第1章半导体器件_模拟电子线路基础

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 1,章,章,半导体,器,器件,1,1.1,半,半导,体,体的基,础,础知识,1.1.1,本,本征半,导,导体,1.1.2,杂,杂质半,导,导体,1.1.3,载,载流子,的,的运动,方,方式及,形,形成的,电,电流,2,1.,半,半导体,及,及其材,料,料,导体:,电,电阻率,小于10,-3,cm,绝缘体: ,大,大于10,8,cm,半导体: ,介,介于导,体,体和绝,缘,缘体之,间,间。,常用半,导,导体材,料,料有:,硅（Si）,、,锗（Ge）等,1.1.1,本,本,征,征半导,体,体,3,掺杂性,：,：在纯,净,净的半,导,导体中,掺,掺入某,些,些杂质,，,，其电,阻,阻,率大大,下,下降而,导,导电能,力,力显著,增,增强。据此可,制作各,种,种半导,体,体器件,，,，如二,极,极管和,三,三极管,等。,2.,半,半导体,特,特性,1.1.1,本,本,征,征半导,体,体,4,光敏性,：,：当受,到,到光照,时,时，半,导,导体的,电,电阻率,随,随着光,照,照增强,而,而下降,，,，其导,电,电能力,增,增强。据此可,制,制作各,种,种光敏,元,元件，,如,如光敏,电,电阻、,光,光敏二,极,极管、,光,光敏三,极,极管等,。,。,2.,半,半导体,的,的特性,热敏性,：,：半导,体,体的电,阻,阻率随,着,着温度,的,的上升,而,而明显,下,下降，,其,其导电,能,能力增,强,强。据此可,制,制作温,度,度敏感,元,元件，,如,如热敏,电,电阻。,1.1.1,本,本,征,征半导,体,体,5,半导体,的,的原子,结,结构:,本征半,导,导体化,学,学成分,纯,纯净的,半,半导体,。,。在物,理,理结构,上,上呈单,晶,晶体形,态,态。,硅,(Si),锗,(Ge),3.,本,本征半,导,导体概,念,念,1.1.1 本征半导体,6,半导体,的,的共价,键,键结构,共价键,共价键,中,中的两,个,个价电,子,子,原子核,3.,本,本征半,导,导体概,念,念,1.1.1 本征半导体,7,本征激,发,发,（热激,发,发）,4.,本,本征半,导,导体的,导,导电机,理,理,1.1.1 本征半导体,本征激发产生的,空穴,价,电,子,价电子,受,受热或,受,受光照,（,（即获,得,得一定,能,能量）,后,后，可,挣,挣脱原,子,子核的,束,束缚，,成,成为自由电,子,子（带负,电,电），,同,同时共,价,价键中,留,留下一,个,个带正,电,电的空穴。,该现象,称,称为本,征,征激发(热激,发,发),本征激发产生的,自由电子,8,本征激发,（热激发）,4.,本,本征半,导,导体的,导,导电机,理,理,1.1.1 本征半导体,空穴,价,电,子,自由电,子,子,在热激,发,发下，,本,本征半,导,导体中,存,存在两,种,种能参,与,与导电,的,的载运,电,电荷的,粒,粒子(,载,载流子)：,成对的电,子,子和空穴,复 合自由电子,回,回到共价,键,键结构中,的,的现象。,此,此时电子,空,空穴成对,消,消失。,9,4. 本,征,征半导体,的,的导电机,理,理,1.1.1 本征半导体,自由电子,和,和空穴成,对,对地产生,的,的同时，,又,又不断复,合,合。,在一定温,度,度下，载,流,流子的产,生,生和复合,达,达到动态,平,平衡，,半导体中,载,载流子便,维,维持一定,的,的数目。,注意：,(1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差。,(2) 温度越高， 载流子的数目越多,半导体的导电性能也就,越,好。,可见，温度对半导体器件性能影响很大。,10,1.1.1,本,本征半导,体,体,小结,（1）,半,半导体及,其,其材料,（,（2）,半,半导体特,性,性（3,）,） 本征,半,半导体概,念,念（4,）,） 本征,半,半导体的,导,导电机理,11,杂质,半导体,在本征,半,半导体中,掺,掺入微量,其,其它元素,而,而得到的,半,半导体。,杂质半导,体,体可分为,：,：,N型(电子),半,半导体和P型(空穴),半,半导体两,类,类。,1.1.2 杂质半导体,12,1.1.2 杂质半导体,1.N型,半,半导体,在本征半,导,导体中掺,入,入微量五价元素物质（磷,、,、砷等）,而,而得到的,杂,杂质半导,体,体。,结构图,13,1.1.2 杂质半导体,掺杂后，,某,某些位置,上,上的,硅原子被5价杂质,原,原子（如,磷,磷,原子）取,代,代。磷原,子,子的5个,价,价,电子中，4个价电,子,子与邻近,硅,硅,原子的价,电,电子形成,共,共价键，,剩,剩,余价电子,只,只要获取,较,较小能量,即,即,可成为自由电子。同时，,提,提供电子,的,的磷原子,因,因带正电,荷,荷而成为正离子。