模拟电子技术基础简明教程(第三版)第一章.ppt

1、第一章半导体器件,1.1半导体的特性,1.2半导体二极管,1.3双极型三极管(BJT),1.4场效应三极管,1.1半导体的特性,1.导体：电阻率109cm物质。如橡胶、塑料等。,3.半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。,半导体导电性能是由其原子结构决定的。,硅原子结构,图1.1.1硅原子结构,(a)硅的原子结构图,最外层电子称价电子,锗原子也是4价元素,4价元素的原子常常用+4电荷的正离子和周围4个价电子表示。,(b)简化模型,1.1.1本征半导体,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,将硅或锗材料提纯便

2、形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,图1.1.2单晶体中的共价键结构,当温度T=0K时，半导体不导电，如同绝缘体。,图1.1.3本征半导体中的自由电子和空穴,自由电子,空穴,若T，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,动画,1.半导体中两种载流子,2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。,3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示，显然ni=pi。,4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温

3、度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。,5.载流子的浓度与温度或光照密切相关，它随着温度的升高或光照的增强，基本按指数规律增加。,1.1.2杂质半导体,其原因是掺入杂质后使某种载流子的浓度大大增强。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体(或称电子型半导体)。使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体(或称空穴半导体)。,在本征半导体掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能大大增强。,一、N型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。,常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。,本征半导体掺入5价元素后，原来晶体中的

4、某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。,N型半导体中的载流子是什么？,3、自由电子浓度远大于空穴的浓度，即np。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。,、由施主原子提供的自由电子，与施主原子的浓度相同,2、由热激发产生的成对的自由电子和空穴。,二、P型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。,空穴浓度多于电子浓度，即pn。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。,3价杂质原子称为受主原子。,受主原子,空穴,图1.1.5P型半导体的晶

5、体结构,说明：,1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。,3.杂质半导体总体上保持电中性。,4.杂质半导体的表示方法如下图所示。,2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,(a)N型半导体,(b)P型半导体,图1.1.6杂质半导体的的简化表示法,1.2半导体二极管,1.2.1PN结及其单向导电性,在一块半导体基片上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。,图1.2.1PN结的形成,一、PN结中载流子的运动,耗尽层,1.扩散运动,2.扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多

6、数载流子的扩散运动。,PN结，耗尽层。,图1.2.1,3.空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差UD电位壁垒；内电场；内电场阻止多子的扩散阻挡层。,4.漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,图1.2.1(b),动画,5.扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流,空间电荷区的宽度约为几微米几十微米；,等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与,漂移运动达到动态平衡。,电压壁垒UD，硅材料约为(0.60.8)V,锗材料约为(0.20.3)V。,二、P

7、N结的单向导电性,1.PN外加正向电压,又称正向偏置，简称正偏。,图1.2.2,在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。,2.PN结外加反向电压(反偏),反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；,外电场使空间电荷区变宽；,不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流I；,由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,图1.2.3反相偏置的PN结,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。,动画,综上所述：当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态

8、；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。,1.2.2二极管的伏安特性,将PN结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从P区和N区分别焊出两根引线作正、负极。,二极管的结构：,(a)外形图,半导体二极管又称晶体二极管。,(b)符号,图1.2.4二极管的外形和符号,半导体二极管的类型：,按PN结结构分：有点接触型和面接触型二极管。点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。面接触型二极管PN结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。,按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变

9、容二极管等。,按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。,二极管的伏安特性,在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I=f(U)之间的关系曲线。,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,图1.2.4二极管的伏安特性,1.正向特性,当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。,相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管约0.5V左右，锗管约0.1V左右。,正向特性,死区电压,当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。,2.反向特性,当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；,二极管加反向电压，反向电流很小；,如果反向电压继续升高，大到一定数值

10、时，反向电流会突然增大；,这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。,击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。,3.伏安特性表达式(二极管方程),IS：反向饱和电流UT：温度的电压当量在常温(300K)下，UT26mV,二极管加反向电压，即UUT，则I-IS。,二极管加正向电压，即U0，且UUT，则，可得，说明电流I与电压U基本上成指数关系。,结论：,二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。,从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于

