模电高职层次电子教案

第,1,章,半导体器件,书名：模拟电子技术,ISBN,：,7-111-19596-5,作者：刘振庭,出版社：机械工业出版社,本书配有电子课件,本章首先简要介绍了半导体的基础知识以及半导体器件的核心部分,-PN,结，然后重点介绍了半导体二极管、晶体管和场效应晶体管的物理结构、工作原理、特性曲线及主要参数；在此基础上还介绍了二极管和晶体管基本电路、分析方法与实际应用。,1.1,半导体基础知识,1.2,半导体二极管,1.3,晶体管,1.4,场效应晶体管,1.1,半导体基础知识,1.1.1,本征半导体,物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电性能取决于原子结构。导体一般由低价元素构成，绝缘体一般由高价元素或高分子物质构成，半导体一般最外层电子为,4,。由于其导电性能介于导体和绝缘体之间，所以称为,半导体,。,硅原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为,价电子。,锗原子,Ge,化学成分纯净、具有晶体结构的半导体称为,本征半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,本征半导体的正离子核,被共价键紧紧束缚的价电子,在绝对温度或没有外界激发时，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。,本征半导体共价键结构,在获得一定能量,(,温度增高、受光照等,),后，价电子即可摆脱原子核的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下空位，称为空穴。这一现象称为,本征激发,，也称,热激发,。,可见，自由电子和空穴总是伴随着本征激发成对出现的，也叫,电子空穴对,。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,自由电子,在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子做定向运动形成的,电子电流,，一是仍被原子核束缚的价电子递补空穴形成的,空穴电流,。也就是说，,在半导体中存在自由电子和空穴两种载流子，这是半导体和金属在导电机理上的本质区别。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,E,1.1.2,杂质半导体,本征半导体中由于本征激发所产生的载流子数目极少，导电能力依然很低。但如果在其中掺入微量的杂质，所形成的杂质半导体的导电性能将大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为,N,型和,P,型两大类。,杂质半导体,：利用一定的掺杂工艺制成的半导体,掺杂的目的：为了显著改变载流子浓度，以提高导电能力,施主杂质,：掺杂后失去电子，提供多余的自由电子的物质,受主杂质,：掺杂后获得电子，提供多余的空位的物质,按照掺入杂质的作用不同，可以将杂质分为两类：,+5,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,施主原子提供的多余电子,施主正离子,N,型半导体的共价键结构,1 N,型半导体,N,型半导体中掺入的杂质为磷或其他五价元素，磷原子在取代原晶体结构中的硅原子并构成共价键时，多余的第五个价电子很容易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子，于是半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子成为多数载流子，空穴则成为少数载流子。,+3,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,受主原子缺少电子产生的空穴,受主获得一个电子形成受主负离子,P,型半导体的共价键结构,2 P,型半导体,P,型半导体中掺入的杂质为硼或其他三价元素，硼原子在取代原晶体结构中的硅原子并构成共价键时，因缺少一个价电子而形成一个空穴，于是半导体中的空穴数目大量增加，空穴成为多数载流子,而自由电子则成为少数载流子。,1.1.3 PN,结,1 PN,结的形成,浓度差,多子的扩散,空间电荷区,内电场,P,、,N,结合,阻碍多子扩散，产生少子漂移,扩散漂移动态平衡,PN,结,2 PN,结的单向导电性,PN,结正向偏置时，内电场削弱，正向电流增大，呈现低电阻，处于导通状态。,PN,结反向偏置时，内电场增强，反向电流增大，呈现高电阻，处于截止状态。,1.2.1,二极管的结构和分类,1.2,半导体二极管,半导体二极管是由,PN,结加上引线和管壳构成的。,1,二极管的结构,点接触型半导体二极管的结构,半导体二极管的符号,按结构分：点接触型、面接触型和平面型,2,二极管的种类,按材料分：硅二极管和锗二极管,1.2.2,二极管的伏安特性,二极管伏安特性图,图中,U,on,称为死区电压，通常硅管的死区电压约为,0.5V,，锗管约为,0.1V,。正向电压低于死区电压时，正向电流很小，只有当正向电压高于死区电压后，才有明显的正向电流。导通时二极管的正向压降变化不大，硅管约为,0.6,0.8V,，锗管约为,0.2,0.3V,。通常认为，,当正向电压,U,U,on,时，二极管导通。,图中,U,BR,称为反向击穿电压，当外加反向电压低于,U,BR,时，二极管处于反向截止区，反向电流几乎为零，但温度上升，反向电流会有增长。当外加反向电压超过,U,BR,后，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为,反向击穿,。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上。,普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般会造成“,热击穿,”，不能恢复原来性能，也就是失效了。,二极管的特性对温度很敏感，温度升高，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。,其规律是：在室温附近，在同一电流下，温度每升高,1,，正向电压减小,2,2.5mV,；温度每升高,10,，反向电流增大约,1,倍。,二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性，可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。,1.2.3,二极管的主要参数,描述器件的物理量，称为器件的参数。它是器件特性的定量描述，也是选择器件的依据。,二极管的主要参数有：,（,1,）最大整流电流,I,F,（,2,）最大反向工作电压,U,R,（,3,）反向电流,I,R,（,4,）最高工作频率,f,M,（,5,）二极管的直流电阻,R,D,（,6,）二极管的交流电阻,r,d,注意：用万用表测量出的电阻值为,R,D,，用不同档测量出的,R,D,值显然是不同的。