电子教案模拟电子技术第一章半导体器件

第

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章半导体器件1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管1.3二极管电路的分析方法1.4特殊二极管小结1.5双极型半导体三极管1.6场效应管1.1半导体的基础知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3PN结1.1.1

本征半导体半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子

—自由运动的带电粒子。共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。硅(锗)的原子结构简化模型惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动本征激发：复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动

结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；

2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；

3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。1.1.2杂质半导体一、N型半导体和P型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数

电子数1.1.2杂质半导体一、N型半导体和P型半导体P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子电子—少子载流子数

空穴数二、杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN型半导体I

INP型半导体

I

IP三、P型、N型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数载流子1.1.3PN结一、PN结结(PNJunction)的形成1.载流流子的浓度差引起多子的的扩散2.复合合使交界面面形成空间电电荷区(耗尽层)空间电荷区区特点:无载流子，，阻止扩散进进行，利于少子的的漂移。内建电场3.扩散散和漂移达达到动态平衡扩散电流等等于漂移移电流，总电流I=0。二、PN结结的单向向导电性1.外加加正向电压(正向偏置)—forwardbiasP区N区内电场外电场外电场使多多子向PN结移移动,中和部分离离子使空间电荷荷区变窄。。IF限流电阻扩散运动加加强形成正正向电流IF。IF=I多子I少子I多子2.外加加反向电压(反向偏置置)—reversebiasP

区N

区内电场外电场外电场使少少子背离PN结结移动，空间电荷区区变宽。IRPN结的的单向导电电性：正偏偏导通，呈呈小电阻，，电流较大大;反偏截止，，电阻很大大，电流近近似为零。。漂移运动加加强形成反反向电流IRIR=I少子0三、PN结结的伏安安特性反向饱和电电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常常数当T=300(27C)：UT=26mVOu

/VI

/mA正向特性反向击穿加正向电压压时加反向电压压时i≈–IS1.2半导体二极极管1.2.1半导导体二极管管的结构和和类型1.2.2二极管管的伏安特特性1.2.3二极极管的主要要参数1.2.1半导导体二极管管的结构和和类型构成成：：PN结结+引引线线+管管壳壳=二二极极管管(Diode)符号号：：A(anode)C(cathode)分类类：：按材材料料分分硅二二极极管管锗二二极极管管按结结构构分分点接接触触型型面接接触触型型平面面型型点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金正极

