童诗白模电第一章课件.ppt

,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,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,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。,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,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,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,受主离子,空穴,电子空穴对,2. P型半导体,杂质半导体的示意图,多子电子,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度与温度有关,多子浓度与温度无关,二、 PN 结,（一） PN 结的形成,用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成 P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。,PN 结的形成动画演示,（二） PN 结的单向导电性,1. 加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,2.加反向电压电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,PN 结的单向导电性小结,（三） PN结的伏安特性曲线及表达式,根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图,正偏,IF（多子扩散）,IR（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿烧坏PN结,电击穿可逆,根据理论分析：,u 为PN结两端的电压降,i 为流过PN结的电流,IS 为反向饱和电流,UT =kT/q 称为温度的电压当量,其中k为玻耳兹曼常数 1.381023 q 为电子电荷量1.6109 T 为热力学温度 对于室温（相当T=300 K） 则有UT=26 mV。,当 u0 uUT时,当 u|U T |时,（四） PN结的电容效应,当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,(1) 势垒电容CB,(2) 扩散电容CD,当外加正向电压 不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,极间电容（结电容）,1.2 半导体二极管,二极管 = PN结 + 管壳 + 引线,结构,符号,一、二极管的基本结构和符号,二极管按结构分三大类：,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。,(3) 平面型二极管,用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。,半导体二极管图片,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,2AP9,二、 半导体二极管的VA特性曲线,硅：0.5 V 锗： 0.1 V,(1) 正向特性,导通压降,(2) 反向特性,死区 电压,实验曲线,硅：0.7 V 锗：0.3V,Is,三、 二极管的主要参数,(1) 最大整流电流IOM,二极管长期连续工 作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。,(2) 反向击穿电压UBR,二极管反向电流 急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿 电压UBR。,(3) 反向电流IR,在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,（4） 反向工作峰值电压URWM,（5） 反向峰值电流IRM,例1：下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。,解： DA优先导通，则,VY=30.3=2.7V,DA导通后, DB因反偏而截止, 起隔离作用, DA起钳位作用, 将Y端的电位钳制在+2.7V。,二极管的应用范围很广,它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,D,E 3V,R,ui,uo,uR,uD,例2：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管（忽略管压降），ui = 6 sin t V, E= 3V,试画出 uo波形 。, t, t,ui / V,uo /V,6,0,0,2, t,6,0,2,例3：双向限幅电路, t,0,D,E 3V,R,D,E 3V,ui,uo,uR,uD,ui / V,uo /V, t,6,0,2,例3：双向限幅电路, t,0,D,E 3V,R,D,E 3V,ui,uo,uR,uD,ui / V,uo /V,考虑管压降,四. 二极管的模型,二极管的模型,理想二极管模型,正偏,反偏,二极管的模型,串联电压源模型,U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。,由伏安特性折线化得到的等效电路,(a)理想二极管 (b)正向导通时端电压为常数 (c)正向导通时端电压与电流成线性关系,二极管的模型,二极管的微变等效电路图,动态电阻：,小信号线性化,静态工作点电流,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数,稳定电压,五、 稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管,正向同二极管,反偏电压UZ 反向击穿, UZ ,稳压二极管的主要 参数,(1) 稳定电压UZ ,(2) 动态电阻rZ ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ =U /I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,(3) 最小稳定工作 电流IZmin,保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。,(4) 最大稳定工作电流IZmax,超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。,1.3 半导体三极管,半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor,简称BJT）。 BJT是由两个PN结组成的。,一、BJT的结构,NPN型,PNP型,符号:,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。,N型硅,N+,P型硅,（a） 平面型,NPN 型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,N,N,集电极C,基极B,发射极E,再强化一下三极管的结构 分类和符号,P,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,C,B,E,N,集电极C,发射极E,基极B,N,P,P,N,PNP型三极管,符号,UCE,EC,RC,IC,C,E,B,UBE,共发射极 接法放大电路,二、三极管的电流分配和放大原理,三极管具有电流控 制作用的外部条件 :,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足: UBE 0 UBC VB VE,对于PNP型三极管应满足: UEB 0 UCB 0 即 VC VB VE,公 共 端,EB,RB,IB,三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。,若在放大工作状态： 发射结正偏：,+ UCE , UBE , UCB ,集电结反偏：,由VBB保证,由VCC、 VBB保证,UCB=UCE - UBE, 0 反偏,共发射极接法原理图,UBE0 正偏,BJT内部的载流子传输过程,电流分配关系,三个电极上的电流关系:,IE =IC+IB,定义：,(1)IC与I E之间的关系:,所以:,其值的大小约为0.90.99。,共基直流电流放大系数,(2)IC与I B之间的关系：,联立以下两式：,得：,所以：,得：,令：,共射直流电流放大系数,UCE 1V,1. 三极管的输入特性（共发射极接法）,三、 三极管的特性曲线,（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。,（2）当uCE=1V时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少， 在同一uBE 电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。,（3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显。,IB =40A,IB =60A,IB = 20A,2. 三极管的输出特性,现以iB=60uA一条加以说明。,（1）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。,（2） uCE Ic 。,（3） 当uCE 1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。,同理，可作出iB=其他值的曲线。