常用半导体器件图课件

模拟电子技术基础第01章半导体器件第02章基本放大电路第03章多级放大电路第04章集成运算放大电路第05章放大电路频率响应第06章放大电路中的反馈第07章信号运算和处理第08章波形发生和信号转换第09章功率放大电路第10章直流电源模拟电子技术基础第01章半导体器件第06章放大电路中的反模拟电子技术基础学习方法1、不必预习、听课记笔记，注重课后复习；2、例题要认真理解、课后习题要及时完成；3、不缺课，不适合自学！通过课堂教学积累专业经验，注意单元电路的知识总结；4、读书：以教材为主，一遍懂、二遍通、三遍精！5、注重实验！理论设计完成后，须实验调试；模拟电子技术基础学习方法1、不必预习、听课记笔记，注重课后复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双极型晶体管1.4场效应管1.5单结晶体管和可控硅1.6集成电路中的元件返回第一章常用半导体器件1.1半导体基础知识返回1.1半导体基础知识图1.1.1本征半导体结构示意图图1.1.2本征半导体中的自由电子和空穴图1.1.3N型半导体图1.1.4P型半导体图1.1.5PN结的形成图1.1.6PN结加正向电压时导通图1.1.7PN结加反向电压时截止图1.1.8PN结平衡时载流子的分布图1.1.9外加正向电压时PN结载流子的分布图1.1.10PN结的伏安特性图1.1.11PN结的势势垒电容图1.1.12P区少子浓度分布曲线返回1.1半导体基础知识图1.1.1本征半导体结构示意图返半导体材料+14Si284+32Ge28184半导体材料+14284+3228图1.1.1本征半导体结构示意图

稳定结构，使能量处于最低态！返回Si单晶共价键结构图1.1.1本征半导体结构示意图

稳定结构，使能量处于最低图1.1.2本征半导体中的自由电子和空穴返回本征激发：热激发产生电子空穴对，数量只与温度有关图1.1.2本征半导体中的自由电子和空穴返回本征激发：热激图1.1.3N型半导体返回+15P285本征半导体中掺入微量五价杂质元素磷P，微量元素磷P被Si所包围，出现自由电子（多子、浓度大），空穴仅由本征激发产生（少子、浓度小）。图1.1.3N型半导体返回+15285本征图1.1.4P型半导体返回+5B23本征半导体中掺入微量三价杂质元素硼B，微量元素硼B被Si所包围，出现空穴（多子、浓度大），电子仅由本征激发产生（少子、浓度小）。图1.1.4P型半导体返回+523本征半导体中掺图1.1.5PN结的形成返回1、由于载流子浓度不均匀，产生多子扩散运动，建立空间电荷区；2、空间电荷区内电场阻止多子继续扩散，却有助于少子漂移运动；3、扩散与漂移达到动态平衡，空间电荷区宽度不变，形成PN结；图1.1.5PN结的形成返回1、由于载流子浓度不均匀，产生图1.1.6PN结加正向电压时导通返回4、正偏电压使内电场减弱，形成正向扩散电流（较大的多子流）；图1.1.6PN结加正向电压时导通返回4、正偏电压使内电场图1.1.7PN结加反向电压时截止返回5、反偏电压使内电场增强，形成反向漂移电流（较小的少子流）；由于少子由本征激发产生，因此反向电流只与温度有关，与电压无关；

PN结具有单向导电性：正向电流大、反向电流极小。双极型半导体器件：两种载流子同时参与导电过程。（多子、少子）图1.1.7PN结加反向电压时截止返回5、反偏电压使内电场图1.1.8PN结平衡时载流子的分布返回图1.1.8PN结平衡时载流子的分布返回图1.1.9外加正向电压时PN结载流子的分布返回图1.1.9外加正向电压时PN结载流子的分布返回图1.1.10PN结的伏安特性返回导通电压正向压降Si0.5V0.6~0.8V(0.7V)Ge0.1V0.1~0.3V(0.2V)工作电压（很大）工作电流＋u－PNi图1.1.10PN结的伏安特性返回导通电压图1.1.11PN结的势垒电容返回图1.1.11PN结的势垒电容返回图1.1.12P区少子浓度分布曲线返回图1.1.12P区少子浓度分布曲线返回1.2半导体二极管图1.2.1二极管的几种外形图1.2.2二极管的几种常见结构图1.2.3二极管的伏安特性图1.2.4由伏安特性折线化得到的等效电路图1.2.5二极管加正向电压的情况图1.2.6例1.2.1电路图图1.2.7二极管的微变等效电路图图1.2.8直流电压源和交流电压源同时作用的二极管电路图1.2.9图1.2.8所示电路的波形分析图1.2.10稳压管的伏安特性和等效电路图1.2.11稳压管稳压电路图1.2.12发光二极管图1.2.13光电二极管的外形和符号图1.2.14光电二极管的伏安特性图1.2.15例图1.2.3电路图返回1.2半导体二极管图1.2.1二极管的几种外形返回图1.2.1二极管的几种外形返回图1.2.1二极管的几种外形返回图1.2.2二极管的几种常见结构返回PN图1.2.2二极管的几种常见结构返回PN图1.2.3二极管的伏安特性返回图1.2.3二极管的伏安特性返回图1.2.4由伏安特性折线化得到的等效电路返回图1.2.4由伏安特性折线化得到的等效电路返回图1.2.5二极管加正向电压的情况返回图1.2.5二极管加正向电压的情况返回图1.2.6例1.2.1电路图返回图1.2.6例1.2.1电路图返回图1.2.7二极管的微变等效电路图返回图1.2.7二极管的微变等效电路图返回图1.2.8直流电压源和交流电压源

