模擬電子技術(shù)第1章 半導(dǎo)體器件j

1、1）受外界光照時電導(dǎo)率發(fā)生很大變化光敏性； 2）受外界熱刺激時電導(dǎo)率發(fā)生很大變化熱敏性；3）摻進(jìn)微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力顯著增加摻雜性。載流子載流子可以自由移動的帶電粒子。 根據(jù)物體導(dǎo)電能力的不同，劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge等。半導(dǎo)體的特點(diǎn)半導(dǎo)體的特點(diǎn)：+4+4+4+4+4+4+4+4+4T=0K時時本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴本征激發(fā)本征激發(fā)復(fù)合復(fù)合在常溫下在常溫下成對出現(xiàn)成對出現(xiàn)成對消失成對消失本征半導(dǎo)體的載流子本征半導(dǎo)體的

2、載流子空穴運(yùn)動空穴運(yùn)動結(jié)結(jié) 論論1.1.本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。3.3.溫度越高，載流子的濃度越高。因此溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)特點(diǎn)。2.2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。的濃度。雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體: 雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體（三價）（五價）+4+4+4+4+4+4+4+4（1 1）

3、N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在硅或鍺在硅或鍺的晶體中摻入的晶體中摻入少量的五價元少量的五價元素素, ,如磷如磷, ,則形則形成成N N型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。(電子型半導(dǎo)體) 磷原子磷原子+4+5多余價電子多余價電子自由電子自由電子正離子正離子本征激發(fā)本征激發(fā)+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴（2 2）P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體在硅或鍺的晶體中摻入少量的三中摻入少量的三價元素價元素, ,如硼如硼, ,則則形成形成P P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 ( (空穴型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體) ) +4+4硼原子硼原子填補(bǔ)空位填補(bǔ)空位+3負(fù)離子負(fù)離子本征激發(fā)本征激發(fā)1.N1.N型半導(dǎo)體中自由電子是多子，其中大部

4、分是摻型半導(dǎo)體中自由電子是多子，其中大部分是摻雜提供的，本征半導(dǎo)體中受激產(chǎn)生的自由電子雜提供的，本征半導(dǎo)體中受激產(chǎn)生的自由電子只占少數(shù)。只占少數(shù)。 N N型半導(dǎo)體中空穴是少子，少子的遷移也能形型半導(dǎo)體中空穴是少子，少子的遷移也能形成電流，由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要成電流，由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。2 2.P.P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。結(jié)結(jié) 論論P(yáng) 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)N區(qū)的電子向區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散并與空穴復(fù)合區(qū)擴(kuò)散并與空穴復(fù)合P區(qū)的空穴向區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散并與電子復(fù)合區(qū)擴(kuò)

5、散并與電子復(fù)合空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向E外電場方向外電場方向RIP 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)外電場驅(qū)使外電場驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷抵消一部分正空間電荷空間電荷區(qū)變窄空間電荷區(qū)變窄 擴(kuò)散運(yùn)動增強(qiáng)，形擴(kuò)散運(yùn)動增強(qiáng)，形成較大的正向電流成較大的正向電流（1 1）外加正向電壓）外加正向電壓RP 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)空間電荷區(qū)變寬空間電荷區(qū)變寬 （2 2）外加反向電壓）外加反向電壓E 外電場方向外電場方向內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向少數(shù)載流子越過少數(shù)載流子越過PN結(jié)結(jié)形

6、成很小的反向電流形成很小的反向電流 IR1、空間電荷區(qū)中沒有載流子又稱耗盡層。、空間電荷區(qū)中沒有載流子又稱耗盡層。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙擴(kuò)散運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)的進(jìn)行。（擴(kuò)散運(yùn)動為多子形成的運(yùn)動）行。（擴(kuò)散運(yùn)動為多子形成的運(yùn)動）3、少子少子數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。4、PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?正向偏置正向偏置： P區(qū)加正、區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓區(qū)加負(fù)電壓 多子運(yùn)動增強(qiáng)，多子運(yùn)動增強(qiáng)，PN結(jié)導(dǎo)通結(jié)導(dǎo)通 反向偏置：反向偏置：P區(qū)加負(fù)、區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓區(qū)加正電壓 少子運(yùn)動增強(qiáng)，少子運(yùn)動增強(qiáng)，PN結(jié)截止結(jié)截止結(jié)結(jié)

7、 論論1.2 半導(dǎo)體二極管二極管二極管 ：一個PN結(jié)就是一個二極管。單向?qū)щ姡簡蜗驅(qū)щ姡憾O管正極接電源正極，負(fù)極接電源負(fù)極時電流可以通過。反之電流不能通過。符號符號：伏安特性伏安特性UI死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.5V,鍺管鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降: : 硅管硅管0.60.7V, 鍺鍺管管0.20.3V。反向擊穿電反向擊穿電壓壓U(BR)小結(jié)：小結(jié)：（1 1）二極管正向電壓很）二極管正向電壓很 小時，有死區(qū)。小時，有死區(qū)。（2 2）二極管正向?qū)〞r）二極管正向?qū)〞r 管壓降基本固定。導(dǎo)通電管壓降基本固定。導(dǎo)通電阻很小。阻很小。（3 3）二極管反向截止時）二極管反向截止時 ，反向電流很

