模拟电子教程基础第一章.ppt

1 第一章 半导体器件 2 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双极结型三极管 3 1 1 1导体 半导体和绝缘体 一 导体自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 二 绝缘体有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 三 半导体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 1 1半导体的特性 4 半导体的导电机理不同于其它物质 所以它具有不同于其它物质的特点 例如 当受外界热和光的作用时 它的导电能力明显变化 往纯净的半导体中掺入某些杂质 会使它的导电能力明显改变 5 1 1 2本征半导体 一 本征半导体结构 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体 现代电子学中 用的最多的半导体是硅和锗 它们的最外层电子 价电子 都是四个 6 本征半导体 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 在硅和锗晶体中 原子按四角形系统组成晶体点阵 每个原子都处在正四面体的中心 而四个其它原子位于四面体的顶点 每个原子与其相临的原子之间形成共价键 共用一对价电子 7 硅和锗的共价键结构 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 8 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为束缚电子 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子 因此本征半导体中的自由电子很少 所以本征半导体的导电能力很弱 形成共价键后 每个原子的最外层电子是八个 构成稳定结构 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 9 二 本征激发 在绝对0度 T 0K 和没有外界激发时 价电子完全被共价键束缚着 本征半导体中没有可以运动的带电粒子 即载流子 它的导电能力为0 相当于绝缘体 在常温下 由于热激发 使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚 成为自由电子 同时共价键上留下一个空位 称为空穴 1 载流子 自由电子和空穴 10 自由电子 空穴 束缚电子 11 2 本征半导体的导电机理 在其它力的作用下 空穴吸引附近的电子来填补 这样的结果相当于空穴的迁移 而空穴的迁移相当于正电荷的移动 因此可以认为空穴是载流子 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 即自由电子和空穴 12 温度越高 载流子的浓度越高 因此本征半导体的导电能力越强 温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素 这是半导体的一大特点 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 本征半导体中电流由两部分组成 1 自由电子移动产生的电流 2 空穴移动产生的电流 13 1 1 3杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 就会使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加 P型半导体 空穴浓度大大增加的杂质半导体 也称为 空穴半导体 N型半导体 自由电子浓度大大增加的杂质半导体 也称为 电子半导体 14 一 N型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代 磷原子的最外层有五个价电子 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键 必定多出一个电子 这个电子几乎不受束缚 很容易被激发而成为自由电子 这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子 每个磷原子给出一个电子 称为施主原子 15 多余电子 磷原子 N型半导体中的载流子是什么 1 由施主原子提供的电子 浓度与施主原子相同 2 本征半导体中成对产生的电子和空穴 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以 