模拟电子技术第一章

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半导体三极管1.4场效应管本章目录点击即可进入学习习题解答总目录一、半导体及其导电特性

在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。硅原子锗原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。1.1半导体基础知识

本征半导体的共价键结构束缚电子在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。（一）本征半导体

本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。

这一现象称为本征激发，也称热激发。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。它是共价键结构。本征半导体的共价键结构硅原子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4

可见本征激发同时产生电子空穴对。

与本征激发相反的现象——复合在一定温度下，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。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：锗：自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对导电机制：

在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。（二）

杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。1.

N型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。

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型半导体施主离子自由电子电子空穴对在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素,如磷,则形成N型半导体。

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对2.

P型半导体杂质半半导体体的示示意图图++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子少子浓浓度——与温度度有关关多子浓浓度——与温度度无关关二、PN结（一））PN结的形形成内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层用专门门的制制造工工艺在在同一一块半半导体体单晶晶上,形成P型半导导体区区域和和N型半导导体区区域,在这两两个区区域的的交界界处就就形成成了一一个PN结。PN结的形形成动动画演演示（二））PN结的单单向导导电性性1.加正向向电压压（正正偏））—电源正正极接接P区，负负极接接N区外电场场的方方向与与内电电场方方向相相反。。外电场场削弱弱内电电场→耗尽层层变窄窄→扩散运运动＞＞漂移移运动动→多子扩散形形成正正向电电流IF正向电流2.加反向向电压压——电源正正极接接N区，负负极接接P区外电场场的方方向与与内电电场方方向相相同。。外电场场加强强内电电场→耗尽层层变宽宽→漂移运运动＞＞扩散散运动动→少子漂漂移形形成反反向电电流IRPN在一定定的温温度下下，由由本征征激发发产生生的少少子浓浓度是是一定定的，，故IR基本上上与外外加反反压的的大小小无关关，所以称称为反向饱饱和电电流。但IR与温度度有关关。PN结加正正向电电压时时，具具有较较大的的正向向扩散散电流流，呈呈现低低电阻阻，PN结导通通；PN结加反反向电电压时时，具具有很很小的的反向向漂移移电流流，呈呈现高高电阻阻，PN结截止止。由此可可以得得出结结论：：PN结具有有单向向导电电性。。PN结的单单向导导电性性小结结（三））PN结的伏安安特性性曲线线及表表达式式根据理理论推推导，，PN结的伏伏安特特性曲曲线如如图正偏IF（多子子扩散散）IR（少子子漂移移）反偏反向饱饱和电电流反向击击穿电电压反向击击穿热击穿穿——烧坏PN结电击穿穿——可逆根据理理论分分析：：u为PN结两端端的电电压降降i为流过过PN结的电电流IS为反向向饱和和电流流UT=kT/q称为温温度的的电压压当量量其中k为玻耳耳兹曼曼常数数1.38××10－23q为电子子电荷荷量1.6×10－9T为热力力学温温度对于室室温（（相当当T=300K）则有UT=26mV。当u>0u>>UT时当u<0|u|>>|UT

|时（四））PN结的电电容效效应当外加加电压压发生生变化化时，，耗尽尽层的的宽度度要相相应地地随之之改变变，即即PN结中存存储的的电荷荷量要要随之之变化化，就就像电电容充充放电电一样样。(1)势垒电电容CB(2)扩散电电容CD当外加加正向向电压压不同时时，PN结两侧侧堆积积的少少子的的数量量及浓浓度梯梯度也也不同同，这这就相相当电电容的的充放放电过过程。电容效效应在在交流流信号号作用用下才才会明明显表表现出出来极间电电容（（结电电容））1.2半导体体二极极管二极管管=PN结+管壳+引线NP结构符号阳极+阴极-一、二二极管管的基基本结结构和和符号号