引线负极

引线集成电路中平面型PNP型支持衬底1.2.2二二极极管管的的伏伏安安特特性性一、、PN结结的的伏伏安安方方程程反向向饱饱和和电电流流温度度的的电压压当当量量电子子电电量量玻尔尔兹兹曼曼常常数数当T=300(27C)：UT=26mV二、二二极管管的伏伏安特特性OuD/ViD/mA正向特特性Uth死区电压iD=0Uth=0.5V0.1V(硅管管)(锗管管)UUthiD急剧上上升0UUthUD(on)=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V锗管0.2V反向特特性ISU(BR)反向击击穿U(BR)U0iD=IS<0.1A(硅)几十A(锗)U<U(BR)反向电电流急急剧增增大(反向向击穿穿)反向击击穿类类型：：电击穿穿热击穿穿反向击击穿原原因：齐纳击击穿：(Zener)反向电电场太太强，，将电电子强强行拉拉出共共价键键。(击穿电电压<6V，负温度系系数)雪崩击击穿：：反向电电场使使电子子加速速，动动能增增大，，撞击击使自由由电子子数突突增。。—PN结结未未损坏坏，断断电即即恢复复。—PN结结烧烧毁。。(击穿电电压>6V，正正温度系系数)击穿电电压在在6V左右时时，温温度系系数趋趋近零零。硅管的的伏安安特性性锗管的的伏安安特性性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020温度对对二极极管特特性的的影响响604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90CT升高时时，UD(on)以(22.5)mV/C下降1.2.3二二极管管的主主要参参数1.IF—最大整整流电电流(最大大正向向平均均电流流)2.URM—最高反反向工工作电电压，为U(BR)/23.IR—反向电电流(越小小单向向导电电性越越好)4.fM—最高工工作频频率(超过过时单单向导导电性性变差差)iDuDU(BR)IFURMO影响工工作频频率的的原因因——PN结结的的电容容效应应结论：：1.低低频频时，因因结电电容很很小，，对PN结结影响响很小小。高频时，因因容抗抗增大大，使使结电容容分流流，导致单向导电性性变差差。2.结结面面积小小时结结电容容小，，工作作频率率高。。1.3二极管管电路路的分析方方法1.3.1理理想想二极极管及及二极极管特性的的折线线近似似1.3.2图图解解法和和微变变等效效电路路法1.3.1理理想想二极极管及及二极极管特特性的的折线线近似似一、理理想二二极管管特性uDiD符号及及等效模模型SS正偏导导通，，uD=0；反反偏截截止，，iD=0U(BR)=二、二二极管管的恒恒压降降模型型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)三、二二极管管的折折线近近似模模型uDiDUD(on)UI斜率1/rDrD1UD(on)UD(on)例1.3.1硅二极极管，，R=2k，分别别用二二极管管理想想模型型和恒恒压降降模型型求出出VDD=2V和和VDD=10V时时IO和UO的值。。[解]VDD=2V理想IO=VDD/R=2/2=1(mA)UO=VDD=2V恒压降降UO=VDD–UD(on)=20.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2=0.65(mA)VDD=10V理想IO=VDD/R=10/2=5(mA)恒压降降UO=100.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)VDD大，采用理理想模模型VDD小，采用恒恒压降降模型型例1.3.2试求电路中中电流I1、I2、IO和输出电压压UO的值。解：假设二二极管管断开开UP=15VUP>UN二极管管导通通等效为为0.7V的的恒压压源PNUO=VDD1UD(on)=150.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3=4.8(mA)I2=(UOVDD2)/R=(14.312)/1=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)例1.3.3二极管构构成“门门”电路路，设V1、V2均为理想想二极管管，当输输入电压压UA、UB为低电压压0V和和高电压压5V的的不同组组合时，，求输出出电压UO的值。。0V正偏导通5V正偏导通0V输入电压理想二极管输出电压UAUBV1V20V0V正偏导通正偏导通0V0V5V正偏导通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏导通0V5V5V正偏导通正偏导通5V例1.3.4画出硅硅二极极管构构成的的桥式式整流流电路路在ui=15sint(V)作用下下输出出uO的波形形。(按理理想模模型)Otui

/V15RLV1V2V3V4uiBAuOOtuO/V15若有条条件，，可切切换到到EWB环环境观观察桥桥式整整流波波形。。例1.3.5ui=2sint(V)，，分析析二极极管的的限幅幅作用用。ui较小，，宜采采用恒恒压降降模型型ui<0.7VV1、V2均截止止uO=uiuO=0.7Vui0.7VV2导通V１截止ui<0.7VV1导通V2截止uO=0.7V思考题题:V1、V2支路各各串联联恒压压源，，输出出波形形如何何？(可切至EWB)OtuO/V0.7Otui

/V20.71.3.2图图解解法和和微变变等效效电路路法一、二二极管管电路路的直直流图图解分分析uD=VDDiDRiD=f(uD)1.2V100iD

/mA128400.30.6uD/V1.20.9MN直流负载线斜率1/R静态工作点斜率1/RDiDQIQUQ也可取UQ=0.7VIQ=(VDDUQ)/R=5(mA)二极管直流电电阻RDiD

/mAuD/VO二、交流图解解法电路中含直流流和小信号交交流电源时,二极管中含交、直流成分C隔直流通交流当ui=0时iD=IQUQ=0.7V(硅)，0.2V(锗)设ui=sinwtVDDVDD/RQIQwtOuiUQ斜率1/rdiD