自由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 16 二 P型半导体 空穴 硼原子 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 17 杂质半导体的示意表示法 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流 但由于数量的关系 起导电作用的主要是多子 近似认为多子与杂质浓度相等 18 小结 1 半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间 2 在一定温度下 本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对 故其有一定的导电能力 3 本征半导体的导电能力主要由温度决定 杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定 4 P型半导体中空穴是多子 自由电子是少子 N型半导体中自由电子是多子 空穴是少子 5 半导体的导电能力与温度 光强 杂质浓度和材料性质有关 19 1 2 1PN结的形成 在同一片半导体基片上 分别制造P型半导体和N型半导体 经过载流子的扩散 在它们的交界面处就形成了PN结 1 2PN结及半导体二极管 一 多子扩散 20 P型半导体 N型半导体 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽 空间电荷区越宽 内电场越强 就使漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 21 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡 相当于两个区之间没有电荷运动 空间电荷区的厚度固定不变 二 少子漂移 22 空间电荷区 N型区 P型区 电位V V0 23 1 空间电荷区中没有载流子 2 空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴 N区中的电子 都是多子 向对方运动 扩散运动 3 P区中的电子和N区中的空穴 都是少 数量有限 因此由它们形成的电流很小 注意 24 1 2 2PN结的单向导电性 PN结加上正向电压 正向偏置的意思都是 P区加正 N区加负电压 PN结加上反向电压 反向偏置的意思都是 P区加负 N区加正电压 25 一 PN结正向偏置 P N 内电场被削弱 多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流 26 二 PN结反向偏置 N P 内电场被被加强 多子的扩散受抑制 少子漂移加强 但少子数量有限 只能形成较小的反向电流 R E 27 1 2 3半导体二极管 一 基本结构 PN结加上管壳和引线 就成为半导体二极管 点接触型 面接触型 28 二 伏安特性 死区电压硅管0 6V 锗管0 2V 导通压降 硅管0 6 0 7V 锗管0 2 0 3V 反向击穿电压UBR 29 三 主要参数 1 最大整流电流IOM 二极管长期使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 2 反向击穿电压UBR 二极管反向击穿时的电压值 击穿时反向电流剧增 二极管的单向导电性被破坏 甚至过热而烧坏 手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半 30 3 反向电流IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流 反向电流大 说明管子的单向导电性差 因此反向电流越小越好 反向电流受温度的影响 温度越高反向电流越大 硅管的反向电流较小 锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍 以上均是二极管的直流参数 二极管的应用是主要利用它的单向导电性 主要应用于整流 限幅 保护等等 下面介绍两个交流参数 31 4 微变电阻rD uD rD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比 显然 rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻 32 5 二极管的极间电容 二极管的两极之间有电容 此电容由两部分组成 势垒电容CB和扩散电容CD 势垒电容 势垒区是积累空间电荷的区域 当电压变化时 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化 这样所表现出的电容是势垒电容 扩散电容 为了形成正向电流 扩散电流 