电子和,正,正离子成,对,对产生。,上,上述过程,称,称为施主杂质,电,电离。5价杂质,原,原子又称施主杂质。,1. N,型,型半导,体,体,14,这种电子,为,为多数载,流,流子的杂,质,质半导体,称,称为N型,半,半导体。,1.1.2 杂质半导体,可见：在N型半导,体,体中自由电子,是,是多数载,流,流子（简称,多子,）；空穴是少,数,数载流子（简称,少子,）。,N型半导,体,体中还存,在,在来自于,热,热激发的,电,电子-空,穴,穴对。,1.N,型,型半导体,15,在本征半,导,导体中掺,入,入微量三价元素物质（硼,、,、铝等）,而,而得到的,杂,杂质半导,体,体,。,结构图,1.1.2 杂质半导体,2.P型,半,半导体,16,1.1.2 杂质半导体,掺杂后，,某,某些位置,上,上的,硅原子被3价杂质,原,原子（如,硼,硼,原子）取,代,代。硼原,子,子有3个,价,价,电,子,子,，,，,与,与,邻,邻,近,近,硅,硅,原,原,子,子,的,的,价,价,电,电,子,子,构,成,成,共,共,价,价,键,键,时,时,会,会,形,形,成,成空,穴,穴，,导,致,致,共,共,价,价,键,键,中,中,的,的,电,电,子,子,很,很,容,容,易,易,运,动,动,到,到,这,这,里,里,来,来,。,。,同,同,时,时,，,，,接,接,受,受,一,一,个,个,电,电,子,子,的,的,硼,硼,原,原,子,子,因,因,带,带,负,负,电,电,荷,荷,而,而,成,成,为,为,不,不,能,能,移,移,动,动,的,的负,离,离,子,子。,空,空,穴,穴,和,和,负,负,离,离,子,子,成,成,对,对,产,产,生,生,。,。,上,述,述,过,过,程,程,称,称,为,为受,主,主,杂,杂,质,质,电,电,离,离。3,价,价,杂,杂,质,质,原,原,子,子,又,又,称,称受,主,主,杂,杂,质,质,。,。,2.P,型,型,半,半,导,导,体,体,17,这,种,种,空,空,穴,穴,为,为,多,多,数,数,载,载,流,流,子,子,的,的,杂,杂,质,质,半,半,导,导,体,体,称,称,为,为P,型,型,半,半,导,导,体,体,。,。,1.1.2 杂质半导体,可,见,见,：,：,在,在P,型,型,半,半,导,导,体,体,中,中空,穴,穴,是,是,多,多,数,数,载,载,流,流,子,子(,简,简,称,称,多,子,子,),自,由,由,电,电,子,子,是,是,少,少,数,数,载,载,流,流,子,子（,简,简,称,称,少,子,子,）,。,。,P,型,型,半,半,导,导,体,体,中,中,还,还,存,存,在,在,来,来,自,自,于,于,热,热,激,激,发,发,的,的,电,电,子,子-,空,空,穴,穴,对,对,。,。,2.P,型,型,半,半,导,导,体,体,18,扩,散,散,运,运,动,动,载,载,流,流,子,子,受,受,扩,扩,散,散,力,力,的,的,作,作,用,用,所,所,作,作,的,的,运,运,动,动,称,称,为,为,扩,扩,散,散,运,运,动,动,。,。,扩,散,散,电,电,流,流,载,载,流,流,子,子,扩,扩,散,散,运,运,动,动,所,所,形,形,成,成,的,的,电,电,流,流,称,称,为,为,扩,扩,散,散,电,电,流,流,。,。,扩,散,散,电,电,流,流,大,大,小,小,与,与,载,载,流,流,子,子,浓,浓,度,度,梯,梯,度,度,成,成,正,正,比,比,1.1.3 载流子运动方式及形成电流,1.,扩,扩,散,散,运,运,动,动,及,及,扩,扩,散,散,电,电,流,流,19,漂,移,移,运,运,动,动,载,载,流,流,子,子,在,在,电,电,场,场,力,力,作,作,用,用,下,下,所,所,作,作,的,的,运,运,动,动,称,称,为,为,漂,漂,移,移,运,运,动,动,。,。,漂,移,移,电,电,流,流,载,载,流,流,子,子,漂,漂,移,移,运,运,动,动,所,所,形,形,成,成,的,的,电,电,流,流,称,称,为,为,漂,漂,移,移,电,电,流,流,。,。,漂,移,移,电,电,流,流,大,大,小,小,与,与,电,电,场,场,强,强,度,度,成,成,正,正,比,比,1.1.3 载流子运动方式及形成电流,2.,漂,漂,移,移,运,运,动,动,及,及,漂,漂,移,移,电,电,流,流,20,1.2PN,结,结,与,与,晶,晶,体,体,二,二,极,极,管,管,1.2.1PN,结,结,的,的,基,基,本,本,原,原,理,理,1.2.2,晶,晶,体,体,二,二,极,极,管,管,1.2.3,晶,晶,体,体,二,二,极,极,管,管,应,应,用,用,电,电,路,路,举,举,例,例,21,1.PN,结,结,的,的,形,形,成,成,1.2.1 PN结基本原理,在一块本征,半,半导体的两,边,边掺以不同,的,的杂质，使,其,其一边形成P型半导体,，,，另一边形,成,成N型半导,体,体，则在它,们,们交界处就,出,出现了电子,和,和空穴的浓,度,度差，于是P区空穴向N区扩散，N区电子向P区扩散。