正极引线触丝N型锗支架外壳负极引线PN结二极管管按结结构分分三大大类：：(1)点接触触型二二极管管PN结面积积小，，结电电容小小，用于检检波和和变频频等高高频电电路。。(3)平面型型二极极管用于集集成电电路制制造工工艺中中。PN结面积积可大大可小小，用用于高频频整流流和开开关电电路中中。(2)面接触触型二二极管管PN结面积积大，，用于工频频大电电流整整流电电路。。半导体体二极极管图图片半导体体二极极管的的型号号国家标标准对对半导导体器器件型型号的的命名名举例例如下下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。二、半导体体二极极管的的V—A特性曲曲线硅：0.5V锗：0.1V(1)正向特特性导通压压降反向饱和电流(2)反向特特性死区电压击穿电压UBR实验曲曲线uEiVmAuEiVuA硅：0.7V锗：0.3VIs三、二二极极管的的主要要参数数(1)最大整整流电电流IOM———二极管管长期期连续续工作时，，允许许通过过二极管的的最大大整流流电流的的平均均值。。(2)反向击击穿电电压UBR—————二极管管反向向电流流急剧增增加时时对应应的反反向电压值值称为为反向向击穿穿电压UBR。(3)反向电电流IR——在室温下下，在规规定的反反向电压压下的反反向电流流值。硅硅二极管管的反向向电流一一般在纳纳安(nA)级；锗二二极管在在微安(A)级。（4）反向工作作峰值电电压URWM（5）反向峰值值电流IRM例1：下图中中，已知知VA=3V，VB=0V，DA、DB为锗管，，求输出出端Y的电位并并说明二极管的的作用。解：DA优先导通通，则VY=3–0.3=2.7VDA导通后,DB因反偏而而截止,起隔离作作用,DA起钳位作作用,将Y端的电位位钳制在在+2.7V。DA

–12VYABDBR二极管的的应用范围围很广,它可用与与整流、、检波、、限幅、、元件保保护以及及在数字字电路中中作为开开关元件件。DE3VRuiuouRuD例2：下图是是二极管限幅电路路，D为理想二二极管（（忽略管管压降）），ui=6sintV,E=3V,试画出uo波形。。ttui/Vuo/V6330022–6t6302例3：双向限幅幅电路t03–3DE3VRDE3VuiuouRuDui/Vuo/Vt63.702例3：双向限幅幅电路t03.7–3.7DE3VRDE3VuiuouRuDui/Vuo/V考虑管压压降四.二极管的的模型IR10VE1kΩD—非线性器件iuR—线性器件二极管的的模型理想二极极管模型型正偏反偏导通压降二极管的V—A特性二极管的的模型DU串联电压压源模型型UD二极管的的导通压压降。硅硅管0.7V；锗管0.3V。导通压降二极管的V—A特性由伏安特特性折线线化得到到的等效效电路(a)理想二极极管(b)正向导通通时端电电压为常常数(c)正向导通通时端电电压与电电流成线线性关系系二极管的的模型二极管的的微变等等效电路路图动态电阻阻：小信号线线性化静态工作作点电流当稳压二二极管工工作在反反向击穿穿状态下下,工作电流流IZ在Izmax和Izmin之间变化化时,其两端电电压近似似为常数数稳定电压压五、稳稳压二二极管稳压二极极管是应应用在反反向击穿穿区的特特殊二极极管正向同二二极管反偏电压压≥UZ反向击穿穿＋UZ－稳压二极极管的主主要参参数(1)稳定电压压UZ——(2)动态电阻阻rZ——在规定的的稳压管管反向工工作电流流IZ下，所对对应的反反向工作作电压。。rZ=U/IrZ愈小，反反映稳压压管的击击穿特性性愈陡。。(3)最小稳定定工作电电流IZmin——保证稳压压管击穿穿所对应应的电流流，若IZ＜IZmin则不能稳稳压。(4)最大稳定定工作电电流IZmax——超过Izmax稳压管会会因功耗耗过大而而烧坏。。1.3半导体三三极管半导体三三极管，，也叫晶晶体三极极管。由由于工作作时，多多数载流流子和少少数载流流子都参参与运行行，因此此，还被被称为双极型晶晶体管（BipolarJunctionTransistor,简称BJT）。BJT是由两个个PN结结组成的的。一、BJT的结构NPN型PNP型符号:三极管的的结构特特点:（1）发射区区的掺杂杂浓度＞＞＞集电电区掺杂杂浓度。。（2）基区要要制造得得很薄且且浓度很很低。--NNP发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极--PPN发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极N型硅二氧化硅保护膜BECN+P型硅（a）平面面型N型锗ECB铟球铟球PP+（b）合金型NPN型三极管管集电区集电结基区发射结发射区NN集电极C基极B发射极E再强化一一下三极极管的结结构分分类和符符号PECB符号集电区集电结基区发射结发射区CBEN集电极C发射极E基极BNPPNPNP型三极管管符号UCEECRCICCEBUBE共发射极极接接法放大大电路二、三极管的的电流分分配和放放大原理理三极管具具有电流流控制作用的的外部条条件:（1）发射结结正向偏偏置；（2）集电结结反向偏偏置。对于NPN型三极管管应满足足:UBE>0UBC<0即VC>VB>VE对于PNP型三极管管应满足足:UEB>0UCB<0即VC<VB<VE输出回路输入回路公共端EBRBIB三极管在在工作时时要加上上适当的的直流偏偏置电压压。若在放大大工作状状态：发射结正正偏：+UCE－＋UBE－＋UCB－集电结反反偏：由VBB保证由VCC、VBB保证UCB=UCE-UBE>0反偏共发射极接法c区b区e区共发射极极接法原原理图UBE>0正偏BJT内部的载载流子传传输过程程电流分配配关系三个电极极上的电电流关系系:IE=IC+IB定义：(1)IC与IE之间的关关系:所以:其值的大大小约为为0.9～0.99。共基直流流电流放放大系数数(2)IC与IB之间的关关系：联立以下下两式：得：所以：得：令：共射直流流电流放放大系数数IBUBE0UCE≥1V死区电压1.三极管的的输入特特性（共发射射极接法法）IB