注入P区的少子 电子 在P区有浓度差 越靠近PN结浓度越大 即在P区有电子的积累 同理 在N区有空穴的积累 正向电流大 积累的电荷多 这样所产生的电容就是扩散电容CD 33 CB在正向和反向偏置时均不能忽略 而反向偏置时 由于载流子数目很少 扩散电容可忽略 PN结高频小信号时的等效电路 势垒电容和扩散电容的综合效应 34 二极管 死区电压 0 5V 正向压降 0 7V 硅二极管 理想二极管 死区电压 0 正向压降 0 二极管的应用举例1 二极管半波整流 35 二极管的应用举例2 36 1 2 4稳压二极管 U IZ 稳压误差 曲线越陡 电压越稳定 UZ 一 结构二 特性 37 4 稳定电流IZ 最大 最小稳定电流Izmax Izmin 5 最大允许功耗 三 稳压二极管的参数 1 稳定电压UZ 3 动态电阻 38 负载电阻 要求当输入电压由正常值发生 20 波动时 负载电压基本不变 稳压二极管的应用举例 稳压管的技术参数 解 令输入电压达到上限时 流过稳压管的电流为Izmax 求 电阻R和输入电压ui的正常值 方程1 39 令输入电压降到下限时 流过稳压管的电流为Izmin 方程2 联立方程1 2 可解得 40 1 2 5特殊二极管 反向电流随光照强度的增加而上升 一 光电二极管 41 二 发光二极管 有正向电流流过时 发出一定波长范围的光 目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光 它的电特性与一般二极管类似 42 1 3 1基本结构和类型 基极 发射极 集电极 NPN型 PNP型 1 3半导体三极管 一 结构 43 基区 较薄 掺杂浓度低 集电区 面积较大 发射区 掺杂浓度较高 44 发射结 集电结 二 类型 有PNP型和NPN型 硅管和锗管 大功率管和小功率管 高频管和低频管 45 1 3 2三极管的连接方式 EB RB EC 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IBE 多数扩散到集电结 发射结正偏 发射区电子不断向基区扩散 形成发射极电流IE 一 共发射极接法二 共集电极接法三 共基极接法 1 3 3电流放大原理 46 EB RB EC 集电结反偏 有少子形成的反向电流ICBO 从基区扩散来的电子作为集电结的少子 漂移进入集电结而被收集 形成ICE 一 载流子传输过程发射 复合 收集 47 IB IBE ICBO IBE 二 各极电流关系 48 49 ICE与IBE之比称为电流放大倍数 要使三极管能放大电流 必须使发射结正偏 集电结反偏 三 电流放大系数 50 NPN型三极管 PNP型三极管 51 1 3 4特性曲线 IC V UCE UBE RB IB EC EB 实验线路 52 一 输入特性 工作压降 硅管UBE 0 6 0 7V 锗管UBE 0 2 0 3V 死区电压 硅管0 5V 锗管0 2V 53 二 输出特性 IC mA 此区域满足IC IB称为线性区 放大区 当UCE大于一定的数值时 IC只与IB有关 IC IB 54 此区域中UCE UBE 集电结正偏 IB IC UCE 0 3V称为饱和区 55 此区域中 IB 0 IC ICEO UBE 死区电压 称为截止区 56 输出特性三个区域的特点 放大区 发射结正偏 集电结反偏 即 IC IB 且 IC IB 2 饱和区 发射结正偏 集电结正偏 即 UCE UBE IB IC UCE 0 3V 3 截止区 UBE 死区电压 IB 0 IC ICEO 0 57 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 当USB 2V时 IB 0 IC 0 IC最大饱和电流 Q位于截止区 58 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 IC ICmax 2mA Q位于放大区 USB 2V时 59 USB 5V时 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 Q位于饱和区 此时IC和IB已不是 倍的关系 60 1 3 5主要参数 前面的电路中 三极管的发射极是输入输出的公共点 称为共射接法 相应地还有共基 共集接法 共射直流电流放大倍数 工作于动态的三极管 真正的信号是叠加在直流上的交流信号 基极电流的变化量为 IB 相应的集电极电流变化为 IC 则交流电流放大倍数为 1 电流放大倍数 和 61 例 UCE 6V时 IB 40 A IC 1 5mA IB 60 A IC 2 3mA 在以后的计算中 一般作近似处理 62 2 集 基极反向截止电流ICBO ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流 