,另一方面，,随,随着扩散运,动,动的进行，P区一边失,去,去空穴留下,负,负离子，N,区,区一边失去,电,电子留下正,离,离子，形成,空,空间电荷区,，,，产生内建,电,电场。电场,方,方向由N区,指,指向P区，,有,有利于P区,和,和N区的少,子,子漂移运动,，,，而阻止多,子,子扩散运动,。,。,22,1.PN结,的,的形成,1.2.1 PN结基本原理,扩散,交界处的浓,度,度差,P区的一些,空,空,穴向N区扩,散,散,N区的一些,电,电,子向P区扩,散,散,P区留下带,负,负,电的受主离,子,子,N区留下带,正,正,电的施主离,子,子,内建电场,漂移电流,扩散电流,PN 结,动态平衡,23,U,：,势垒电压,U,= 0.60.8V,或,0.20.3V,PN结平衡,空间电荷区/耗尽层,U,内建电场,1. PN,结,结的形成,1.2.1 PN结基本原理,24,小结,载流子的扩,散,散运动和漂,移,移运动既互,相,相联系又互,相,相矛盾。,漂移运动=,扩,扩散运动时,，,，PN结形,成,成且处于动,态,态平衡状态,。,。 PN结,没,没有电流通,过,过。,1.2.1 PN结基本原理,25,2. PN,结,结的特性,1.2.1 PN结基本原理,（1） 单,向,向导电性,（2） 击,穿,穿特性,（3） 电,容,容特性,26,(1)单向,导,导电性,1.2.1 PN结基本原理,2. PN,结,结的特性,27,加偏压时的,耗,耗尽层,U,U,U,合成电场,(1)单向,导,导电性,PN,结,结加,正,正向,电,电压,1.2.1 PN结基本原理,2.PN结,的,的特,性,性,PN,外,外加,正,正向,电,电压,时,时，,内,内建,电,电场,被,被削,弱,弱，,势,势垒,高,高度,下,下降,，,，空,间,间电,荷,荷区,宽,宽度,变,变窄,，,，这,使,使得P区,和,和N,区,区能,越,越过,这,这个,势,势垒,的,的多数,载,载流,子,子数量,大,大大,增,增加,，,，形,成,成较,大,大的扩散,电,电流。,未加偏压时的耗尽层,28,流过PN,结,结的,电,电流,随,随外,加,加电,压,压U,的,的增,加,加而,迅,迅速,上,上升,，,，PN结,呈,呈现,为,为小,电,电阻,。,。该,状,状态,称,称：,加正,向,向偏,压,压时,的,的耗,尽,尽层,U,U,U,合成,电,电场,PN,结,结正,向,向导,通,通状,态,态,1.2.1 PN结基本原理,未加偏压时的耗尽层,PN,结,结加,正,正向,电,电压,29,加反,向,向偏,压,压时,的,的耗,尽,尽层,U,U,+,U,合成,电,电场,(1)单,向,向导,电,电性,PN,结,结加,反,反向,电,电压,2.PN结,的,的特,性,性,1.2.1 PN结基本原理,PN,外,外加,反,反向,电,电压,时,时，,内,内建,电,电场,被,被增,强,强，,势,势垒,高,高度,升,升高,，,，空,间,间电,荷,荷区,宽,宽度,变,变宽,。,。这,就,就使,得,得多,子,子扩,散,散运,动,动很,难,难进,行,行，,扩,扩散,电,电流,趋,趋于,零,零，,而,而少子更容,易,易产,生,生漂移,运,运动。,未加偏压时的耗尽层,30,加反,向,向偏,压,压时,的,的耗,尽,尽层,U,U,+,U,合成,电,电场,流过PN,结,结的,电,电流,称,称为,反,反向,饱,饱和,电,电流(即,I,S,)，PN,结,结呈,现,现为,大,大电,阻,阻。,该,该状,态,态称,：,：,PN,结,结反,向,向截,止,止状,态,态,1.2.1 PN结基本原理,未加偏压时的耗尽层,PN,结,结加,反,反向,电,电压,31,小结,PN,结,结加,正,正向,电,电压,时,时，正,向,向扩,散,散电,流,流远,大,大于,漂,漂移,电,电流,，,，PN,结,结导,通,通；PN,结,结加,反,反向,电,电压,时,时，仅,有,有很,小,小的,反,反向,饱,饱和,电,电流,I,S,，考,虑,虑到,I,S,0，,则,则认,为,为PN,结,结截,止,止。,PN,结,结正,向,向导,通,通、,反,反向,截,截止,的,的特,性,性称PN,结,结的单向,导,导电,特,特性。,1.2.1 PN结基本原理,32,击穿PN,结,结外,加,加反,向,向电,压,压且,电,电压,值,值超,过,过一,定,定限,度,度时,，,，反,向,向电,流,流急,剧,剧增,加,加而,结,结两,端,端电,压,压基,本,本不,变,变的,现,现象,。,。,(2)击,穿,穿特,性,性,2.PN结,的,的特,性,性,1.2.1 PN结基本原理,击穿,不,不一,定,定导,致,致损,坏,坏。,利用PN,结,结击,穿,穿特,性,性可,以,以制,作,作稳,压,压管,。,。