：二极管导通压降为0.7V。估算开关断开和闭

15、合时输出电压的数值。例1.2.1：二极管导通压降为0.7V。估算开关断开和闭合时Q越高，rd越小。 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号作用静态电流二、二极管的微变等效电路Q越高，rd越小。 当二极管在静态基础上有一动态信号作应用举例：直流电压源和交流电压源同时作用于二极管电路应用举例：直流电压源和交流电压源同时作用于二极管电路作业：阅读1233. 判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。1. P67 第三题2. P66 1.3， 1.4，1.2作业：阅读1233. 判断电路中二极管的工作状态，求解

16、输出一、 伏安特性进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。二、主要参数稳定电压UZ、稳定电流IZ最大功耗PZM IZM UZ动态电阻rzUZ /IZ1.2.5 稳压二极管一、 伏安特性进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流由一个例题1.2.2已知UZ、IZmin、IZmax、RL，求限流电阻RIZmin IZ IZmax例题1.2.2已知UZ、IZmin、IZmax、RL，求限流1.3 双极型晶体管1.3.1 BJT的结构简介1.3.2 BJT的电流分配与放大原理1.3.3 BJT的特性曲线1.3.4 BJT的主要参数

17、1.3 双极型晶体管1.3.1 BJT的结构简介1.3.2多子浓度高很薄，且杂质浓度低面积大晶体管有三个极、三个区、两个PN结。小功率管中功率管大功率管1.3.1 晶体管的结构和符号多子浓度高很薄，且杂质浓度低面积大晶体管有三个极、三个区、两扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散1.3.2 晶体管电流放大作用 BJT内部载流子的运动（以NPN为例）扩散运动形

18、成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运共射直流电流放大系数共射交流电流放大系数 电流分配： IEIBIC IE扩散运动形成的电流 IB复合运动形成的电流 IC漂移运动形成的电流共基直流电流放大系数共基交流电流放大系数共射直流电流放大系数共射交流电流放大系数 电流分配： 为什么UCE增大曲线右移？对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。为什么像PN结的伏安特性？为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？1.3.3 晶体管共射特性曲线一、 输入特性曲线为什么UCE增大曲线右移？对于小功率晶体管，UCE大于1V的对应于一个IB就有一条

19、iC随uCE变化的曲线。为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？饱和区放大区截止区二、 输出特性曲线对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。为什么uCE较晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。状态uBEiCuCE截止 Uon0VCC放大 UoniB uBE饱和 UoniBUBUE； 对于PNP管三个电极的电位关系是：UCUBUE。 三极管的特性可用输入和输出特性曲线来表示，也可用特性参数来表示。主要的特性参数有：电流放大系数、小结 晶体三极管是电流控制元

20、件，通过控制基极电流可以控制集电极练习P67 1.15，P68 1.17，P69 1.192. P64 第六题练习P67 1.15，P68 1.17，P69 1.191. 分别分析uI=0V、5V时T是工作在截止状态还是导通状态；2. 已知T导通时的UBE0.7V，若uI=5V，则在什么范围内T处于放大状态?在什么范围内T处于饱和状态？通过uBE是否大于Uon判断管子是否导通。临界饱和时的练习21. 分别分析uI=0V、5V时T是工作在截止状态还是导通1.4 场效应管1.4.1 结型场效应管1.4.2 绝缘栅场效应管1.4.3 场效应管的参数及特点1.4.4 场效应管与晶体管比较1.4 场效应

21、管1.4.1 结型场效应管1.4.2 绝缘栅 它是一种电压控制器件。工作时，管子的输入电流几乎为 0， 因此具有极高的输入电阻(约数百兆欧以上)。 仅靠半导体多数载流子导电，故称单极型器件。它的抗温度和抗辐射能力强，工作较稳定。 制造工艺比较简单，便于大规模集成，且噪声较小 类型较多，使电路设计灵活性增大。场效应管(FET)是利用输入回路产生的电场效应来控制电流的一种半导体器件。 它与普通晶体管相比有以下重要特点： 它是一种电压控制器件。工作时，管子的输入电流几乎为 0，N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)分类：场效应管

22、(FET：field effect transistor)耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道FET场效应场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。1. 结型场效应管导电沟道源极栅极漏极符号结构示意图1.4.1 结型场效应管（以N沟道为例）N沟道管场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于沟道很宽沟道变窄沟道消失称为夹断 uGS可以控制导电沟道的宽度。

23、UGS（off）1. 当uDS0时， uGS对导电沟道的控制作用一、结型场效应管的工作原理 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uGSUGS（off）uGDUGS（off）2. uDS对漏极电流iD的影响（UGS(off)uGS0）iD随uDS增大而线性增大，d-s呈现电阻特性预夹断uGD3. uGDUGS(off)时，uGS对iD的控制作用uGD增大时，iD几乎不变，即iD几乎仅取决于uGS，通过改变uGS来控制iD大小。漏极电流受栅源电压控制，控制能力由gm（低频跨导）描述。小结： JFET栅极、沟道之间PN结反向偏置，iG0，输入电阻很高； 预夹断前，iD与uGS

24、呈近似线性关系，预夹断后，iD趋于饱和； P沟道JFET工作时，其电源极性与N沟道JFET相反； JFET是电压控制电流器件，iD受uGS控制，控制能力由gm描述。3. uGDUGS(off)时，uGS对iD的控制作用uG夹断电压漏极饱和电流场效应管工作在恒流区:（UGS（off） uGS 0）二、结型场效应管的特性曲线1. 转移特性曲线夹断电压漏极饱和电流场效应管工作在恒流区:（UGS（off）g-s电压控制d-s等效电阻预夹断轨迹，uGDUGS（off）可变电阻区恒流区iD几乎仅决定于uGS击穿区夹断区（截止区）夹断电压IDSSiD不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。低频跨导：

25、2. 输出特性曲线g-s电压控制d-s等效电阻预夹断轨迹，uGDUGS（ofuGS增大到一定值时（开启电压UGS(th)），反型层（导电沟道）将变厚变长，将两个N区相接，形成导电沟道。一、N沟道增强型MOS管SiO2绝缘层衬底耗尽层空穴高掺杂反型层大到一定值才开启1.4.2 绝缘栅型场效应管uGS增大到一定值时（开启电压UGS(th)），反型层（导电用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。iD随uDS的增大而增大，可变电阻区uGDUGS（th）,预夹断iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区刚出现夹断uDS的增大几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力。增强型MOS管uDS对iD的影响用场效应管组成

26、放大电路时应使之工作在恒流区。iD随uDS的增耗尽型MOS管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。加正离子小到一定值才夹断uGS=0时就存在导电沟道二、N沟道耗尽型MOS管耗尽型MOS管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 01) 增强型MOS管2) 耗尽型MOS管开启电压夹断电压MOS管的特性曲线1) 增强型MOS管2) 耗尽型MOS管开启电压夹断电压MO 与N沟道MOSFET相对应，P沟道增强型MOSFET的漏-源之间应加负电压（开启电压UGS（th）0 ），当uGS0，改变uGS可实现对漏极电流iD的控制。 与N沟道MOSFET相对应，P沟道增强型MOSFET的1.4.3 场效应管主要参数一、 直流参数（1）开启电压UGS(th)：uDS为某一固定值，使iD大于零所需的最小|uGS|。一般场效应管手册给出的是在iD为规定的微小电流（如5）时的