《模拟电路》第1章：半导体器件基础.ppt

第一章半导体器件基础 1 1半导体的基本知识 1 2半导体二极管 1 3半导体三极管 1 4BJT模型 1 5场效应管 1 1半导体的基本知识 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 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 外加能量越高 温度越高 产生的电子空穴对越多 动画演示 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 自由电子带负电荷电子流 动画演示 总电流 空穴带正电荷空穴流 本征半导体的导电性取决于外加能量 温度变化 导电性变化 光照变化 导电性变化 导电机制 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 因多子浓度差 形成内电场 多子的扩散 空间电荷区 阻止多子扩散 促使少子漂移 PN结合 空间电荷区 多子扩散电流 少子漂移电流 耗尽层 三 PN结及其单向导电性 1 PN结的形成 动画演示 动态平衡 扩散电流 漂移电流 总电流 0 2 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IF 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IR 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 动画演示1 动画演示2 3 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 38 10 23q为电子电荷量1 6 10 19T为热力学温度对于室温 相当T 300K 则有UT 26mV 当u 0u UT时 当u UT 时 4 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 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 半导体二极管的型号 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下 2AP9 一 半导体二极管的V A特性曲线 硅 0 5V锗 0 1V 1 正向特性 导通压降 2 反向特性 死区电压 实验曲线 硅 0 7V锗 0 3V 二 二极管的模型及近似分析计算 例 二极管的模型 串联电压源模型 UD二极管的导通压降 硅管0 7V 锗管0 3V 理想二极管模型 正偏 反偏 二极管的近似分析计算 例 串联电压源模型 测量值9 32mA 相对误差 理想二极管模型 相对误差 0 7V 例 二极管构成的限幅电路如图所示 R 1k UREF 2V 输入信号为ui 1 若ui为4V的直流信号 分别采用理想二极管模型 理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo 解 1 采用理想模型分析 采用理想二极管串联电压源模型分析 2 如果ui为幅度 4V的交流三角波 波形如图 b 所示 分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形 解 采用理想二极管模型分析 波形如图所示 采用理想二极管串联电压源模型分析 波形如图所示 三 二极管的主要参数 1 最大整流电流IF 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 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 四 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 IrZ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IZ IZmin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 BipolarJunctionTransistor 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 二 BJT的内部工作原理 NPN管 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 1 因为发射结正偏 所以发射区向基区注入电子 形成了扩散电流IEN 同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动 形成的电流为IEP 但其数量小 可忽略 所以发射极电流IE IEN 2 发射区的电子注入基区后 变成了少数载流子 少部分遇到的空穴复合掉 形成IBN 所以基极电流IB IBN 大部分到达了集电区的边缘 1 BJT内部的载流子传输过程 3 因为集电结反偏 收集扩散到集电区边缘的电子 形成电流ICN 另外 集电结区的少子形成漂移电流ICBO 2 电流分配关系 三个电极上的电流关系 IE IC IB 定义 1 IC与IE之间的关系 所以 其值的大小约为0 9 0 99 2 IC与IB之间的关系 联立以下两式 得 所以 得 令 三 BJT的特性曲线 共发射极接法 1 输入特性曲线iB f uBE uCE const 1 uCE 0V时 相当于两个PN结并联 3 uCE 1V再增加时 曲线右移很不明显 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 2 输出特性曲线iC f uCE iB const 现以iB 60uA一条加以说明 1 当uCE 0V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 输出特性曲线可以分为三个区域 饱和区 iC受uCE显著控制的区域 该区域内uCE 0 7V 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20 200之间 2 3 1 5 1 共发射极电流放大系数 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 ICBO为微安数量级 硅管 ICBO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 1 4三极管的模型及分析方法 UD 0 7V UCES 0 3V iB 0iC 0 一 BJT的模型 直流模型 二 BJT电路的分析方法 直流 1 模型分析法 近似估算法 模拟p58 59 例 共射电路如图 已知三极管为硅管 40 试求电路中的直流量IB IC UBE UCE UBE UCE 解 设三极管工作在放大状态 用放大模型代替三极管 UBE 0 7V 2 图解法模拟 p54 56 iC f uCE iB 40 A M VCC 0 12 0 0 3 直流负载线 斜率 UCEQ6V ICQ1 5mA Q 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 1 5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 FieldEffectTransistor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 绝缘栅场效应三极管 绝缘栅型场效应管 MetalOxideSemiconductorFET 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 当uGS 0V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 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uGS UT 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 b uds id 同时沟道靠漏区变窄 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 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 击穿区 转移特性曲线 iD f uGS uDS const 可根据输出特性曲线作出移特性曲线 例 作uDS 10V的一条转移特性曲线 UT 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uGS 0时 沟道增宽 iD进一步增加 当uGS 0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 N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线 输出特性曲线 转移特性曲线 UP 3 P沟道耗尽型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 4 MOS管的主要参数 1 开启电压UT 2 夹断电压UP 3 跨导gm gm iD uGS uDS const 4 直流输入电阻RGS 栅源间的等效电阻 由于MOS管栅源间有sio2绝缘层 输入电阻可达109 1015 本章小结 1 半导体材料中有两种载流子 电子和空穴 电子带负电 空穴带正电 在纯净半导体中掺入不同的杂质 可以得到N型半导体和P型半导体 2 采用一定的工艺措施 使P型和N型半导体结合在一起 就形成了PN结 PN结的基本特点是单向导电性 3 二极管是由一个PN结构成的 其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述 在研究二极管电路时 可根据不同情况 使用不同的二极管模型 4 BJT是由两个PN结构成的 工作时 有两种载流子参与导电 称为双极性晶体管 BJT是一种电流控制电流型的器件 改变基极电流就可以控制集电极电流 BJT的特性可用输入特性曲线和输出特性曲线来描述 其性能可以用一系列参数来表征 BJT有三个工作区 饱和区 放大器和截止区 6 FET分为JFET和MOSFET两种 工作时只有一种载流子参与导电 因此称为单极性晶体管 FET是一种电压控制电流型器件 改变其栅源电压就可以改变其漏极电流 FET的特性可用转移特性曲线和输出特性曲线来描述 其性能可以用一系列参数来表征