=f(UBE)UCE=常数三、三三极管管的特性性曲线（1）uCE=0V时，相当当于两个个PN结并联。。（2）当uCE=1V时，集集电结已已进入反反偏状态态，开始始收集电电子，所所以基区区复合减减少，在在同一一uBE电压下，，iB减小。特特性曲线线将向右右稍微移移动一些些。（3）uCE≥1V再增加时，，曲线右移移很不明显显。死区电压硅0.5V锗0.1V导通压降硅0.7V锗0.3VIB=40µAIB=60µAUCE

0IC

IB增加IB

减小IB=20µAIB=

常数IC

=f

(UCE)2.三极管的输输出特性现以iB=60uA一条加以说说明。（1）当uCE=0V时，因集电电极无收集集作用，iC=0。（2）uCE↑→Ic↑。（3）当uCE＞1V后，收集电电子的能力力足够强。。这时，发发射到基区区的电子都都被集电极极收集，形形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不不变。同理，可作作出iB=其他值的曲曲线。1V输出特性曲曲线有三个个特点：IC/mAUCE/V0放大区三极管输出出特性上的的三个工作作区域IB=0µA20µA40µA截止区饱和区60µA80µA严格地说还还有一个击穿区饱和区——iC受uCE显著控制的的区域，该该区域内uCE＜0.7V。此时发射结结正偏，集集电结也正正偏。截止区——iC接近零的区区域，相当当iB=0的曲线的下下方。此时，发射射结反偏，，集电结反反偏。放大区——曲线基本平平行等距。此此时时，发发射结正正偏，，集电电结反偏偏。该区中中有：：饱和区区放大区区截止区区四、BJT的主要要参数数1.电流放放大系系数（2）共基基极电电流放放大系系数：：iCE△=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAI△BBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取取20~200之间2.31.5（1）共发发射极极电流流放大大系数数：直流（静态态）交流（动态态）2.极间反反向电电流（2）集电电极发发射极极间的的穿透透电流流ICEO基极开开路时时，集集电极极到发发射极极间的的电流流——穿透电电流。。其大小小与温温度有有关。。（1）集电电极基基极间间反向向饱和和电流流ICBO发射极极开路路时，，在其其集电电结上上加反反向电电压，，得到到反向向电流流。它实际际上就就是一个PN结的反反向电电流。。其大小小与温温度有有关。。锗管：：ICBO为微安安数量量级，，硅管：：ICBO为纳安安数量量级。。++ICBOecbICEO3.极限参参数Ic增加时时，要下降降。当当值下降到到线性性放大大区值的70％时，，所对对应的的集电电极电电流称称为集集电极极最大大允许许电流流ICM。（1）集电电极最最大允允许电电流ICM（2）集电电极最最大允允许功功率损损耗PCM集电极极电流流通过过集电电结时时所产产生的的功耗耗，PC=ICUCEPCM<PCM（3）反向向击穿穿电压压BJT有两个个PN结，其其反向向击穿穿电压压有以以下几几种：：①U（BR）EBO——集电极极开路路时，，发射射极与与基极极之间间允许许的最最大反反向电电压。。其值值一般般几伏伏～十十几伏伏。②U（BR）CBO——发射极极开路路时，，集电电极与与基极极之间间允许许的最最大反反向电电压。。其值值一般般为几几十伏伏～几几百伏伏。③U（BR）CEO——基极开开路时时，集集电极极与发发射极极之间间允许许的最最大反反向电电压。。在实际际使用用时，，还有有U（BR）CER、U（BR）CES等击穿穿电压压。--(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU0IB=0µµA20µA40µA60µA80µA由三极极管的的极限限参数数确定定安全全工作作区安全工作区过损耗区PCM曲线IC/mAUCE/VICEOICMU(BR)CEO半导体体三极极管的的型号号第二位位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管第三位位：X低频小小功率率管、、D低频大大功率率管、、G高频小小功率率管、、A高频大大功率率管、、K开关管管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管国家标标准对对半导导体器器件型型号的的命名名举例例如下下：3DG110B五、光光电三三极管管等效电电路符号外形光电三三极管管的输输出特特性曲曲线1.4场效应应管BJT是一种种电流流控制制元件件(iB~iC)，工作作时，，多数数载流流子和和少数数载流流子都都参与与运行行，所所以被被称为为双极极型器器件。。增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道FET分类：

