《模拟电子技术(童诗白)》课件.ppt
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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 双极型晶体管,1.4 场效应管,1.熟悉P型、N型半导体的基本结构及特性;2.掌握PN结的单向导电性。,1.P型、N型半导体的形成和电结构特点;2.PN结的正向和反向导电特性。,1.1 半导体基础知识,学习目标:,学习重点:,1.1 半导体基础知识一、本征半导体,1、半导体,纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,根据材料的导电能力,可以将他们划分为导体、绝缘体和半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge,它们都是四价元素。,硅原子,锗原子,下一页,上一页,章目录,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,晶体结构是指
2、晶体的周期性结构。即晶体以其内部原子、离子、分子在空间作三维周期性的规则排列为其最基本的结构特征,空穴,自由电子,2、本征半导体的晶体结构,(1)共价键:相邻两个原子共用一对最外层电子(价电子)的组合称为共价键。,(2)束缚电子:共价键中的价电子受共价键的束缚。,(3)自由电子:共价键中的电子获得一定能量(热能)后,挣脱共价键的束缚(本征激发),形成自由电子。,(4)空穴:电子挣脱共价键的束缚形成自由电子后,共价键中留下一个空位,称为空穴。空穴带正电。,下一页,上一页,章目录,共价键,束缚电子,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子运动方向与空穴运动方向相反。,3、本征
3、半导体中的两种载流子,载流子:能够自由移动的带电粒子。,4、本征半导体中载流子的浓度,本征激发:半导体在受热或光照下产生“电子空穴对”的现象称为本征激发。,复合:自由电子填补空穴,使两者消失的现象称为复合。,动态平衡:在一定温度下,本征激发产生的“电子空穴对”,与复合的“电子空穴对”数目相等,达到动态平衡。在一定温度下,载流子的浓度一定。,下一页,上一页,章目录,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,下一页,上一页,章目录,本征半导体载流子浓度为:,T=300K时,本征半导体中载流子的浓度比较低,导电能力差。Si:1.431010cm-3 Ge:2.381013cm-3,T:热
4、力学温度;,k:玻耳兹曼常数(8.6310-5eV/K);,K1:与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量。(Si:3.871016cm-3K-3/2,Ge:1.761016cm-3K-3/2);,EGO:热力学零度时破坏共价键所需的能量,又称禁带宽度(Si:1.21eV,Ge:0.785eV);,自由电子,施主离子,电子空穴对,自由电子,二、杂质半导体,1、N型半导体,下一页,上一页,章目录,掺入微量杂质,可使半导体导电性能大大增强。按掺入杂质元素不同,可形成N型半导体和P型半导体。,在本征半导体中掺入微量五价元素。,硅原子,多余电子,磷原子,多数载流子-自由电子 少数载流子-空穴
5、,受主离子,电子空穴对,空穴,2、P型半导体,下一页,上一页,章目录,在本征半导体中掺入微量三价元素。,硅原子,空位,硼原子,多数载流子-空穴 少数载流子自由电子,空穴,1.在杂质半导体中多子的数量与(a.掺杂浓度、b.温度)有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与(a.掺杂浓度、b.温度)有关。,3.当温度升高时,少子的数量(a.减少、b.不变、c.增多)。,a,b,c,4.在外加电压的作用下,P 型半导体中的电流主要是,N 型半导体中的电流主要是。(a.电子电流、b.空穴电流),b,a,三、PN结,1、PN结的形成,下一页,上一页,章目录,形成过程:,P型和N型半导体结合,扩散运动,内电场建
6、立,阻碍扩散运动促使漂移运动,动态平衡,形成空间电荷区,PN结形成,多子浓度差,空间电荷区,耗尽层,N区,P区,内电场,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,自由电子,空穴,2、PN结的单向导电性,(1)PN结上加正向电压,下一页,上一页,章目录,空间电荷区,N区,P区,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,内电场,外电场,外电场将载流子推入空间电荷区,抵消一部分空间电荷,使空间电荷区变窄,削弱内电场;,扩散运动增强,漂移运动减弱,平衡被打破,扩散运动大于漂移运动;,在电源的作用下,扩散运动不断进行,形成正向电流,PN结处于导通状态。,I,(2)PN结上加反向电压,下一页,