/mAuD/VOVDDVDD/RQIQwtOuiUQiD

/mAwtOid斜率1/rdrd=UT/IQ=26mV/IQ当ui幅度较小时，，二极管伏安特特性在Q点附近近似为为直线uiudRidrd三、微变等效效电路分析法法对于交流信号号电路可等效为为例1.3.6ui=5sint(mV)，VDD=4V，，R=1k，求iD和uD。[解]1.静态分分析令ui=0，取UQ0.7VIQ=(VDDUQ)/R=3.3mA2.动态分分析rd=26/IQ=26/3.38()Idm=Udm/rd=5/80.625(mA)id=0.625sint3.总电压压、电流=(0.7+0.005sint)V=(3.3+0.625sint)mA1.4特殊二极管1.4.1稳稳压二极极管1.4.2光光电二极极管1.4.1稳稳压二二极管一、伏安特性性符号工作条件：反向击穿iZ/mAuZ/VOUZIZminIZmaxUZIZIZ特性二、主要参数数1.稳定电压UZ流过规定电流流时稳压管两端的反向电电压值。2.稳定电流IZ越大稳压效果果越好，小于Imin时不稳压。3.最大工作电流流IZM最大耗散功率率PZMPZM=UZIZM4.动态电阻rZrZ=UZ/IZ越小稳压效果果越好。几几十5.稳定电压温度度系数CT一般，UZ<4V，，CTV<0(为齐纳击穿穿)具有负温度系系数；UZ>7V，，CTV>0(为雪崩击穿穿)具有正温度系系数；4V<UZ<7V，CTV很小。例1.4.1分析简单稳稳压电路的的工作原理理，R为限流电阻阻。IR=IZ+ILUO=UI–IRRUIUORRLILIRIZ1.4.2发光光二极管与与光敏二极极管一、发光二二极管LED(LightEmittingDiode)1.符号号和特性工作条件：：正向偏置一般工作电电流几十mA，导通电压(12)V符号u/Vi