11、非线性器件。,1.2.3二极管的主要参数,1.最大整流电流IF,二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。,2.最高反向工作电压UR,工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压UBR的一半定义为UR。,3.反向电流IR,通常希望IR值愈小愈好。,4.最高工作频率fM,fM值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。,*1.2.4二极管的电容效应,当二极管上的电压发生变化时，PN结中储存的电荷量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。,电容效应包括两部分,势垒电容,扩散电容,1.势垒电容,是由PN结的空间电荷区变化形成的。,(a)PN结加正向电压,（b)

12、PN结加反向电压,动画,空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。,势垒电容的大小可用下式表示：,由于PN结宽度l随外加电压U而变化，因此势垒电容Cb不是一个常数。其Cb=f(U)曲线如图示。,：半导体材料的介电比系数；S：结面积；l：耗尽层宽度。,2.扩散电容Cd,是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。,在某个正向电压下，P区中的电子浓度np(或N区的空穴浓度pn)分布曲线如图中曲线1所示。,x=0处为P与N区的交界处,当电压加大，np(或pn)会升高，如曲线2所示(反之浓度会降低)。,当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。,正向电压时，变化载流子积累电荷

13、量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程扩散电容效应。,图1.2.9,综上所述：,PN结总的结电容Cj包括势垒电容Cb和扩散电容Cd两部分。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为CjCd；当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为CjCb。,Cb和Cd值都很小，通常为几个皮法几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。,1.2.5稳压管,一种特殊的面接触型半导体硅二极管。,稳压管工作于反向击穿区。,(b)稳压管符号,(a)稳压管伏安特性,图1.2.10稳压管的伏安特性和符号,稳压管的参数主要有以下几项：,1.稳定电压UZ,3.动态电阻rZ,2.稳定电流IZ,稳压管工作在反

14、向击穿区时的稳定工作电压。,正常工作的参考电流。IIZ，只要不超过额定功耗即可。,rZ愈小愈好。对于同一个稳压管，工作电流愈大，rZ值愈小。,IZ=5mArZ16IZ=20mArZ3,IZ/mA,4.电压温度系数U,稳压管的参数主要有以下几项：,稳压管电流不变时，环境温度每变化1引起稳定电压变化的百分比。,(1)UZ7V,U0；UZ4V，U0；(2)UZ在47V之间，U值比较小，性能比较稳定。2CW17：UZ=910.5V，U=0.09%/2CW11：UZ=3.24.5V，U=-(0.050.03)%/,(3)2DW7系列为温度补偿稳压管，用于电子设备的精密稳压源中。,2DW7系列稳压管结构,

15、(a)2DW7稳压管外形图,(b)内部结构示意图,管子内部包括两个温度系数相反的二极管对接在一起。,温度变化时，一个二极管被反向偏置，温度系数为正值；而另一个二极管被正向偏置，温度系数为负值，二者互相补偿，使1、2两端之间的电压随温度的变化很小。例：2DW7C，U=0.005%/,图1.2.122DW7稳压管,5.额定功耗PZ,额定功率决定于稳压管允许的温升。,PZ=UZIZ,PZ会转化为热能，使稳压管发热。,电工手册中给出IZM，IZM=PZ/UZ,例求通过稳压管的电流IZ等于多少？R是限流电阻，其值是否合适？,IZIZM，电阻值合适。,解,使用稳压管需要注意的几个问题：,图1.2.13稳压

16、管电路,1.外加电源的正极接管子的N区，电源的负极接P区，保证管子工作在反向击穿区；,2.稳压管应与负载电阻RL并联；,3.必须限制流过稳压管的电流IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。,1.3双极型三极管(BJT),又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。,(BipolarJunctionTransistor),三极管的外形如下图所示。,三极管有两种类型：NPN和PNP型。主要以NPN型为例进行讨论。,图1.3.1三极管的外形,真空二极管1904年,J.Fleming英国,1.3.1三极管的结构,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。,图1.3.2三极管的结构,(a)平面型

17、(NPN),(b)合金型(PNP),e发射极，b基极，c集电极。,平面型(NPN)三极管制作工艺,在N型硅片(集电区)氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成P型(基区)，再在P型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散形成N型的发射区。引出三个电极即可。,合金型三极管制作工艺：在N型锗片(基区)两边各置一个铟球，加温铟被熔化并与N型锗接触，冷却后形成两个P型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。,图1.3.3三极管结构示意图和符号(a)NPN型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极c,基极b,发射极e,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极c,发射极e,基极b,1.3.2三极管的放大作用和