同时作用的二极管电路返回图1.2.8直流电压源和交流电压源

同时图1.2.9图1.2.8所示电路的波形分析返回图1.2.9图1.2.8所示电路的波形分析返回图1.2.10稳压管的伏安特性和等效电路返回IZminIZman图1.2.10稳压管的伏安特性和等效电路返回IZminIP20图1.2.11稳压管稳压电路返回=Uz

Uz

Iz限流电阻P20图1.2.11稳压管稳压电路返回=UzUz图1.2.12发光二极管返回阴极正向电流：10~20mA反峰压：3~5V正向压降：1.2V~2V4V5V红~绿白兰图1.2.12发光二极管返回阴极正向电流：10~20图1.2.13光电二极管的外形和符号返回图1.2.13光电二极管的外形和符号返回图1.2.14光电二极管的伏安特性1象限3象限4象限-i光电流反向光电流照度光电流1光电流2光电流3暗电流四象限：微型光电池

ui=-----

RV----RVV=u+iRV=-u-iRu=-iRV-----R-Vi+u--=u图1.2.14光电二极管的伏安特性1象限3象限4象限图1.2.15例图1.2.3电路图返回图1.2.15例图1.2.3电路图返回1.3双极型晶体管图1.3.1晶体管的几种常见外形图1.3.2晶体管的结构和符号图1.3.3基本共射放大电路图1.3.4晶体管内部载流子运动与外部电流图1.3.5晶体管的输入特性曲线图1.3.6晶体管的输出特性曲线图1.3.7晶体管的极限参数图1.3.8温度对晶体管输入特性的影响图1.3.9温度对晶体管输出特性的影响图1.3.10光电三极管的等效电路、符号和外形图1.3.11光电三极管的输出特性曲线返回1.3双极型晶体管图1.3.1晶体管的几种常见外形返回图1.3.1晶体管的几种常见外形返回图1.3.1晶体管的几种常见外形返回图1.3.2晶体管的结构和符号返回很薄!++图1.3.2晶体管的结构和符号返回很薄!++图1.3.3基本共射放大电路返回图1.3.3基本共射放大电路返回晶体管工作在放大区的电流分配关系β(IB+ICBO)少子ICBOIBNP高掺杂N+ICIE从E区到达B区的电子(IB+ICBO)，则必有β(IB+ICBO)电子到达C区：IC=β(IB+ICBO)+ICBO=βIB+(1+β)ICBO=βIB+ICEO(穿透电流)≈βIB(电流放大)IE=IB+ICBO

+β(IB+ICBO)=IB+ICE区电子扩散注入B区，C结强电场将其拉入C区，由于到达C区电子来自E区，因此反映了E结电压规律。反偏正偏BCE箭头：电流方向晶体管工作在放大区的电流分配关系β(IB+ICBOβICBOICBOIBNPN+ICEOICEOICEO

=βICBO+ICBO=(1+β)ICBOICEO：从C区穿透B区到达E区反偏正偏穿透电流ICEO

与反向饱和电流ICBO穿透电流ICEO

与少子电流ICBO有关，因此ICEO越大，温度稳定性越差！βICBOICBOIBNPN+ICEOICEOI图1.3.4晶体管内部载流子运动与外部电流返回图1.3.4晶体管内部载流子运动与外部电流返回图1.3.5晶体管的输入特性曲线返回+UBE-UCE