,击穿,电,电压,U,z,33,雪崩,击,击穿,击穿,分,分类,(2)击,穿,穿特,性,性,2.PN结,的,的特,性,性,1.2.1 PN结基本原理,齐纳,击,击穿,34,雪崩,击,击穿(碰,撞,撞击,穿,穿),反向,电,电压,足,足够,高,高时，,空,空间,电,电荷,区,区的,合,合成,电,电场,较,较强,，,，通,过,过空,间,间电,荷,荷区,的,的电,子,子在,强,强电,场,场的,作,作用,下,下加,速,速获,得,得很,大,大的,动,动能,，,，于,是,是有,可,可能,和,和晶,体,体结,构,构中,的,的外,层,层电,子,子碰,撞,撞而,使,使其,脱,脱离,原,原子,核,核的,束,束缚,。,。被,撞,撞出,来,来的,载,载流,子,子在,电,电场,作,作用,下,下获,得,得能,量,量之,后,后，,又,又可,以,以去,碰,碰撞,其,其它,的,的外,层,层电,子,子，,这,这种,连,连锁,反,反应,就,就造,成,成了,载,载流,子,子突,然,然剧,增,增的,现,现象,，,，犹,如,如雪,山,山发,生,生雪,崩,崩那,样,样，,所,所以,这,这种击,穿,穿,称,称,为,为,雪,雪,崩,崩,击,击,穿,穿,或,或,碰,碰,撞,撞,击,击,穿,穿。,(2),击,击,穿,穿,特,特,性,性,2.PN,结,结,的,的,特,特,性,性,1.2.1 PN结基本原理,35,齐,纳,纳,击,击,穿,穿(,电,电,场,场,击,击,穿,穿),当反,向,向,电,电,压,压,足,足,够,够,高,高，,空,空,间,间,电,电,荷,荷,区,区,中,中,的,的,电,电,场,场,强,强,度,度,达,达,到,到10,5,V,cm,以,以,上,上,时,时,，,，,可,可,把,把,共,共,价,价,键,键,中,中,的,的,电,电,子,子,拉,拉,出,出,来,来,，,，,产,产,生,生,电,电,子,子-,空,空,穴,穴,对,对,，,，,使,使,载,载,流,流,子,子,突,突,然,然,增,增,多,多,，,，,产,产,生,生,击,击,穿,穿,现,现,象,象,，,，,称,称,为,为,齐,齐,纳,纳,击,击,穿,穿,。,。,掺,入,入,杂,杂,质,质,浓,浓,度,度,小,小,的,的PN,结,结,中,中,，,，雪,崩,崩,击,击,穿,穿是,主,主,要,要,的,的,，,，,击,击,穿,穿,电,电,压,压,一,一,般,般,在,在6V,以,以,上,上；,在,在,掺,掺,杂,杂,很,很,重,重,的,的PN,结,结,中,中,，,，齐,纳,纳,击,击,穿,穿是,主,主,要,要,的,的,，,，,击,击,穿,穿,电,电,压,压,一,一,般,般,在,在6V,以,以,下,下。,击,击,穿,穿,电,电,压,压,在,在6V,左,左,右,右的PN,结,结,常,常,兼,兼,有,有两,种,种,击,击,穿,穿,现,现,象,象。,(2),击,击穿特,性,性,2.PN结,的,的特性,1.2.1 PN结基本原理,36,PN结,存,存在电,容,容效应,。,。这将,限,限制器,件,件工作,频,频率。,分类,势垒电容,扩散电容,(3),电,电容特,性,性,2.PN结,的,的特性,1.2.1 PN结基本原理,37,势垒电,容,容,C,T,由势垒,区,区内电,荷,荷存储,效,效应引,起,起。势,垒,垒区相,当,当于介,质,质，它,两,两边的P区和N区相,当,当于金,属,属。当,外,外加电,压,压改变,时,时，势,垒,垒区的,电,电荷量,改,改变引,起,起的电,容,容效应,，,，称为,势,势垒电,容,容。,C,T,值随外,加,加电压,的,的改变,而,而改变,，,，为非,线,线性电,容,容。,(3),电,电容特,性,性,2.PN结,的,的特性,1.2.1 PN结基本原理,38,扩散电,容,容,C,D,C,D,值与PN结的,正,正向电,流,流,I,成正比,。,。,由势垒,区,区两侧,的,的P区,和,和N区,正,正负电,荷,荷混合,贮,贮存所,产,产生。PN结,加,加正向,电,电压时P区的,空,空穴注,入,入到N,区,区，吸,引,引N区,带,带负电,的,的电子,到,到其附,近,近；,同,同时，N区的,电,电子注,入,入到P,区,区，吸,引,引P区,里,里带正,电,电的空,穴,穴到其,附,附近。,它,它们不,会,会立即,复,复合，,而,而有一,定,定的寿,命,命，从,而,而形成,势,势垒区,两,两侧正,负,负电荷,混,混合贮,存,存的现,象,象。呈,现,现出的,电,电容效,应,应称为,扩,扩散电,容,容。,(3),电,电容特,性,性,2.PN结,的,的特性,1.2.1 PN结基本原理,p,：空穴,寿,寿命,n,：电子,寿,寿命,U,T,：热电,压,压,I,:正向,电,电流,39,小结,PN结,正,正向运,用,用时,C,T,、,C,D,同时存,在,在，,C,D,起主要,作,作用,PN结,反,反向运,用,用时，,只,只有,C,T,。,(3),电,电容特,性,性,2.PN结,的,的特性,1.2.1 PN结基本原理,40,点接触,型,型,面结合,型,型,平面型,符号,1.结构与,符,符号,1.2.2 晶体二极管,41,伏安特,性,性图,2.