7、上一页,章目录,空间电荷区,N区,P区,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,内电场,外电场,外电场与内电场方向一致,空间电荷区变宽,内电场增强;,扩散运动减弱,漂移运动增强,平衡被打破,漂移运动大于扩散运动;,漂移运动是少子的运动,少子浓度小,形成反向电流很小,PN结处于截止状态。,IS,(3)PN结单向导电性,3、PN结的电流方程,下一页,上一页,章目录,PN结加正向电压,结电阻很小,正向电流较大,处于导通状态;PN结加反向电压,结电阻很大,反向电流很小,处于截止状态;,其中:IS:反向饱和电流;q:电子电量;k:玻耳兹曼常数;T:热力学温度.,令:,则:,4、PN结的伏安特性,
8、下一页,上一页,章目录,(1)正向特性,(2)反向特性,当uUT 时,,b、当反向电压超过一定数值U(BR)后,反向电流急剧增加,称之为反向击穿。,齐纳击穿:,雪崩击穿:,较高反向电压在PN结空间电荷区形成一个强电场,直接破坏共价键形成“电子空穴对”,使得电流急剧增大;,电子及空穴与晶体原子发生碰撞,使共价键中电子激发形成自由电子空穴对。,5、PN结的电容效应,5、PN结的电容效应,1.2 半导体二极管,1.了解二极管的结构和类型 2.掌握二极管的伏安特性3.熟悉二极管的使用方法 4.了解发光二极管和光电二极管的性能、使用方法 5.熟悉稳压管的工作原理及使用方法,1.二极管的伏安特性2.二极管
9、的主要参数 3.稳压管的性能、主要参数,学习目标:,学习重点:,点接触型二极管是由一根很细的金属触丝(如三价元素铝)和一块半导体(如锗)的表面接触,然后在正方向通过很大的瞬时电流,使触丝和半导体牢固地熔接在一起,三价金属与锗结合构成PN结,并做出相应的电极引线,外加管壳密封而成。,由于点接触型二极管金属丝很细,形成的PN结面积很小,所以极间电容很小,同时,也不能承受高的反向电压和大的电流。这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件,也可用来作小电流整流。如2AP1是点接触型锗二极管,最大整流电流为16mA,最高工作频率为150MHz。,1.2 半导体二极管,一、常见结构,1.2 半
10、导体二极管,二极管的符号,(b)面接触型,(c)平面型平面型二极管是集成电路中常见的一种形式。,面接触型二极管的结构如图(b)所示。由于这种二极管的PN结面积大,可承受较大的电流,但极间电容也大。这类器件适用于整流,而不宜用于高频电路中。如2CP1为面接触型硅二极管,最大整流电流为400mA,最高工作频率只有3kHz。,二、伏安特性,1、正向导通,硅:0.5 V 锗:0.1 V,伏安特性曲线,开启电压:Uon,导通电压:,硅:0.7 V 锗:0.2V,2、反向截止,反向饱和电流 IS,反向击穿电压 U(BR),3、温度的影响,正向特性:T 上升,正向压降下降22.5mV,曲线左移;,反向特性:
11、T 上升,IS 增加一倍,曲线下移。,二极管是非线性元件,三、主要参数,1、最大整流电流 IF,2、最高反向工作电压UR,3、反向电流 IR,4、最高工作频率 fM,二极管长期运行时,允许通过的最大正向平均电流。电流过大,结温太高而烧坏二极管。,二极管工作时,允许外加的最大反向电压。超过此值,二极管可能击穿。,二极管未击穿时的反向电流。IR 越小,二极管的单向导电性越好。,二极管工作的上限频率。,四、二极管的等效电路,1、折线等效电路,二极管伏安特性具有非线性,分析电路时,常用线性元件所构成的电路等效代替。,(1)理想二极管模型:正向导通压降为零,反向截止电流为零。,(2)正向导通压降为常数(
12、硅管 0.7V;锗管 0.2V),反向截止电流为零;,(1),两种等效电路:,(2),2、微变等效电路,在Q点附近加上一个微小变化的量,则可用Q点为切点的直线近似微小变化时的曲线。,(动态电阻),幅值由rd与R分压决定,例题1:,试求输出电压uo。,解:,两个二极管存在优先导通现象。,D2导通,D1截止。,?,例题2:,试画出电压uo的波形。,UREF,解:,(1)uiUREF时,,(2)uiUREF时,,五、稳压二极管,1、伏安特性,UZ,IZmin,反向特性:,当I IZmin 时,没有稳压效果;,电压基本稳定只要电流不超过一定值时,稳压管就不会因发热而损坏。,正向导通与二极管相同,当I