绝缘栅场效应管结型场效应管场效应应管（（FieldEffectTransistor简称FET）是一一种电电压控控制器器件(uGS~iD)，工作作时，，只有有一种种载流流子参参与导导电，，因此此它是是单极极型器器件。。FET因其制造工工艺简简单，功耗小小，温度特特性好好，输入电电阻极极高等优点点，得得到了了广泛泛应用用。一.结型场场效应应管1.结型场场效应应管的的结构构（以以N沟为例例）：：两个PN结夹着着一个个N型沟道道。三三个电电极：：g：栅极极d：漏极极s：源极极符号：：N沟道P沟道两个高高掺杂杂P区接在在一起起2.结型场场效应应管的的工作作原理理（1）栅源源电压压对沟沟道的的控制制作用用在栅源源间加加负电压压uGS，令uDS=0①当uGS=0时，为为平衡衡PN结，导导电沟沟道最最宽。。②当│uGS│↑时，PN结反偏偏，耗耗尽层层变宽宽，导导电沟沟道变变窄，，沟道道电阻阻增大大。③当│uGS│↑到一定定值时时，，沟道道会完完全合合拢。。定义：：夹断电电压UP——使导电电沟道道完全全合拢拢（消消失））所需需要的的栅源源电压压uGS。（2）漏源源电压压对沟沟道的的控制制作用用在漏源源间加加电压压uDS，令uGS=0由于uGS=0，所以以导电电沟道道最宽宽。①当uDS=0时，iD=0。②uDS↑→iD↑→靠近漏漏极处处的耗尽尽层加加宽，，沟道道变窄窄，呈呈楔形形分布布。③当uDS↑，使uGD=uGS-uDS=UP时，在在靠漏漏极处处夹断断——预夹断断。预夹断断前，，uDS↑→iD↑。预夹断断后，，iDS↑→iD几乎不不变。。④uDS再↑，预夹夹断点点下移移。（3）栅源源电压压uGS和漏源源电压压uDS共同作用iD=f（uGS、uDS）,可用输输两组组特性性曲线线来描描绘。。结型场场效应应管工工作原原理动动画演演示（1）输出出特性性曲线线：iD=f（uDS）│uGS=常数3、结结型场场效应应三极极管的的特性性曲线线uGS=0VuGS=-1V设：UT=-3ViD受uGS控制四个区区：恒流区区的特特点：：△iD/△uGS=gm≈常数即：△iD=gm△uGS（放大大原理理）（a）可变变电阻阻区（（预夹夹断前前）。。（b）恒流流区也也称饱饱和区（预预夹断断后后）。。（c）夹断断区（（截止止区））。（d）击穿穿区。。可变电电阻区区恒流区区截止区区击穿区区（2）转移移特性性曲线线：iD=f（uGS）│uDS=常数可根据据输出出特性性曲线线作出出移特性性曲线线。例：作作uDS=10V的一条条转移特特性曲曲线：：P沟道结型场场效应应管的工作作原理理与N沟道结型场场效应应管完全相相同，，只不不过导导电的的载流流子不不同，，供电电电压压极性性不同同而已已。这这如同同双极极型三三极管管有NPN型和PNP型一样样。（请大大家自自学））3、P沟道结结型场场效应应管二.绝缘栅栅场效效应三三极管管绝缘栅栅型场场效应应管(MetalOxideSemiconductorFET)，简称称MOSFET。分为：：增强型型N沟道、、P沟道耗尽型型N沟道、、P沟道1.N沟道增增强型型MOS管（1））结构4个电极极：漏漏极D，源极S，栅极极G和衬衬底B。