,1.2.4,二极管的基本应用电路,运用二极管主要是利用它的单向导电性。,二极管导通时，可用短线来代替它；二极管截止时，可认为它断路。,限幅电路利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点组成。当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压也随着输入电压相应的变化；,当输入电压高于某一个数值时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。,我们把开始不变的电压称为限幅电平。它分为上限幅和下限幅。,【,例,1】,试分析图,1,6,所示的限幅电路,输入电压的波形为已知,画出它的限幅电路的波形。,解,:,当,E,=0,时限幅电平为,0V,。,u,i,0,时二极管导通，,u,o,=0,；,u,i,0,时，二极管截止，,u,o,=,u,i,，它的波形如图,(a),所示。当,0,E,U,M,时，限幅电平为,+,E,。,u,i,+,E,时,二极管导通,u,o,=,E,它的波形如图,(b),所示,;,当,U,M,E,0,，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，使基区复合减少，,I,C,/,I,B,增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但,U,CE,再增加时，曲线右移很不明显。因为,U,CE,1V,时，集电结已把绝大多数电子收集过去，收集电子数量不再明显增大。工程实践上，就用,U,CE,1V,的输入特性曲线代替,U,CE,1V,以后的输入特性曲线。,共发射极接法的输入特性曲线,1,输入特性曲线,2,输出特性曲线,当,I,B,不变时，输出回路中的电流,I,C,与电压,U,CE,之间的关系曲线称为输出特性，即,共射极接法输出特性曲线,通常把输出特性曲线分为三个工作区：,(1),截止区,I,C,接近零的区域（即,I,B,0,的区域），相当,I,B,=0,的曲线的下方。在截止区，集电结和发射结均处于反向偏置,(2),放大区,I,C,平行于,U,CE,轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏,(3),饱和区 在靠近纵轴附近，各条输出曲线的上升部分属于饱和区，它是,I,C,受,U,CE,显著控制的区域，该区域内,U,CE,的数值较小，一般,U,CE,0.7 V,(,硅管,),。发射结和集电结都处于正向偏置状态。,1.3.3,晶体管的主要参数,晶体管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。,1,直流参数,(1),直流电流放大系数,共发射极直流电流放大系数,共基极直流电流放大系数,(2),极间反向电流,集,-,基间反向饱和电流,I,CBO,集,-,射间反向饱和电流,I,CEO,I,CEO,和,I,CBO,有如下关系：,2,交流参数,（,1,）交流电流放大系数,交流共基集,-,射电流放大系数,交流共射集,-,基电流放大系数,在放大区，,值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上，通过垂直于横轴的直线求取,I,C,I,B,。,（,2,）特征频率,f,T,晶体管的,值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，晶体管的,将会下降。当,下降到,1,时所对应的频率称为特征频率，用,f,T,表示。,3,极限参数,极限参数是指为了保证晶体管在放大电路中能正常地、安全地工作而不能逾越的参数。,（,1,）集电极最大允许损耗功率,P,CM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗，,P,CM,=,I,C,U,CE,，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。管子工作时，集电结功耗,P,C,0,时，,(,为方便假定,U,DS,=0),，则在,SiO,2,的绝缘层中，产生了一个垂直半导体表面，由栅极指向,P,型衬底的电场。这个电场排斥空穴吸引电子，当,U,GS,U,T,时，在绝缘栅下的,P,型区中形成了一层以电子为主的,N,型层。由于源极和漏极均为,N,+,型，故此,N,型层在漏、源极间形成电子导电的沟道，称为,N,型沟道。,U,T,称为开启电压，此时在漏、源极间加,U,DS,，则形成电流,I,D,。显然，此时改变,U,GS,则可改变沟道的宽窄，即改变沟道电阻大小，从而控制了漏极电流,I,D,的大小。由于这类场效应晶体管在,U,GS,=0,时，,I,D,=0,，只有在,U,GS,U,T,后才出现沟道，形成电流，故称为增强型。,2,N,沟道耗尽型,MOS,管,（,1,）结构,耗尽型,MOS,管，是在制造过程中，预先在,SiO,2,绝缘层中掺入大量的正离子，因此，在,U,GS,=0,时，这些正离子产生的电场也能在,P,型衬底中“感应”出足够的电子，形成,N,型导电沟道，如图所示。,衬底通常在内部与源极相连。,N,沟道耗尽型,MOS,管的结构示意图及符号,（,2,）工作原理,当,U,DS,0,时，将产生较大的漏极电流,I,D,。如果使,U,GS,0,，则它将削弱正离子所形成的电场，使,N,沟道变窄，从而使,I,D,减小。当,U,GS,更负，达到某一数值时沟道消失，,I,D,=0,。使,I,D,=0,的,U,GS,我们也称为夹断电压，仍用,U,GS(off),表示。,U,GS,U,GS(off),沟道消失，称为耗尽型。,1.4.4,场效应晶体管的主要参数,1,直流参数,（,1,）开启电压,U,GS(th),开启电压是增强型绝缘栅场效应晶体管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值，场效应晶体管不能导通。,（,2,）夹断电压,U,GS(off),夹断电压是耗尽型场效应晶体管的参数，当,U,GS,=,U,GS(off),时，漏极电流为零。,（,3,）饱和漏极电流,I,DSS,耗尽型场效应晶体管，当,U,GS,=0,时所对应的漏极电流。,（,4,）直流输入电阻,R,GS(DC),场效应晶体管的栅,源电压与栅极电流之比。对于结型场效应晶体管，反偏时,R,GS(DC),略大于,10,7,，对于绝缘栅型场型效应晶体管，,R,GS(DC),约为,10,9,10,15,。,2,交流参数,（,1,）低频跨导,g,m,低频跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。,g,m,可以在转移特性曲线上求取，为转移特性曲线的斜率。,r,ds,反映了,u,DS,对,i,D,的影响，它是输出特