13、IZmin时,电压变化量很小,,2、主要参数,rZ越小,稳压效果越好;,(2)稳定电流IZ(IZmin):电流小于此值时稳压效 果不好;,(3)额定功耗PZM:PZM=UZ IZM;,(4)动态电阻rZ:,(1)稳压值UZ;,(5)温度系数:,IZM,-最大稳定电流,温度每变化1度稳压值的变化量。,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在IZM和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数,所以稳压电路中必须串联一个电阻来限制电流,从而保证稳压管正常工作。,保证稳压管有稳压效果必须:,六、其它类型二极管,1、发光二极管具有单向导电性;加正向电压时导通就发光。导通时电压比普通二极管大。电流
14、越大,发光越强。注意不要超过极限参数。发光的颜色取决于所用材料。,2、光电二极管(自学),发光二极管符号,用万用表 R*100 或 R*1K 档,任意测量二极管的两根引线,如果量出的电阻只有几百欧姆(正向电阻),则黑表笔(即万用表内电池正极)所接引线为正极,红表笔(即万用表内电源负极)所接引线为负极。,用万用表判断二级管正负极:,1.了解三极管的基本结构,熟悉其放大原理;2.掌握三极管电流分配关系,熟悉其输入、输出特性。,1.3 晶体三极管,学习目标:,1.三极管的电流分配关系和放大原理;2.三极管的输出特性曲线和基本参数。,学习重点:,一、晶体管的结构及类型,晶体三极管又称双极型晶体管、半导
15、体三极管、三极管等。,发射区,集电区,基区,三极管的结构特点:(1)发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。(2)基区要制造得很薄且浓度很低。,半导体三极管由两个PN 结构成。类型:NPN 型和PNP 型。,c集电极,e发射极,b基极,集电结(Jc),发射结(Je),集电极,二、电流分配与放大原理,1、内部载流子的运动规律,以NPN管共射放大电路为例,EcEB,放大状态:发射结正偏,集电结反偏。,(1)发射区向基区扩散自由电子,发射结正偏,多数载流子(自由电子)的扩散运动加强;,发射区自由电子不断扩散到基区形成电流IEN;,基区空穴扩散到发射区形成电流IEP;,发射极电流:IEIEP+IEN;,发射结
16、(Je),(2)自由电子在基区扩散和复合,发射结自由电子浓度很高,继续向集电结方向扩散;,IBN,扩散到基区的自由电子,一部分被电源EB拉走,形成电流IBN;,集电结,IBN,(3)集电区收集从发射区扩散过来的自由电子,发射区扩散到基区并到集电结边缘的自由电子继续运动到集电区,形成电流 ICN;,集电结反偏,内电场被加强,漂移运动加强,少数载流子的运动形成电流 ICBO,是构成 IB 与 IC 的一小部分。,2、电流分配关系,3、晶体管的共射电流放大系数,静态(直流):当ui为零时,uI=EB;,动态(交流):,(1)令ui0,即静态,定义共射直流电流放大系数:,ICEO:穿透电流。,IC,I
17、B,(2)令ui0,即动态,定义共射交流电流放大系数:,iC,iB,4、共基电流放大系数,定义共基直流电流放大系数:,定义共基交流电流放大系数:,三、晶体管的共射特性曲线,1、输入特性曲线,(2)UCE增大,曲线右移;,UCE越大,从发射区扩散到基区的自由电子被VB拉走的数量越少,故要获得同样的iB,就需加大uBE;,(3)当UCE1V时,输入特性曲线重合;,(1)UCE 0 时,相当于两个PN结并联。曲线与PN结伏安特性相似;,2、输出特性曲线,放,工作状态:,放大、截止和饱和状态三种工作状态,(1)放大区(线性区):iC与uCE无关,几乎仅仅受iB控制,IC=IB,ic=iB,发射结正偏,
18、集电结反偏。,iC=f(uCE)IB=常数,大,区,(2)截止区:IB0曲线以下,可靠截止uBE 0V;发射结反偏,集电结反偏。,模拟电路:放大区 数字电路:截止和饱和区,四、晶体管的主要参数,1、直流参数,(1)共射直流电流放大系数,(3)极间反向电流:ICBO是发射极开路时集电结的反向饱和电流;ICEO是基极开路时集电极与发射极间的穿透电流,。,2、交流参数,(1)共射交流电流放大系数,(3)特征频率fT:使的数值下降到1的信号频率。,3、极限参数,(1)最大集电极耗散功率PCM,U(BR)CEO,ICM,(2)最大集电极电流ICM,(3)极间反向击穿电压,U(BR)CBO、U(BR)CE
19、O、U(BR)EBO,iC超过ICM,晶体管不一定损坏,但明显下降。,五、温度对晶体管特性及参数的影响,(1)温度对ICBO的影响,(2)温度对输入特性的影响,(3)温度对输出特性的影响,六、光电三极管(自学),温度升高,ICBO增大,Si管比Ge管受温度影响小,与PN结正向曲线相似,温度升高,输入曲线左移。,温度升高,ICBO增大,增大,输出曲线上移,且间距加大。,1.4 场效应管,1.熟悉场效应管的结构、分类2.了解场效应管的的工作原理、主要参数和应用,绝缘栅型场效应管的结构特点绝缘栅型场效应管的特性曲线,学习目标,学习重点,1.4 场效应管,场效应管(FET)是利用输入回路的电场效应来控