伏安特,性,性,1.2.2 晶体二极管,小电流,范,范围近,似,似呈指,数,数规律,，,，大电,流,流时接,近,近直线,。,。,正向特,性,性,存在门,限,限电压Ur,锗管Ur,0.2V,硅管Ur,0.6V,42,伏安特,性,性图,2.伏安特,性,性,1.2.2 晶体二极管,存在反,向,向饱和,电,电流,I,S,反向特,性,性,曲线近,似,似呈水,平,平线，,略,略有倾,斜,斜,43,伏安特,性,性图,2.伏安特,性,性,1.2.2 晶体二极管,重要参,数,数：U,Z,击穿特,性,性,反向电,流,流急剧,增,增加而,二,二极管,端,端压近,似,似不变,。,。,（PN结,击,击穿）,44,伏安特,性,性的温,度,度特性,：,：,(c),击,击穿特,性,性,(b),反,反向特,性,性,(a),正,正向特,性,性,T,则U,r,T,则I,S,T,则U,Z,(雪崩,击,击穿),T,则U,Z,(齐纳,击,击穿),2.伏安特,性,性,1.2.2 晶体二极管,45,正向特,性,性近似,; 时,反向特,性,性近似,; 时,伏安特,性,性数学,表,表达式,：,：,2.伏安特,性,性,1.2.2 晶体二极管,式中,：,mV,T=300K时,46,表征性,能,能,性能参数,表征安全工,作,作范围,极限参数,3.主要参数,1.2.2 晶体二极管,参数,47,直流电阻,R,D,：,定义 R,D,= U /I,|,Q,点处,R,D,是 u 或i 的函,数,数,（1）性能,参,参数,3.主要参数,1.2.2 晶体二极管,48,交流电阻,r,d,：,定义,r,d,= d,u /,d,i,|,Q,点处,计算,r,d,=,U,T,/ I,Q,（1）性能,参,参数,3.主要参数,1.2.2 晶体二极管,势垒电容,C,T,：,影响器件最,高,高工作频率,49,最大允许整,流,流电流,I,OM,：,工作电流,I,OM,易导致二极,管,管过热失效,最高反向工,作,作电压,U,RM,:,允许加到二,极,极管(非稳,压,压管)的最,高,高反向电压,最大允许功,耗,耗,P,DM,:,实际功耗大,于,于,P,DM,时易导致二,极,极管过热损,坏,坏,（2）极限,参,参数,3.主要参数,1.2.2 晶体二极管,50,稳压管,V-A特性,及,及符号,4.特殊二极管,1.2.2 晶体二极管,51,稳压管主要,参,参数,稳定电压,U,Z,：即PN结击穿,电,电压,稳定电流,I,Z,：,I,zmin,I,Z,I,Zmax,动态电阻r,Z,：定义r,Z,=,u/,i,r,Z,越小，则稳,压,压性能越好,额定功耗,P,Z,：实际功耗超,过,过,P,Z,易使稳压管,损,损坏,4.特殊二极管,1.2.2 晶体二极管,稳压管,52,U,r,为门限电压,稳压管等效,电,电路,4.特殊二极管,1.2.2 晶体二极管, 稳压,管,管,这时稳压管,就是一只二,极,极管,53,变容二极管,(a)符号,(b)特性,变容二极管利用PN结,的,的势垒电容效应制作,变容二极管,必须工作于,反,反偏状态。,4.特殊二极管,1.2.2 晶体二极管,54,光电二极管,光电二极管,工,工作于反偏状态。其反向电,流,流与光照度E成正比关,系,系。,光电二极管,可,可用作光测,量,量或做成光,电,电池。,发光二极管,发光二极管,工,工作于正偏状态。其发光强,度,度随正向电,流,流增大而增,大,大。,发光二极管,主,主要用作显,示,示器件。,4.特殊二极管,1.2.2 晶体二极管,55,图解法,迭代法,折线化近似,法,法,1.晶体二极管,电,电路分析方,法,法,1.2.3 晶体二极管电路,56,i,=,f,(,u,),电路,图,图解,图解法,1.晶体二极管,电,电路分析方,法,法,1.2.3 晶体二极管电路,57,迭代法,据电路列方,程,程组,采用牛顿-拉夫森迭代算法,迭代公式：,1.晶体二极管,电,电路分析方,法,法,1.2.3 晶体二极管电路,58, 将实,际,际二极管的V-A特性,曲,曲线作折线,化,化近似。,折线化近似,法,法,1.晶体二极管,电,电路分析方,法,法,1.2.3 晶体二极管电路,理想特性曲,线,线,只考虑门限,的特性曲线,V-A特性,符号,59,考虑门限电,压,压和,正向导通电,阻,阻的,特性曲线,V-A特性,符号,r,d,：工作点处,的,的动态电阻,折线化近似,法,法,1.晶体二极管,电,电路分析方,法,法,1.2.3 晶体二极管电路,仅考虑正、,反,反向,导通电阻的,特,特性,曲线,60,例1-1：半波整流,电,电路中VD理想，画出,u,O,(,t,)波形。,输出,u,O,(,t,) 取决于VD的工作状态,是,是通还是断,。,。,2.晶体二极管,电,电路应用举,例,例,1.2.3 晶体二极管电路,整流电路,解,：,61,1.2.3 晶体二极管电路,；,VD截止,u,i, 0V,62,结合图中给,定,定的参数分,析,析： VD,1,、VD,2,开路时，阳,极,极对地电位,为,为+5V，,阴,阴极对,地电位分别,为,为+1V、0V，,是判断电路,中,中二极管的,通,通断。