=0两PN结并联仅E结正偏两PN结并联图1.3.5晶体管的输入特性曲线返回+UCE=0两返回β晶体管的输出特性曲线返回β晶体管的输出特性曲线图1.3.6晶体管的输出特性曲线返回ICEO三极管工作状态：1、放大：E结正偏C结反偏此时IC=βIB2、截止：E结非正偏此时IB≈03、饱和：E结C结均正偏此时βIB>ICβ=βBCE图1.3.6晶体管的输出特性曲线返回ICEO三极管工作状态基区宽度调制效应C结E结+-有效基区VAEarly电压VCEICVC↑→C结宽度↑→基区有效宽度↓→基区复合机会↓→相当于β↑←IC↑←到达C区电子数↑←故输出特性上翘(等效为rCE)，其反向延长线交于VA点；VA越大，基区宽度调制效应越小。基区宽度调制效应C结E结+-有效基区VAVCEICVC↑饱和时ICS恒定，VCES很小，C结电场很弱；发射有余，收集不足：饱和时的集电极饱和电流ICS、超量存储电荷RBRCVCC–VCESVCC↓ICS=-------------≈-----RCRC+VCC+VCES-IBNPN+ICSIE正偏正偏复合大大恒定IB↑→C结动态空穴浓度↑由于B区很薄，超量存储空穴将由B区深入至C区。复合使空穴与电子动态积累，C区内部的复合电流：形成C结正偏电流；过驱动IB：C区内多余空穴流（忽略ICEO）饱和时ICS恒定，VCES很小，饱和时的集电极饱和电流IC晶体管工作在饱和区N+PNBEC饱和时VBE为结电压，由于E区、B区、C区充满大量电子，发射有余，收集不足：故CE间呈低阻态，VCES很小。晶体管工作在饱和区N+PNBEC饱和时VBE为结电压，退出饱和时超量存储电荷的消失过程复合-IBICIE超量存储电荷消失须经历一段存储时间，此期间CE间仍有电流，晶体管不能立即关断，存储时间成为影响开关速度的主要因素。退出饱和措施：1、电路设计考虑基极抽取电流-IB：由于电中性，超量存储积累了等量空穴与电子，抽取空穴：形成-IB时，也抽取电子：形成IC，2、超量存储空穴与电子复和：进行较缓，常在C区采用掺金Au工艺，缩短少子寿命。抽取电流-IB退出饱和时超量存储电荷的消失过程复合-IBICIE图1.3.7晶体管的极限参数返回图1.3.7晶体管的极限参数返回图1.3.8温度对晶体管输入特性的影响返回VBE负温度特性：|VBE|降2–2.5mV/温升1C（若保持VBE不变，则温升导致IB增加）图1.3.8温度对晶体管输入特性的影响返回VBE负温度特性图1.3.9温度对晶体管输出特性的影响返回温升时IB增加导致IC增加图1.3.9温度对晶体管输出特性的影响返回温升时IB增图1.3.10光电三极管的等效电路、符号和外形返回等效电路符号外形图1.3.10光电三极管的等效电路、符号和外形返回等效电路图1.3.11光电三极管的输出特性曲线返回暗电流光电流图1.3.11光电三极管的输出特性曲线返回暗电流光电流1.4场效应管图1.4.1结型场效应管的结构和符号图1.4.2N沟道结型场效应管的结构示意图图1.4.3uDS＝0时uGS对导电沟道的控制作用图1.4.4UGS(off)<uGS<0且uDS>0的情况图1.4.5场效应管的输出特性图1.4.6场效应管的转移特性曲线图1.4.7N沟道增强型MOS管结构示意图及增强型MOS的符号图1.4.8uDS＝0时uGS对导电沟道的影响图1.4.9uGS为大于UGS(th)的某一值时uDS对iD的影响图1.4.10N沟道增强型MOS管的特性曲线图1.4.11N沟道耗尽型MOS管结构示意图及符号图1.4.12N沟道增强型VMOS管的结构示意图图1.4.13场效应管的符号及特性图1.4.14例1.4.1输出特性曲线图1.4.15例1.4.2电路图图1.4.16例1.4.3电路图返回1.4场效应管图1.4.1结型场效应管的结构和符号返回图1.4.1结型场效应管(JFET)的结构和符号返回++漏D源S结构对称单极型器件：仅多子导电。ID箭头表示PN结正方向图1.4.1结型场效应管(JFET)的结构和符号返回+图1.4.2N沟道结型场效应管的结构示意图返回+-栅源负偏压直流高电位侧为漏直流低电位侧为源PP图1.4.2N沟道结型场效应管的结构示意图返回+-栅源负偏图1.4.3uDS＝0时，改变

uGS对导电沟道的影响返回uGS=UGS(off)时沟道夹断(截止电压)图1.4.3uDS＝0时，改变uGS对导电沟返回栅漏电压=夹断电压栅漏电压>夹断电压：栅极与该点间电压=夹断电压电子流从源极到达夹断点后，在漏极正电压吸引下，穿过夹断区，到达漏极。栅漏电压<夹断电压：ID沿沟道使漏至源各点电位不再相等UGS(off)<uGS<0时源极侧未夹断，调节uDS