/mAO2特性2.主要要参数电学参数：：IFM，U(BR)，IR光学参数：：峰值波长P，亮度L，光通量发光类型：：可见光：红、黄、绿绿显示类型：：普通LED，不可见光：：红外光点阵LED七段LED,二、光敏二二极管1．符号和和特性符号特性uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：：反向偏置2.主要要参数电学参数：：暗电流，光光电流，最最高工作范范围光学参数：：光谱范围，，灵敏度，，峰值波长长实物照片补充：选择二极管管限流电阻阻步骤：1.设定定工作电压压(如0.7V；2V(LED)；UZ)2.确确定工作电流(如1mA；10mA；；5mA)3.根根据欧姆定定律求电阻阻R=(UIUD)/ID(R要选择标称称值)1.5双双极型半导体三极管1.5.1晶体体三极管1.5.2晶体体三极管的的特性曲线线1.5.3晶体体三极管的的主要参数数(SemiconductorTransistor)1.5.1晶体体三极管一、结构、、符号和分分类NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区区—集电区区emitterbasecollectorNPN型型PPNEBCPNP型型ECBECB分类：按材料分：：硅管、锗管管按功率分：：小功率管<500mW按结构分：：NPN、PNP按使用频率率分：低频管、高高频管大功率管>1W中功率管0.51W二、电流放放大原理1.三极极管放大的的条件内部条件发射区掺杂杂浓度高基区薄且掺掺杂浓度低低集电结面积积大外部条件发射结正偏偏集电结反偏偏2.满足足放大条件件的三种电电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极实现电路:3.三极极管内部载载流子的传传输过程1)发射区向基基区注入多多子电子，形成发射射极电流流IE。ICN多数向BC结结方向向扩散形形成ICN。IE少数与空空穴复合合，形成成IBN。IBN基区空穴来源基极电源源提供(IB)集电区少少子漂移移(ICBO)ICBOIBIBNIB+ICBO即：IB=IBN–ICBO2)电子到达达基区后后(基区空空穴运动动因浓度度低而忽忽略)ICNIEIBNICBOIB3)集电区收收集扩散散过来的载流流子形成成集电极电流流ICICIC=ICN+ICBO4.三三极管的的电流分分配关系系当管子制制成后，，发射区区载流子子浓度、、基区宽宽度、集集电结面面积等确确定，故故电流的的比例关关系确定定，即：：IB=IBNICBOIC=ICN+ICBO穿透电流流IE=IC+IB1.5.2晶晶体三三极管的的特性曲曲线一、输入入特性输入回路输出回路与二极管管特性相相似O特性基本本重合(电电流分配配关系确确定)特性右移移(因集电电结开始始吸引电电子)导通电压压UBE(on)硅管：(0.60.8)V锗管：(0.20.3)V取0.7V取0.2V二、输出出特性iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321截止区：：IB0IC=ICEO0条件：两个结反反偏截止区ICEOiC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212.放放大区：：放大区截止区条件：发射结正正偏集电结反反偏特点：水平、等等间隔ICEOiC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843213.饱饱和区：：uCEuBEuCB=uCEuBE0条件：两个结正正偏特点：ICIB临界饱和和时：uCE=uBE深度饱和和时：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(锗管)放大区截止区饱和区ICEO三、温度度对特性性曲线的的影响1.温温度升升高，输输入特性性曲线向左移。。温度每升升高1C，UBE(22.5)mV。温度每升升高10C，ICBO约增大1倍倍。OT2>T12.温温度升高高，输出出特性曲曲线向上移。。iCuCET1iB=0T2>iB=0iB=0温度每升升高1C，(0.51)%。输出特性性曲线间间距增大大。O1.5.3晶晶体三三极管的的主要参参数一、电流流放大系系数1.共共发射极极电流放放大系数数iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321—直流流电流放放大系数数—交流流电流放放大系数数一般为几几十几百QiC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212.共共基极电电流放大大系数1一一般在0.98以以上。Q二、极间间反向饱饱和电流流CB极间反向饱饱和电流流ICBO，CE极间反向饱饱和电流流ICEO。三、极限限参数1.ICM—集电电极最大大允许电电流，超超过时值明显降降低。2.PCM—集电电极最大大允许功功率损耗耗PC=iCuCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区U(BR)CBO—发射射极开路路时C、B极间反向击击穿电压压。3.U(BR)CEO—基极极开路时时C、、E极间反向击击穿电压压。U(BR)EBO—集电极极极开路时时E、B极间反向击穿穿电压。U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO(P342.1.7)已知:ICM=20mA,PCM=100mW，，U(BR)CEO=20V，当UCE=10V时时，IC<mA当UCE=1V，则则IC<mA当IC=2mA，，则UCE<V1020201.6场场效应管引言1.6.1结型型场效应管管1.6.3场效效应管的主主要参数1.6.2MOS场效效应管引言场效应管FET(FieldEffectTransistor)类型：结型JFET(JunctionFieldEffectTransistor)绝缘栅型IGFET(InsulatedGateFET)特点：1.单极极性器件(一种载流子子导电)3.工艺艺简单、易易集成、功功耗小、体积小、成成本低2.输入入电阻高(1071015，IGFET可高高达1015)1.6.1结型型场效应管管1.结构构与符号N沟道JFETP沟道JFET2.工作作原理uGS0，uDS>0此时uGD=UGS(off)；沟道楔型耗尽层刚相相碰时称预夹断。预夹断当uDS，预夹断点下移。3.转移移特性和输输出特性UGS(off)当UGS(off)uGS0时时,uGSiDIDSSuDSiDuGS=–3V–2V–1V0V–3VOO一、增强型型N沟道MOSFET(MentalOxideSemi—FET)1.6.2MOS场效效应管1.结构构与符号P型衬底(掺杂浓度度低)N+N+用扩散的方方法制作两个N区在硅片表面面生一层薄薄SiO2绝缘层SD用金属铝引引出源极S和和漏极DG在绝缘层上上喷金属铝铝引出栅极极GB耗尽层S—源极SourceG—栅极GateD—漏极DrainSGDB2.工作作原理1)uGS对导电沟道道的影响(uDS=0)反型层(沟道)1)uGS对导电沟道道的影响(uDS=0)a.当UGS=0，DS间间为两个背背对背的PN结结；b.当0<UGS<UGS(th)(开启电压)时，GB间的垂直电场吸引引P区中电子形形成离子区区(耗尽层)；c.当uGSUGS(th)时，衬底中中电子被吸吸引到表面面，形成导电沟沟道。uGS越大沟道越厚。。2)uDS对iD的影响(uGS>UGS(th))DS间的的电位差使使沟道呈楔楔形，uDS，靠近漏极极端的沟道道厚度变薄薄。预夹断(UGD=UGS(th))：漏极附近反反型层消失失。预夹断发生生之前：uDSiD。预夹断发生生之后：uDSiD不变。3.转移移特性曲线线2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)当uGS>UGS(th)时：uGS=2UGS(th)时的iD值开启电压O4.输输出出特性性曲线线可变电电阻区区uDS<uGSUGS(th)uDSiD，直到到预夹夹断饱和(放大大区)uDS，iD不变uDS加在耗耗尽层层上，，沟道道电阻阻不变变截止区区uGSUGS(th)全夹断断iD=0iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止区区饱和区区可变电阻区放大区区恒流区区O二、耗耗尽型型N沟沟道MOSFETSGDBSio2绝缘层层中掺掺入正正离子子在uGS=0时时已形形成沟沟道；；在DS间间加正正电压压时形形成iD，uGSUGS(off)时，全全夹断断。二、耗耗尽型型N沟沟道MOSFET输出特特性uGS/ViD/mA转移特特性IDSSUGS(off)夹断电压饱和漏漏极电流流当uGSUGS(off)时，uDS/ViD/mAuGS=4V2V0V2VOO三、P沟沟道MOSFET增强型型耗尽型型SGDBSGDBN沟道增强型型SGDBiDP沟道增强型型SGDBiD2–2OuGS/ViD/mAUGS(th)SGDBiDN沟道耗耗尽型iDSGDBP沟道耗耗尽型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–5O5FET符号、、特性性的比比较OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN沟道结结型SGDiDSGDiDP沟道结结型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5V1.6.3场场效效应管管的主主要参参数开启电电压UGS(th)(增强强型)夹断电电压UGS(off)(耗尽尽型)指uDS=某某值，，使漏漏极电流iD为某一一小电电流时时的uGS值。UGS(th)UGS(off)2.饱和漏漏极电电流IDSS耗尽型型场效效应管管，当当uGS=0时时所对对应的的漏极极电流流。IDSSuGS/ViD/mAOUGS(th)UGS(off)3.直流输输入电电阻RGS指漏源源间短短路时时，栅栅、源源间加加反向电电压呈呈现的的直流流电阻阻。JFET：：RGS>107MOSFET：：RGS=1091015IDSSuGS/ViD/mAO4.低频跨跨导gm反映了了uGS对iD的控制制能力力，单位S(西门门子)。一般般为几几毫西(mS)uGS/ViD/mAQOPDM=uDSiD，受温温度限限制。。5.漏源动动态电电阻rds6.最最大大漏极极功耗耗PDM小结结第1章一、两两种半半导体体和两两种载载流子子两种载载流子的运运动电子—自自由电电子空穴—价价电子子两种种半导体体N型型(多电电子)P型(多空空穴)二、二极管管1.特特性性—单向导电正向电电阻小小(理想为为0)，反向电电阻大大()。iDO