采用,的,的方法是比,较,较各二极管,的,的正向开路,电,电压，正向,开,开路电压最,大,大的一只二,极,极管抢先导,通,通。,例1-2： 图a所,示,示二极管门,电,电路（VD理想）,求：,u,O,解：,2.晶体二极管,电,电路应用举,例,例,1.2.3 晶体二极管电路,门电路,门电路的分,析,析关键,可见VD,2,导通。,u,O,= 0,63,u,O,(,t,) 取决于VD是否导通。,例1,-,3: 限幅电,路,路中VD理想，求,u,O,(,t,)并画出波,形,形。,电路,2.晶体二极管,电,电路应用举,例,例,1.2.3 晶体二极管电路,限幅电路,解：,64,限幅电路,1.2.3 晶体二极管电路,传输特性,输出波形,；VD截止,u,i,0V,时,时，特,性,性曲线,右,右移直,至,至,u,CE,3V时,曲,曲线基,本,本重合,1.3.4 晶体三极管特性曲线,1.,共,共射,接,接法输,入,入特性,曲,曲线,77,1.3.4 晶体三极管特性曲线,2.,共,共射,接,接法输,出,出特性,曲,曲线,指,i,B,为参变量，,i,C,随,u,CE,变化的关系曲线,78,曲线分,为,为四区,：,：截止区放大区,饱,饱和,区,区 击,穿,穿区,1.3.4 晶体三极管特性曲线,2.,共射接,法,法输出,特,特性曲,线,线,截止区,：,：,对应截,止,止状态:E结C结反,偏,偏,特点：,i,E,=0,i,C,=,I,CBO,= ,i,B,79,曲线分,为,为四区,：,：截止,区,区放大区饱和区,击,击穿,区,区,1.3.4 晶体三极管特性曲线,2.,共,共射,接,接法输,出,出特性,曲,曲线,放大区：,对应放大状态: E结正偏C结反偏,特点：,放大效应 -,定义,80,1.3.4 晶体三极管特性曲线,2.,共,共射,接,接法输,出,出特性,曲,曲线,特点：,基调(,厄,厄立),效,效应-,U,A,表现:,曲,曲线略,微,微上斜,81,特点：,穿透电,流,流-,I,CEO,计算:,I,CEO,=(1+),I,CBO,曲线分,为,为四区,：,：截止,区,区放大区饱和区,击,击穿,区,区,1.3.4 晶体三极管特性曲线,2.,共,共射,接,接法输,出,出特性,曲,曲线,82,曲线分,为,为四区,：,：截止,区,区 放,大,大区饱和区击穿区,1.3.4 晶体三极管特性曲线,2.,共,共射,接,接法输,出,出特性,曲,曲线,饱和状,态,态:,E结正,偏,偏C结,正,正偏,特点：,饱和现,象,象：,固定,u,CE,i,C,基本不,随,随,i,B,变化,u,CE,控制,i,C,：,固定,i,B,i,C,随,u,CE,剧烈变,化,化,83,曲线分,为,为四区,：,：截止,区,区 放,大,大区饱和区击穿区,1.3.4 晶体三极管特性曲线,2.,共,共射,接,接法输,出,出特性,曲,曲线,注意,：,：,临界,饱,饱和,：,：U,BC,=0,（考,虑,虑到,发,发射,结,结导,通,通存,在,在门,限,限电,压,压的,作,作用,，,，则,：,：,U,BC,=U,BEO,）,临界,饱,饱和,电,电压,：,：U,CES,84,关系,集电极-基极间反向饱和电流,I,CBO,集电极-发射极穿透电流,I,CEO,关系：,I,CEO,=(1+,) I,CBO,1.3.5 晶体三极管主要参数,1.,放,放大,参,参数,2.,极,极间,反,反向,电,电流,极限,电,电流-,集,集电,极,极最,大,大允,许,许电,流,流,I,CM,极限,电,电压-,U,(BR)CBO,，,U,(BR)CEO,3.,极,极限,参,参数,85,极限功率-,集,集电极最,大,大允许功,耗,耗,P,CM,1.3.5 晶体三极管主要参数,3.,极,极限参数,安 全,工,工,作,作,区,区,86,I,CBO,的温度特,性,性,T,10,0,C则,I,CBO,约1倍,U,BEO,的温度特,性,性,T,1,0,C则,U,BEO,（,U,EBO,，对于PNP管）,(2,3)mV,的温度特,性,性,T,10,0,C则,(0.5,1)%,1.3.5 晶体三极管主要参数,4.,晶,晶体管参,数,数的温度,特,特性,87,1.4,场,场效应晶,体,体管,1.4.1 结型,场,场效应晶,体,体管（JFET）,1.4.2 绝缘,栅,栅场效应,管,管（IGFET）,1.4.3 场效,应,应管的参,数,数及特点,88,1.4.1 结型场效应管（JFET）,1.,JFET,结,结构与符,号,号,P-JFET,N-JFET,89,导电沟道,两个P,+,区与N区,形,形成两个PN结，夹在其中,的,的N区是电子由,源,源极流向,漏,漏极的通,道,道，称为,导,导电沟道,。,。