18、载流子的运动,以NPN型三极管为例讨论,图1.3.4三极管中的两个PN结,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,LeedeForest1873-1961电子管之父美国1906年,三极管内部结构要求：,1.发射区高掺杂。,2.基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。,三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。,3.集电结面积大。,三极管中载流子运动过程,1.发射发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区形成发射极电流IE(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。,2.复合和扩散电

19、子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流Ibn，复合掉的空穴由VBB补充。,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,图1.3.5三极管中载流子的运动,三极管中载流子运动过程,3.收集集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流Icn。其能量来自外接电源VCC。,另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。,图1.3.5三极管中载流子的运动,三极管的电流分配关系,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,IC=ICn+ICBO,IE=ICn+IBn+IEp=IEn+IEp,一般要求ICn在IE中占的比例尽量大。而二者之

20、比称直流电流放大系数，即,一般可达0.950.99,动画,三个极的电流之间满足节点电流定律，即,IE=IC+IB,代入(1)式，得,上式中的后一项常用ICEO表示，ICEO称穿透电流。,当ICEOIC时，忽略ICEO，则由上式可得,共射直流电流放大系数近似等于IC与IB之比。一般值约为几十几百。,电子三极管德弗雷斯特,三极管的电流分配关系,一组三极管电流关系典型数据,1.任何一列电流关系符合IE=IC+IB，IB0时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。,UCEUBE，三极管处于放大状态。,*特性右移(因集电结开始吸引电子),UCE1时的输入特性具有实用意义。,*UCE1V，特

21、性曲线重合。,图1.3.6三极管共射特性曲线测试电路,图1.3.8三极管的输入特性,二、输出特性,图1.3.9NPN三极管的输出特性曲线,划分三个区：截止区、放大区和饱和区。,放大区,放大区,1.截止区IB0的区域。,两个结都处于反向偏置。,IB=0时，IC=ICEO。硅管约等于1A，锗管约为几十几百微安。,截止区,截止区,2.放大区：,条件：发射结正偏集电结反偏,特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。,二、输出特性,放大区,集电极电流和基极电流体现放大作用，即,放大区,放大区,对NPN管UBE0，UBC0UBC0。,特点：IC基本上不随IB而变化，在饱和区三极管失去放大作用

22、。ICIB。,当UCE=UBE，即UCB=0时，称临界饱和，UCEUBE时称为过饱和。,饱和管压降UCES0.4V(硅管)，UCES0，在栅源间加负电源VGG，观察UGS变化时耗尽层和漏极ID。,UGS=0，UDG，ID较大。,UGS0，UDG0时，耗尽层呈现楔形。,(a),(b),UGS|UP|,ID0,夹断,(1)改变UGS，改变了PN结中电场，控制了ID，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,(c),(d),动画,三、特性曲线,1.转移特性(N沟道结型场效应管为例),图1.4.6转移特性,UGS=0，ID最大；

23、UGS愈负，ID愈小；UGS=UP，ID0。,两个重要参数,饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的ID),夹断电压UP(ID=0时的UGS),英特尔的元老葛洛夫,1.转移特性,2.输出特性,当栅源之间的电压UGS不变时，漏极电流ID与漏源之间电压UDS的关系，即,结型场效应管转移特性曲线的近似公式：,恒流区,可变电阻区,漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。,2.输出特性,图1.4.6(b)漏极特性,动画,场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。,UDS=常数,UDS=15V,结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达107以上。如希望

24、得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。,图1.4.7在输出特性上用作图法求转移特性,动画,1.4.2绝缘栅型场效应管,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。,特点：输入电阻可达109以上。,类型,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,一、N沟道增强型MOS场效应管,1.结构,B,G,S,D,源极S,漏极D,衬底引线B,栅极G,图1.4.8N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图,动画,2.工作原理,绝缘栅场效应管利用UGS来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。,工作原理分析,(1)UGS=0,漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。,(2)UDS=0，0UGSUT，UGDUT,(b)UGD=UT,(c)UGDV阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=6V否则，UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,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。,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=6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=12VUD1