uDU(BR)IFURM2.主主要要参数数正向——最最大平平均电电流IF反向——最大反反向工工作电电压U(BR)(超过则则击穿穿)反向饱饱和电电流IR(IS)(受温度度影响响)IS3.二二极极管的的等效效模型型理想模模型(大信信号状状态采采用)uDiD正偏导导通电电压降降为零零相相当当于理理想开开关闭闭合反偏截截止电电流为为零相相当于于理想想开关关断开开恒压降降模型型UD(on)正偏电电压UD(on)时导通通等等效效为恒恒压源源UD(on)否则截截止，，相当当于二二极管管支路路断开开UD(on)=(0.60.8)V估算时时取0.7V硅管：：锗管：：(0.10.3)V0.2V折线近近似模模型相当于于有内内阻的的恒压压源UD(on)4.二二极极管的的分析析方法法图解法法微变等等效电电路法法5.特特殊二二极管管工作条条件主要用用途稳压二二极管管反偏偏稳压压发光二二极管管正偏偏发光光光敏二二极管管反偏偏光电转转换三、两两种半半导体体放大大器件件双极型型半导导体三三极管管(晶体三三极管管BJT)单极型型半导导体三三极管管(场效应应管FET)两种载载流子子导电电多数载载流子子导电电晶体三三极管管1.形形式式与结结构NPNPNP三区、、三极极、两两结2.特特点点基极电电流控控制集集电极极电流流并实实现放大放大条件内因：：发射射区载载流子子浓度度高、、基区薄薄、集集电区区面积积大外因：：发射结结正偏偏、集集