,1.4.1 结型场效应管（JFET）,2.JFET,工,工作原理,（,（以NJFET为,例,例）,90,受控机理,通过改变,加,加在PN,结,结上的反,向,向偏压(,栅,栅源电压,u,GS,)的大小,来,来改变耗,尽,尽层的宽,度,度，进而,改,改变导电,沟,沟道的宽,度,度，以达,到,到控制沟,道,道漏极电,流,流的目的,，,，漏极电,流,流,i,D,受控于,u,GS,。,1.4.1 结型场效应管（JFET）,2.JFET,工,工作原理,（,（以NJFET为,例,例）,91,u,GS,控制,i,D,(,u,DS,= C,0),u,GS,增大时，,沟,沟道变窄,，,，沟道电,阻,阻增大则,i,D,减小。沟,道,道被夹断,时,时管子截,止,止，,i,D,=0。,1.4.1 结型场效应管（JFET）,2.JFET,工,工作原理,（,（以NJFET为,例,例）,管子刚好,截,截止时的,栅,栅极电压,称,称为夹断电压，用,U,GS,(,off),表示。,92,u,DS,增大时，,沟,沟道变窄,，,，沟道电,阻,阻增大。,以,以预夹断,为,为分界线,，,，预夹断,前,前,i,D,增大，预,夹,夹断后,i,D,近似,恒定。,u,DS,影响,i,D,(,u,GS,= C,0),1.4.1 结型场效应管（JFET）,2.JFET,工,工作原理,（,（以NJFET为,例,例）,预夹断：沟道在近,漏,漏极处出,现,现即将消,失,失的状态,。,。此时,u,GD,=,U,GS,(,off),93,1.4.1 结型场效应管（JFET）,2.JFET,工,工作原理,（,（以NJFET为,例,例）,小结：,i,D,受控于,u,GS,:,u,GS,则,i,D,直至,i,D,=0,i,D,受,u,DS,影响:,u,DS,则,i,D,先增随后,近,近似不变,预夹断前,u,DS,则,i,D,以预夹断,状,状态为分,界,界线,预夹断后,u,DS,则,i,D,不变,94,特别注意,：,：,区别夹断,与,与预夹断,：,：,夹断时：,u,GS,U,GS,(,off),，,i,D,=0,预夹断时,：,：,u,GD,=,U,GS,(,off),(或,u,GS,- u,DS,=,U,GS(off),),i,D,0,预夹断前,：,：,u,GD,U,GS,(,off),(或,u,GS,- u,DS,U,GS(off),),预夹断后,：,：,u,GD,U,GS,(,off),(或,u,GS,- u,DS,U,GS(off),),1.4.1 结型场效应管（JFET）,2.JFET,工,工作原理,（,（以NJFET为,例,例）,95,（1）,输,输出特,性,性曲线,指,u,GS,为参变量，,i,D,随,u,DS,变化的关系曲线,1.4.1 结型场效应管（JFET）,3.JFET,特,特性曲线,（,（以NJFET为,例,例）,96,输出曲线,分,分四区：截止区放大区,可,可变电,阻,阻区,击,击穿区,截止区：,对应夹断,状,状态,特点：,u,GS,U,GS,(,off),i,D,=0,（1）,输,输,出,出特性,曲,曲线,1.4.1 结型场效应管（JFET）,截止区,97,放大区,：,：,对应管,子,子预夹,断,断后的,状,状态,特点：,受,受控放,大,大，,i,D,只受,u,GS,控制,u,GS,则,i,D,放大区,输出曲,线,线分四,区,区：截止区放大区可变电,阻,阻区,击,击穿,区,区,（1）,输,输,出,出特性,曲,曲线,1.4.1 结型场效应管（JFET）,98,可变电,阻,阻区：,对应预,夹,夹断前,状,状态,特点：,固定,u,GS,，u,DS,则,i,D,近似线,性,性,-电阻特,性,性,固定,u,DS,，,变化,u,GS,则阻值,变,变化,-变阻特,性,性,（1）,输,输,出,出特性,曲,曲线,输出曲,线,线分四,区,区：截止区,放,放,大,大区可变电,阻,阻区击穿区,1.4.1 结型场效应管（JFET）,可变电,阻,阻区,99,击穿区,：,：,对应PN结击,穿,穿状态,特点：,u,DS,很大,i,D,急剧增,加,加,输出曲,线,线分四,区,区：截止区,放,放,大,大区,可,可变,电,电阻区击穿区,（1）,输,输,出,出特性,曲,曲线,1.4.1 结型场效应管（JFET）,击穿区,100,指,u,GS,为参变量，,i,D,随,u,DS,变化的关系曲线,（2）,转,转,移,移特性,曲,曲线,1.4.1 结型场效应管（JFET）,3.JFET特,性,性曲线,（,（以NJFET为例,）,）,101,预夹断,后,后转移,特,特性曲,线,线重合,曲线方,程,程,条件,（2）,转,转,移,移特性,曲,曲线,1.4.1 结型场效应管（JFET）,102,根据栅,极,极绝缘,材,材料分,为,为:,金属-,氧,氧化物-半导,体,体场效,应,应管(MOSFET,或,或MOS),金属-,氮,氮化硅-半导,体,体场效,应,应管(MNSFET,或,或MNS),金属-氧化,铝,铝-半导体,场,场效应管(MALSFET),根据导电沟,道,道类型分为: N沟道,和,和P沟道,根据是否存,在,在原始导电,沟,沟道分为:,增,增强型和耗,尽,尽型,1.4.2 绝缘栅场效应管（IGFET）,1.,特,特点,栅极同,其,其余电极之,间,间绝缘,103,N沟道增强,型,型M,OSFET,1.4.2绝缘栅场效应管（IGFET）,2. 