时沟道情况：返回栅漏电压=夹断电压栅漏电压>夹断电压：栅漏电压图1.4.5场效应管的漏极特性（欧姆区）(截止区)电压控制器件IDUDS夹断电压VpIDSS

返回图1.4.5场效应管的漏极特性（欧姆区）(截止区)电压控制图1.4.6场效应管的转移特性曲线返回UGS(off)

=-VpIDUGS截止电压图1.4.6场效应管的转移特性曲线返回UGS(off)场效应管三个工作区域1、截止区：|VGS|>Vp=|VGS(off)|VGS2、恒流区：ID=IDSS(1–----------)ID只受VGS控制VGS(off)(压控)VGS3、欧姆区：ID<IDSS(1–----------)RDS受VGS控制VGS(off)

22场效应管三个工作区域1、截止区：|VGS|>Vp图1.4.7N沟道增强型MOS管结构示意图

及增强型MOS的符号返回图1.4.7N沟道增强型MOS管结构示意图

N沟道增强型MOS场效应管工作原理N+N+N沟道PVGS>VTSGDBVDS=0AlSiO2N沟道增强型MOS场效应管工作原理N+N+N沟道PVGSN沟道增强型MOS场效应管工作原理N+N+N沟道0VDSPVGS>VTSGDBVDS↓IDVGD>VTVDS=0AlSiO2VGD>VTIDVDSN沟道增强型MOS场效应管工作原理N+N+N沟道0VDSPN沟道增强型MOS场效应管工作原理N+N+N沟道0VDSPVGS>VTSGDBVDS↓IDVGD=VTVGD>VTVDS=0AlSiO2VGD=VTVGD>VTIDVDSN沟道增强型MOS场效应管工作原理N+N+N沟道0VDSPN沟道增强型MOS场效应管工作原理VGD<VTVGD=VTVGD>VTIDVDSVGD<VT恒流区欧姆区漏极特性转移特性IDVGS开启电压VTN+N+0VDSPVGS>VTSGDBVDS↓IDAlSiO2ΔVGSVGS-VTLGDBSN沟道增强型MOS场效应管工作原理VGD<VTVGD=VT1、VDS=0时：VGS将N+区电子拉出，当VGS>VT(开启电压)后形成N型沟道；2、固定VGS（>VT），加VDS产生ID，从沟道的S端至D端电位逐渐升高，即SiO2绝缘层下侧（沟道侧）由S至D各点电位逐渐升高，而SiO2绝缘层上侧（栅极侧）各点电位均为VGS（固定），在S端SiO2绝缘层上下电压大，电场强，沟道深，D端SiO2绝缘层上下电压小，电场弱，沟道薄，VDS↑→D侧沟道深度↓→沟道电阻↑→漏极特性右弯，3、VDS增至VGD=VT时，D端处于刚形成沟道状态。4、VDS继续增加，D处沟道被夹断，夹断长度Δ很小，因是耗尽层，比沟道电阻大得多，阻碍了ID的继续增加，5、沟道夹断点处，SiO2绝缘层上下电压正好VT，即沟道夹断点处电位为（VGS–VT），而沟道S处电位为0，（VGS–VT）

（VGS–VT）故沟道中电流I=---------------≈---------------=恒定，K(L–Δ)KL6、Δ很小使该处电场很强，沟道中电子流I沿沟道流至夹断点处，受到VDS吸引到达D极，形成ID。7、VDS↑↑→Δ↑→ID↑，故漏极特性略有上翘。221、VDS=0时：VGS将N+区电子拉出，当VGS>图1.4.8uDS＝0时uGS对导电沟道的影响返回图1.4.8uDS＝0时uGS对导电沟道的影响返回图1.4.9uGS为大于UGS(th)的某一值时

uDS对iD的影响返回图1.4.9uGS为大于UGS(th)的某一值时

图1.4.10N沟道增强型MOS管的特性曲线返回图1.4.10N沟道增强型MOS管的特性曲线返回图1.4.11N沟道耗尽型MOS管结构示意图及符号返回IDIDSSUGS(off)

VGS转移特性图1.4.11N沟道耗尽型MOS管结构示意图及符号返回图1.4.12N沟道增强型VMOS管的结构示意图返回图1.4.12N沟道增强型VMOS管的结构示意图返回图1.4.13场效应管的符号及特性返回图1.4.13场效应管的符号及特性返回图1.4.14例1.4.1输出特性曲线返回图1.4.14例1.4.1输出特性曲线返回图1.4.15例1.4.2电路图返回图1.4.15例1.4.2电路图返回图1.4.16例1.4.3电路图返回图1.4.16例1.4.3电路图返回1.5单结晶