20、制输出回路电流的一种半导体器件,由于它仅靠一种载流子导电,又称单极型晶体管。,1、N沟道增强型MOS管,一、绝缘栅型场效应管(MOSFET),金属层,氧化物层,半导体层,S(Source):源极G(Gate):栅极D(Drain):漏极B(Substrate):衬底,(1)结构,符号,(2)工作原理,当加uDS时,若 uGS0,两个PN结背靠背,不存在导电沟道,即iD0;,uDS,uGS,uDS0,uGS0,uGS排斥SiO2附近的空穴,剩下不能移动的离子,形成耗尽层;,衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间,形成一个N型薄层,即反型层,也是ds之间的导电沟道;,随着uGS增大,,开启电压UG
21、S(th):刚刚形成反型层的uGS电压。,uDS,uGS,uGSU GS(th),uDS0,由于有导电沟道,会产生漏极电流iD;,导电沟道存在电位梯度,导电沟道不均匀,沿着sd方向逐渐变窄;,当uDS=UGSUGS(th)时,导电沟道出现预夹断;,当uDS较大,uDSUGSUGS(th)时,导电沟道出现夹断;,此时,iD的大小与uDS无关,由uGS决定,恒流区。,当uDS较小,uDS UGSUGS(th)时,uDS增大,iD也增大,可变电阻区;,(3)特性曲线与电流方程,输出特性曲线,可变电阻区,恒流区,夹断区,预夹断轨迹,iD=f(uDS)对应不同的UGS下得一簇曲线,夹断区恒流区可变电阻区
22、,输出特性曲线(分三个区域),输出特性曲线(分三个区域),夹断区:uGS 109欧。,夹断区,输出特性曲线(分三个区域),恒流区:uDSUGSUGS(th)导电沟道出现夹断,iD取决于uGS,而与uDS无关;,恒流区,输出特性曲线(分三个区域),可变电阻区:,导电沟道未夹断前,对应不同的uGS,ds 间可等效不同的电阻;,uDS UGSUGS(th),可变电阻区,转移特性曲线与电流方程,UGS(th),转移特性曲线:,电流方程:,IDO:uGS2UGS(th)时的 iD。,恒流区:iD 基本上由uGS决定,与UDS 关系不大,恒流区,转移特性曲线,输出特性曲线,总结:N沟道增强型,导电沟道是N
23、型,所以衬底是P型。,2、N沟道耗尽型MOS管,在G的下方,在Si O2中掺入大量的正离子,即使uGS0,也会吸引P中的电子形成沟道。,想让沟道消失,必须加足够负电压。,夹断电压UGS(off):反型层消失时的uGS,为负值。,符号:,N沟道耗尽型 MOS管的uGS可以为正,也可以为负。,3、P沟道增强型,导电沟道是P型,所以衬底是N型。,P沟道MOS的工作原理与N沟道MOS完全相同,只不过导电的载流子不同,供电电压极性不同,电流方向不同而已。,4、P沟道耗尽型,5、VMOS管(自学),二、结型场效应管,1、结构(以N沟道为例),三个电极:g:栅极 d:漏极 s:源极,两个PN结夹着一个N型沟
24、道。,g 栅极,d 漏极,s 源极,N沟道,P沟道,符号:,1、工作原理,N沟道结型场效应管正常工作,应在uGS0,形成漏极电流iD。,(1)uGS对沟道的控制作用,耗尽层,当uGS到一定值时,沟道会完全合拢。uGS=UGS(off)夹断电压。,在栅源间加负电压uGS,令uDS=0,当uGS=0时,导电沟道最 宽。,当uGS时,沟道电阻增大。,(2)当uGS为0UGS(off)中某一值,uDS对iD的影响,当uDS=0时,iD=0。,当uDS0且较小时,从ds电位依次减小,即耗尽层承受的反向电压由ds逐渐减小,故宽度也沿着ds方向逐渐变窄。,uDS iD,当uDS=uGSuGS(off),即u
25、GD=UGS(off)时,漏极的耗尽层出现预夹断。,当uDSuGSuGS(off),即uGD UGS(off)时,漏极的耗尽层夹断层加长。,uDS增大,电流iD基本不变。,(3)当uGDUGS(off)时,uGS对iD的控制作用,当uGD UGS(off)时,当uDS为常量时,uGS的大小影响iD的大小,也就是说,可以通过改变uGS控制iD的大小。,随uDS 的加大,uGD 越来越负。,场效应管是电压控制元件,用gm(低频跨导)来描述动态的栅源电压对漏极电流的控制作用:,N沟道结型场效应管小结:,(1)当 uDSuGSuGS(off)时,导电沟道未出现夹断,对应不同的 uGS,ds 间可等效不
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