8、小，并幾乎，反向電流很小，并幾乎不變，稱反向飽和電流。不變，稱反向飽和電流。（4 4）反向電壓加大到一）反向電壓加大到一 定程度二極管反向擊穿。定程度二極管反向擊穿。OACBD半導(dǎo)體二極管的參數(shù)半導(dǎo)體二極管的參數(shù)(1) 最大整流電流最大整流電流I IOMOM(2) 反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓U UBWMBWM(3) 反向峰值電流反向峰值電流I IRMRM二極管加上反向峰值電壓下的反向電流值。二極管連續(xù)工作時，允許流過的最大整流電流的平均值。二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓。為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。UI 試求下列電

9、路中的電流。（二極管為硅管）試求下列電路中的電流。（二極管為硅管）分析、應(yīng)用舉例分析、應(yīng)用舉例 二極管的二極管的應(yīng)用范圍很廣應(yīng)用范圍很廣,它可用于整流、檢波、限幅、它可用于整流、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。 其中：其中： U US S=5V=5V，R=1KR=1K 解：電路中二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)解：電路中二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)mARUIS4 . 416 . 056 . 0+-USRI二極管為電流控制型元件，二極管為電流控制型元件，R是限流電阻。是限流電阻。例例1 1 已知已知VA=3V， VB=0V， VDA 、VDB為鍺管，求輸為鍺管，求

10、輸出端出端Y的電位并說明的電位并說明二極管的二極管的作用。作用。 解：解： VDA優(yōu)先導(dǎo)通，則優(yōu)先導(dǎo)通，則VY=30.3=2.7VVDA導(dǎo)通后導(dǎo)通后, VDB因反偏而截止因反偏而截止,起起作用作用, VDA起起作用作用,將將Y端的電位鉗制在端的電位鉗制在+2.7V。 VDA 12VYABVDBR二極管導(dǎo)通后，管子上的管壓降基本恒定。二極管導(dǎo)通后，管子上的管壓降基本恒定。例例2 2利用二極管的單向?qū)щ娎枚O管的單向?qū)щ娦钥勺鳛殡娮娱_關(guān)性可作為電子開關(guān)vI1 vI2二極管工作狀態(tài)D1 D2v00V 0V導(dǎo)通 導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止 導(dǎo)通截止 截止0V 5V5V 0V5V 5V0V0V0V5V求求v

11、vI1I1和和v vI2I2不同值組合時的不同值組合時的v v0 0值（二極管為理想模型）。值（二極管為理想模型）。解：解：例例3 3電路如左圖電路如左圖mA43122D IB BD D1 16V6V12V12V3k3k A AD D2 2U UABAB+ +例例4 4VRVmvit0V Vi i V VR R時，二極管導(dǎo)通，時，二極管導(dǎo)通，v vo o=v=vi i。V Vi i V 3.6V 3.6V時，二極管導(dǎo)通，時，二極管導(dǎo)通，v vo o= =3.6V3.6V。V Vi i 3.6VVV1 1時，時，D D1 1導(dǎo)通、導(dǎo)通、D D2 2截止，截止，V Vo o=V=V1 1。V Vi

12、 iVV2 2時，時，D D2 2導(dǎo)通、導(dǎo)通、D D1 1截止，截止，V Vo o=V=V2 2。V V2 2 V Vi iVIC , IC飽和飽和;UCES 0.3V稱為飽和壓降。稱為飽和壓降。2.2.飽和區(qū)飽和區(qū)條件條件:發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均和集電結(jié)均為正偏為正偏.IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此區(qū)域中特點(diǎn)此區(qū)域中特點(diǎn) : IB=0,IC=ICEO,UBEIC 。BE結(jié)正偏，結(jié)正偏，BC結(jié)正偏結(jié)正偏 ，即，即UCE UBE （UCE 0.3V ，UBE 0.7V） (3) 截止區(qū)截止區(qū) UBEVVb bVVe e放大放大V

13、Vc cVVb bVVe e例例3 3： 測量放大電路中的三極管兩個電極的電流，試判斷三極管管腳、類型。例例4 4：半導(dǎo)體三極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體三極管的主要參數(shù) BCII_ BCII 53704051BC.II 400400605132BC .II 例例5 5：I ICBOCBO A A+ +E EC C A AI ICEOCEOI IB B=0=0+ +I ICMCMU U(BR)CEO(BR)CEO安全工作區(qū)安全工作區(qū)I IC CU UCECEO O本課應(yīng)重點(diǎn)掌握的內(nèi)容了解三極管的基本構(gòu)造、工作原理;2. 掌握三極管的特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；3. 掌握判斷三極管的狀態(tài)的方法；結(jié)型場效