受温度的变化影响 63 B E C N N P ICBO进入N区 形成IBE 根据放大关系 由于IBE的存在 必有电流 IBE 集电结反偏有ICBO 3 集 射极反向截止电流ICEO ICEO受温度影响很大 当温度上升时 ICEO增加很快 所以IC也相应增加 三极管的温度特性较差 64 4 集电极最大电流ICM 集电极电流IC上升会导致三极管的 值的下降 当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM 5 集 射极反向击穿电压 当集 射极之间的电压UCE超过一定的数值时 三极管就会被击穿 手册上给出的数值是25 C 基极开路时的击穿电压U BR CEO 65 6 集电极最大允许功耗PCM 集电极电流IC流过三极管 所发出的焦耳热为 PC ICUCE 必定导致结温上升 所以PC有限制 PC PCM ICUCE PCM 安全工作区 66 67 1 4场效应晶体管 FET 场效应管 FET 是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件 属于压控器件 由于它仅靠多子参加导电 又称单极型晶体管 一 结型场效应管 JFET 结型场效应管又有N沟道和P沟道两种类型 图1 4 1是N沟道结型场效应管的结构示意图 图1 4 2 a 是N沟道结型场效应管的符号 图1 4 1中 在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区 并将它们连接在一起 所引出的电极称为栅极G N型半导体的两端分别引出两个电极 一个称为漏极D 一个称为源极S P区与N区交界面形成耗尽层 漏极和源极间的非耗尽层区域称为导电沟道 注意 箭头指向是PN结的正偏方向 68 图1 4 1N沟道结型场效应管的结构示意图 a N沟道管 b P沟道管 图1 4 2结型场效应管的符号 69 一 结型场效应管的工作原理 1 当 即 短路 时 导电沟道的控制作用 图1 4 3时 对导电沟道的控制作用 当且时 耗尽层很窄 导电沟道很宽 如图1 4 3 a 所示 当增大时 耗尽层加宽 沟道变窄 如图1 4 3 b 所示 沟道电阻增大 当增大到某一数值时 耗尽层闭合 沟道消失 如图1 4 3 c 所示 沟道电阻趋于无穷大 称此时的值为夹断电压 70 2 当为 0中某一固定值时 对漏极电流的影响 若 则有电流从漏极流向源极 从而使沟道中各点与栅极间的电压不再相等 而是沿沟道从源极到漏极逐渐增大 造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边宽 换言之 靠近漏极一边的导电沟道比靠近源极一边的窄 如图1 4 4 a 所示 图1 4 4且的情况 71 因为栅 漏电压 所以当逐渐增大时 逐渐减小 靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄 一旦的增大使等于 则漏极一边的耗尽层就会出现夹断区 如图1 4 4 b 所示 称为预夹断 若继续增大 则 耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸 即夹断区加长 如图1 4 4 c 所示 因此 当时 当增大时几乎不变 即几乎仅仅决定于 表现出的恒流性和受控性 72 二 结型场效应管的特性曲线 1 漏极特性 输出特性曲线 描述当栅 源电压为常量时 漏极电流与漏 源电压之间的函数关系 即 对应于一个 就有一条曲线 因此漏极特性为一族曲线 如图1 4 5 b 所示 a 转移特性 b 漏极特性 图1 4 5结型场效应管的特性曲线 73 场效应管有三个工作区 1 可变电阻区 图1 4 5 b 中的虚线为预夹断轨迹 它是各条曲线上使的点连接而成的 预夹断轨迹的左边区域称为可变电阻区 该区域中曲线近似为不同斜率的直线 恒流性和受控性 利用场效应管作为放大管时 应使其工作在该区域 3 夹断区 当时 导电沟道被夹断 2 恒流区 饱和区 各曲线近似为一组恒轴的平行线 74 2 转移特性 描述当漏 源电压为常量时 漏极电流与栅 源电压之间的函数关系 即 当场效应管工作在恒流区时 可以用一条转移特性曲线代替恒流区的所有曲线 如图1 4 5 a 所示 可见转移特性曲线与漏极特性曲线有严格的对应关系 根据半导体物理中对场效应管内部载流子的分析可得到恒流区中的近似表达式为 应当指出 为保证N沟道结型场效应管栅 源间的耗尽层加反向电压 75 二 绝缘栅型场效应管 绝缘栅型场效应管的栅极与源极 栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离而得名 又因为栅极为金属铝 故又称为MOS管 MOS管分为四种类型 N沟道耗尽型管 N沟道增强型管 P沟道耗尽型管和P沟道增强型管 