,1V,输出特性曲线有三个特点：,IC / mA,UCE /V,0,三极管输出特性上的三个工作区域,IB= 0 A,20A,40 A,60 A,80 A,严格地说还有一个击穿区,饱和区iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE0.7 V。 此时发射结正偏，集电结也正偏。,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区 曲线基本平行等 距。 此时，发 射结正偏，集电 结反偏。 该区中有：,饱和区,放大区,截止区,四、 BJT的主要参数,1.电流放大系数,（2）共基极电流放大系数：,一般取20200之间,2.3,1.5,（1）共发射极电流放大系数：,直流 （静态）,交流 （动态）,2.极间反向电流,（2）集电极发射极间的穿透电流ICEO 基极开路时，集电极到发射极间的电流穿透电流 。 其大小与温度有关。,（1）集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。 锗管：I CBO为微安数量级， 硅管：I CBO为纳安数量级。,3.极限参数,Ic增加时， 要下降。当值下降到线性放大区值的70时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。,（1）集电极最大允许电流ICM,（2）集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PC= ICUCE,PCM, PCM,（3）反向击穿电压,BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：, U（BR）EBO集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏十几伏。 U（BR）CBO发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏几百伏。, U（BR）CEO基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。,在实际使用时，还有 U（BR）CER、U（BR）CES 等击穿电压。,0,IB= 0 A,20A,40 A,60 A,80 A,由三极管的极限参数确定安全工作区,IC / mA,UCE /V,ICEO,半导体三极管的型号,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,3DG110B,五、光电三极管,等效电路,符号,外形,光电三极管的输出特性曲线,1.4 场效应管,BJT是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。,场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一种电压控制器件(uGS iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。,一. 结型场效应管,1. 结型场效应管的结构（以N沟为例）：,两个PN结夹着一个N型沟道。三个电极： g：栅极 d：漏极 s：源极,符号：,N沟道,P沟道,两个高掺杂P区接在一起,2. 结型场效应管的工作原理,（1）栅源电压对沟道的控制作用,在栅源间加负电压uGS ，令uDS =0 当uGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。,当uGS时，PN结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。,当uGS到一定值时 ，沟道会完全合拢。,定义： 夹断电压UP使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压uGS。,（2）漏源电压对沟道的控制作用,在漏源间加电压uDS ，令uGS =0 由于uGS =0，所以导电沟道最宽。 当uDS=0时， iD=0。,uDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。,当uDS ，使uGD=uG S- uDS=UP时，在靠漏极处夹断预夹断。,预夹断前， uDSiD 。 预夹断后， iDSiD 几乎不变。,uDS再，预夹断点下移。,（3）栅源电压uGS和漏源电压uDS共同作用,iD=f（ uGS 、uDS）,可用输两组特性曲线来描绘。,结型场效应管工作原理动画演示,（1）输出特性曲线： iD=f（ uDS ）uGS=常数,3、 结型场效应三极管的特性曲线,设：UT= -3V,iD受uGS控制,四个区：,恒流区的特点： iD / uGS = gm 常数 即： iD = gm uGS （放大原理）,（a）可变电阻区（预夹断前）。,（b）恒流区也称饱和 区（预夹断 后）。,（c）夹断区（截止区）。,（d）击穿区。,可变电阻区,恒流区,截止区,击穿区,（2）转移特性曲线： iD=f（ uGS ）uDS=常数,可根据输出特性曲线作出移特性曲线。 例：作uDS=12V的一条转移特性曲线：,P沟道结型场效应管的工作原理与N沟道结型场效应管完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。（请大家自学）,3、P沟道结型场效应管,二. 绝缘栅场效应三极管,绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，简称MOSFET。分为： 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,1.N沟道增强型MOS管 （1）结构 4个电极：漏极D， 源极S，栅极G和 衬底B。,符号：,二氧化硅绝缘层,通常将衬底与 源极接在一起,当uGS0V时纵向电场 将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。,（2）工作原理,当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。,再增加uGS纵向电场 将P区少子电子聚集到 P区表面形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。,栅源电压uGS的控制作用,定义： 开启电压（ UT）刚刚产生沟道所需的 栅源电压UGS,也记为UGS(th)。,N沟道增强型MOS管的基本特性： uGS UT，管子截止， uGS UT，管子导通。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。,漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用,当uGSUT，且固定为某一值时，来分析漏源电 压VDS对漏极电流ID的影响。（设UT=2V， uGS=4V）,（a）uds=0时， id=0。 （截止区）,（b）uds id； 同时沟道靠漏区变窄。 （可变电阻区）,（c）当uds增加到使ugd=UT时， 沟道靠漏区夹断，称为预夹断。,（d）uds再增加，预夹断区 加长， uds增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， id基本不变。（恒流区）,（3）特性曲线,四个区： （a）可变电阻区（预夹断前）。,输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=const,（b）恒流区也称饱和 区（预夹断 后）。,（c）夹断区（截止区）。,（d）击穿区。,可变电阻区,恒流区,截止区,iD受uGS控制,转移特性曲线： iD=f(uGS)uDS=const,可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。 例：作uDS=15V的一条转移特性曲线：,一个重要参数跨导gm：,gm=iD/uGS uDS=const (单位mS) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出gm。,2.N沟道耗尽型MOSFET,特点： 当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。 当uGS0时，沟道增宽，iD进一步增加。 当uGS0时，沟道变窄，iD减小。,在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。,定义： 夹断电压（ UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS， 也记为uGS(off) 。,N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线,输出特性曲线,转移特性曲线,3、P沟道MOSFET,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道 MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。（请大家自学）,例题:电路如图1所示，T的输出特性如图2所示，分析当uI4V、8V、12V三种情况下场效应管分别工作在什么区域。,三 .场效应管的主要参数,(1) 开启电压UT UT 是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。,（2）夹断电压UP UP 是MOS耗尽型和结型FET的参数，当uGS=UP时,漏极电流为零。,（3）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型FET, 当uGS=0时所对应的漏极电流。,（4）输入电阻RGS 结型场效应管，RGS大于107，MOS场效应管, RGS可达1091015。,（5） 低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子)。,（6） 最大漏极功耗PDM PDM= UDS ID，与双极型三极管的PCM相当。,四.双极型和场效应型三极管的比较,