14、應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 場效應(yīng)晶體三極管是由一種載流子導(dǎo)電的、用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有自由電子導(dǎo)電的N溝道器件和空穴導(dǎo)電的P溝道器件。 按照場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)劃分，有結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵型場效應(yīng)管兩大類。 1.1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)1.5 場效應(yīng)管2.工作原理 N 溝道PN結(jié)N N溝道場效應(yīng)管工作時，溝道場效應(yīng)管工作時，在柵極與源極之間加負(fù)電在柵極與源極之間加負(fù)電壓，柵極與溝道之間的壓，柵極與溝道之間的PNPN結(jié)為反偏。結(jié)為反偏。 在漏極、源極之間加一在漏極、源極之間加一定正電壓，使定正電壓，使N N溝道中的多溝道中的多數(shù)載流子數(shù)載流子( (電子電子) )由源極向由源

15、極向漏極漂移，形成漏極漂移，形成i iD D。i iD D的大的大小受小受U UGSGS的控制。的控制。P P溝道場效應(yīng)管工作時，溝道場效應(yīng)管工作時，極性相反，溝道中的多極性相反，溝道中的多子為空穴。子為空穴。2.工作原理 MOS MOS管管（1） 結(jié)構(gòu)PNNGSDP型基底兩個N區(qū)SiO2絕緣層金屬層N溝道未預(yù)留 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型預(yù) 留 N溝道耗盡型溝道耗盡型金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體場效應(yīng)管半導(dǎo)體場效應(yīng)管 絕緣柵型場效應(yīng)管Metal Oxide Semiconductor（2）符號N溝道增強(qiáng)型N溝道耗盡型（3） 工作原理PNNGSDN溝道增強(qiáng)型N溝道耗盡型N溝道MOS管的特

16、性曲線IDmAVUDSUGS 實驗線路(共源極接法)GSDRDPNNGSDNMOSNMOS場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性N溝道耗盡型（UGS=0時，有ID）GSD0UGS（off）IDUGS夾斷電壓UGS有正有負(fù)N溝道增強(qiáng)型（UGS=0時，ID =0 ）GSDIDUGSUGS（th）開啟電壓UGS全正IDSSUGS=3VU DS （V）ID（mA）01324UGS=4VUGS=5VUGS=2VUGS=1V開啟電壓UGS（th）=1V固定一個U DS，畫出ID和UGS的關(guān)系曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線增強(qiáng)型增強(qiáng)型NMOSNMOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管輸出特性曲線輸出特性曲線耗盡型NMOS場效應(yīng)管輸出特性曲

17、線UGS=0VU DS （V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V夾斷電壓UP=-2V固定一個U DS，畫出ID和UGS的關(guān)系曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線跨導(dǎo)跨導(dǎo)g gm mUGS=0VU DS （V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2Vg gm m= ID / UGS =（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V UGS ID夾斷區(qū)可變電阻區(qū)恒流區(qū)本章重點(diǎn)掌握的內(nèi)容增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSMOS管特性管特性絕絕緣緣柵柵場場效效應(yīng)應(yīng)管管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型耗盡型耗盡型MOSFETMOSFET的特性曲線的特性曲線絕絕緣緣

18、柵柵場場效效應(yīng)應(yīng)管管 N溝道耗盡型P 溝道耗盡型場效應(yīng)三極管的參數(shù)場效應(yīng)三極管的參數(shù)1. 開啟電壓UGS(th)開啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值, 場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。 2. 夾斷電壓UGS(off) 夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)UGS=UGS(off)時,漏極電流為零。 3. 飽和漏極電流IDSS 耗盡型場效應(yīng)三極管, 當(dāng)UGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。4. 輸入電阻RGS結(jié)型場效應(yīng)三極管，反偏時RGS約大于107；絕緣柵型場效應(yīng)三極管, RGS約是1091015。 5. 跨導(dǎo)gm 跨導(dǎo)反映了柵壓對漏極電流的控制作用，gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。6.最大漏極功耗PDM 最大漏極功耗可由PDM= UDS ID決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。場效應(yīng)晶體管類型結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵型場效應(yīng)管MOSN溝道P溝道耗盡型增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型N溝道P溝道 雙極型三極管雙極型三極管 場效應(yīng)三極管場效應(yīng)三極管 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) NPN型型 結(jié)型結(jié)型 N溝道溝道 P溝道溝道 與與 PNP型型 絕緣柵絕緣柵 增強(qiáng)型增強(qiáng)型 N溝道溝道 P溝道溝道 分類分類 C與與E一般不可一般不可 絕緣