下面以N沟道耗尽型管为例进行讲解 一 结构与符号 B端为衬底 经常与源极短接在一起 a 结构图 b 符号 图1 4 6N 耗 MOS管的结构与符号 76 二 N沟道的形成 导电粒子为自由电子 N型半导体的多子 当不加外电场 时 在二氧化硅层中事先掺入的正离子 带正电荷 由于静电感应能在P型衬底表面处 两N 区之间 感应出同等数量的负电荷 电子 形成N型导电沟道 又称反型层 把两个N 区连接起来 图1 4 7N沟道的形成与外电场对N沟道的影响 反型层的形成是MOS管能工作的关键 必须指出 当不加外电场时N沟道就已经存在 这是耗尽型的特点 77 三 特性曲线及工作原理 a 转移特性 b 漏极特性 图1 4 8N 耗 MOS管的特性曲线 78 1 转移特性 如图1 4 8 a 所示 转移特性曲线与N沟道结型管相仿 不同的是可以为正值 转移特性反映对的控制规律 控制原理可以分四种情况讨论 1 时 来源于外电场VGS正极的正电荷使SiO2中原有的正电荷数目增加 由静电感应 N沟道中的电子随之作同等数量的增加 N沟道变宽 沟道电阻减小 漏电流成指数规律的增加 2 时 N沟道已经存在 因此不为零 仍记以IDSS 但不是最大值 3 时 来源于外电场负极上的负电荷抵消一部分SiO2中原有的正电荷 使其数目减少 沟道变窄 沟道电阻增加 从而漏电流ID成指数规律减小 4 时 SiO2层中的正电荷全部被负电源中和 N沟道中电子全部消失 也就是说N沟道不存在了 沟道电阻为无穷大 漏电流 管子截止 夹断 79 综上述可知 MOS管与J型管的导电机构不同 J型管利用耗尽区的宽窄度控制漏流 而MOS管是利用感应电荷的多少改变导电沟道的性质 从而达到控制的目的 2 漏极特性 如图1 4 8 b 所示 MOS管的漏极特性与J型管类似 对N沟道也有楔形影响 越大 N沟道的楔形程度越严重 一定 楔形一定 改变大小可改变N沟道的宽窄度 从正到负 即漏极特性曲线由上而下 反映对的控制作用 可见 这种管子也有受控性及恒流性 也分三个区 80 三 场效应管的主要参数 一 直流参数 1 夹断电压 是指在为常量情况下 时对应的值 适用于J型管及耗尽型的MOS管 约有几伏数量级 2 开启电压是指在为常量情况下 使大于零所需要的最小值 适用于增强型MOS管 3 饱和漏极电流 对于耗尽型管 在UGS 0情况下产生预夹断时的漏极电流定义为 4 直流输入电阻 指栅 源电压与栅极电流的比值 对于J型管 在107 至109 对MOS管一般可达1012 至1015 81 二 交流参数 低频跨导 数值大小表示对控制作用的强弱 在管子工作在恒流区且为常量的条件下 的微小变化量与引起它变化的之比 称为低频跨导 即 单位是 S 西门子 是转移特性曲线上某一点的切线的斜率 与切点的位置密切相关 三 极限参数 1 最大漏极电流 是管子正常工作时漏极电流的上限值 2 击穿电压 1 指在漏极特性中使开始剧增的值 2 对J型管 使反向饱和电流开始剧增时所对应的值 对MOS管 使SiO2绝缘层击穿的值 82 四 微变等效电路及其参数 根据漏极特性曲线族具有受控性及恒流性 在低频小信号情况下可画出FET简化的等效电路如图1 4 9所示 其中极性与的方向 大小是受控关系 即 83 的大小有三种求法 1 在漏极特性上确定的方法与 相同 如图1 4 10 a 所示 2 在转移特性上求 如图1 4 10 b 所示 可见 的几何意义是过静态工作点Q作外切线的斜率 3 用计算法求 84 a 在漏极特性上求gm b 在转移特性上求gm 图1 4 10求 五 场效应管和双极型三极管的比较 我们在了解场效应管的一般性能以后 下面再把它和双极型三极管相比 作为选用的依据 85 1 场效应管是电压控制元件 而双极型三极管则是电流控制元件 所以在向信号源基本不取电流的情况下 应该用场效应管 而在信号电压较弱但又允许取一定电流的情况下 应该选用双极型三极管 2 场效应管是利用多数载流子导电 例如N型硅中的自由电子 而双极型三极管既利用多数载流子又利用少数载流子 少数载流子的数目容易受温度或核辐射等外界因素的影响 因此在环境条件变化比较剧烈的情况下 采用场效应管比较合适 场效应管有一个零温度系数工作点 即当栅极电压在某一合适的数值时 不受温度变化的影响 3 场效应管的噪声系数比三极管要小 因此在低噪声放大器的前级 常选用场效应管 86 6 场效应管的工作频率较低 不适合高频运用 绝缘栅场效应管容易被感应电压击穿 称栅穿 使用和保存时应注意防栅穿 如保存时将各电极短接在一起 焊接时电烙铁要有良好的接地线或断电后利用余热焊接 5 场效应管能在很小的电流 很低的电压条件下工作 故适用于作为小功率无触点开关和由电压控制的可变电阻 而且它的制造工艺便于集成化 因而在电子设备中得到广泛的应用 4 有些场效应管的源极和漏极可以互换 栅极电压可正可负 灵活性比双极型三极管强