符号：：二氧化化硅绝绝缘层层通常将将衬底底与源极接接在一一起当uGS＞0V时→纵向电电场→将靠近近栅极极下方方的空空穴向向下排排斥→耗尽层层。（2）工作作原理理当uGS=0V时，漏漏源之之间相相当两两个背背靠背背的二二极极管，，在d、s之间加加上电电压也也不会会形成成电流流，即即管子子截止止。再增加加uGS→纵向电电场↑→将P区少子子电子子聚集集到P区表面面→形成导导电沟沟道，，如果果此时时加有有漏源源电压压，就就可以以形成成漏极极电流流id。①栅源电电压uGS的控制制作用用定义：：开启电电压（（UT）——刚刚产产生沟沟道所所需的的栅源电电压UGS,也记为为UGS(th)。N沟道增增强型型MOS管的基基本特特性：：uGS＜UT，管子子截止止，uGS＞UT，管子子导通通。uGS越大，，沟道道越宽宽，在在相同同的漏漏源电电压uDS作用下下，漏漏极电电流ID越大。。②漏源电电压uDS对漏极极电流流id的控制制作用用当uGS＞UT，且固固定为为某一一值时时，来来分析析漏源源电压VDS对漏极极电流流ID的影响响。（设UT=2V，uGS=4V）（a）uds=0时，id=0。（截止止区））（b）uds↑→id↑；同时沟沟道靠靠漏区区变窄窄。（可变变电阻阻区））（c）当uds增加到到使ugd=UT时，沟道靠靠漏区区夹断断，称称为预夹断断。（d）uds再增加加，预预夹断断区加长，，uds增加的的部分分基本本降落落在随随之加长的夹断断沟道道上，，id基本不不变。。（恒流流区））（3）特性性曲线线四个区区：（a）可变变电阻阻区（（预夹夹断前前）。。①输出特特性曲曲线：：iD=f(uDS)uGS=const（b）恒流流区也也称饱饱和区（预预夹断断后后）。。（c）夹断断区（（截止止区））。（d）击穿穿区。。可变电电阻区区恒流区区截止区区击穿区区iD受uGS控制②转移特特性曲曲线：iD=f(uGS)uDS=const可根据据输出出特性性曲线线作出出转移特特性曲曲线。例：作作uDS=10V的一条条转移特特性曲曲线：：UT一个重重要参参数——跨导gm：gm=iD/uGSuDS=const(单位mS)gm的大小小反映映了栅栅源电电压对对漏极极电流流的控控制作作用。。在转移移特性性曲线线上，，gm为的曲曲线的的斜率率。在输出出特性性曲线线上也也可求求出gm。2.N沟道耗耗尽型型MOSFET特点：：当uGS=0时，就就有沟沟道，，加入入uDS，就有iD。当uGS＞0时，，沟沟道道增增宽宽，，iD进一一步步增增加加。。当uGS＜0时，，沟沟道道变变窄窄，，iD减小小。。在栅栅极极下下方方的的SiO2层中中掺掺入入了了大大量量的的金金属属正正离离子子。所所以以当当uGS=0时，，这这些些正正离离子子已已经经感感应应出出反反型型层层，，形形成成了了沟沟道道。。定义义：：夹断断电电压压（（UP）———沟道道刚刚刚刚消消失失所所需需的的栅栅源源电电压压uGS，也记记为为uGS(off)。N沟道道耗耗尽尽型型MOSFET的特性性