结,构,构与符号,104,导电沟道,u,GS,=0时，无,导,导电沟道(,夹,夹断状态),u,GS,U,GS,(,th,),时，产生导,电,电沟道(开,启,启状态),定义开启电,压,压,U,GS,(,th,),为刚开始出,现,现导电沟道,时,时的栅源电,压,压数值,1.4.2 绝缘栅场效应管（IGFET）,3.,工作原理（,以,以增强型NMOS管为,例,例）,105,受控机理：,漏,漏极电流,i,D,受控于,u,GS,通过改变加,在,在绝缘层上,的,的电压(栅,源,源电压)的,大,大小来改变,导,导电沟道的,宽,宽度，进而,改,改变沟道电,阻,阻的大小以,达,达到控制漏,极,极电流的目,的,的，漏极电,流,流,i,D,受控于,u,GS,。,1.4.2 绝缘栅场效应管（IGFET）,3. 工,作,作原理（以,增,增强型NMOS管为例,）,）,106,u,DS,0,u,DS,i,D,近似不变,u,DS,=(u,GS,-,U,GS,(,th,),),预夹断,状态,u,DS,i,D,u,DS,影响,i,D,(,u,GS,= C,0 ),1.4.2 绝缘栅场效应管（IGFET）,3. 工,作,作原理（以,增,增强型NMOS管为例,）,）,u,DS,U,GS,(,th),(或,u,GS,- u,DS,U,GS(th),),预夹断后：,u,GD,U,GS,(,th),(或,u,GS,- u,DS,U,GS(th),),1.4.2 绝缘栅场效应管（IGFET）,3. 工,作,作原理（以,增,增强型NMOS管为例,）,）,109,（1） 输,出,出特性曲线,指,u,DS,为参变量，,i,D,随,u,GS,变化的关系曲线,1.4.2 绝缘栅场效应管（IGFET）,4. 特,性,性曲线（以,增,增强型NMOS管为例,）,）,110,输出特性曲,线,线主要分三,区,区：,截止区,放,放大区,可,可变,电,电阻区,（1）,输出特性曲,线,线,1.4.2 绝缘栅场效应管（IGFET）,可变电阻区,放大区,截止区,111,U,GS(th),=4V,输,出,出,特,特,性,性,曲,曲,线,线,主,主,要,要,分,分,三,三,区,区,：,：,截,止,止,区,区放,大,大,区,区,可,可,变,变,电,电,阻,阻,区,区,（1,）,）,输,输,出,出,特,特,性,性,曲,曲,线,线,1.4.2 绝缘栅场效应管（IGFET）,截,止,止,区,区,：,：,对,应,应,夹,夹,断,断,状,状,态,态,特,点,点,：,：,u,GS,U,GS,(,th),i,D,=0,112,放,大,大,区,区,：,：,对,应,应,管,管,子,子,预,预,夹,夹,断,断,后,后,的,的,状,状,态,态,特,点,点,：,：,受,控,控,放,放,大,大,u,GS,则,i,D,输,出,出,特,特,性,性,曲,曲,线,线,主,主,要,要,分,分,三,三,区,区,：,：,截,止,止,区,区放,大,大,区,区可,变,变,电,电,阻,阻,区,区,（1,）,）,输,输,出,出,特,特,性,性,曲,曲,线,线,1.4.2 绝缘栅场效应管（IGFET）,113,可,变,变,电,电,阻,阻,区,区,：,：,对,应,应,预,预,夹,夹,断,断,前,前,状,状,态,态,特,点,点,：,：,固,定,定u,GS,，u,DS,则i,D,近,似,似,线,线,性,性,-,电,电,阻,阻,特,特,性,性,固,定,定u,DS,，u,GS,变,化,化,则,则,阻,阻,值,值,变,变,化,化,-,变,变,阻,阻,特,特,性,性,输,出,出,特,特,性,性,曲,曲,线,线,主,主,要,要,分,分,三,三,区,区,：,：,截,止,止,区,区,放,放,大,大,区,区可,变,变,电,电,阻,阻,区,区,（1,）,）,输,输,出,出,特,特,性,性,曲,曲,线,线,1.4.2 绝缘栅场效应管（IGFET）,114,指,u,GS,为参变量，,i,D,随,u,DS,变化的关系曲线,（2,）,）,转,转,移,移,特,特,性,性,曲,曲,线,线,1.4.2 绝缘栅场效应管（IGFET,）,4.,特,特,性,性,曲,曲,线,线,（,（,以,以,增,增,强,强,型,型NMOS,管,管,为,为,例,例,）,）,开启电压,U,GS,(,th,),115,预,夹,夹,断,断,后,后,转,转,移,移,特,特,性,性,曲,曲,线,线,重,重,合,合,曲,线,线,方,方,程,程,条,件,件,（2,）,）,转,转,移,移,特,特,性,性,曲,曲,线,线,1.4.2 绝缘栅场效应管（IGFET）,4.,特,特,性,性,曲,曲,线,线,（,（,以,以,增,