模擬電子電路原理與設計基礎：1 常用半導體器件

1、模擬電子技術基礎 教材與參考書教材： 劉祖剛， 模擬電子電路原理與設計基礎 機械工業(yè)出版社參考書： 童詩白，華成英，模擬電子技術基礎 康華光，陳大欽，電子技術基礎引論： 小故事- 魚 就 是 魚 引論：模電課程的重要性通信系統(tǒng)半導體器件半導體材料雜質半導體半導體二極管雙極型三級管場效應管常見結構及伏安特性主要參數(shù)PN 結等效電路本征半導體基礎知識形 成單向導電性穩(wěn)壓二極管結 型放大電路絕緣柵型結構及類型工作原理特性曲線主要參數(shù)非線性元件等效電路應用舉例直流偏置電路靜態(tài)工作點小信號模型法總結與思考BJT與FET比較基礎知識 根據(jù)物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。 典型的半

2、導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導體材料半導體的共價鍵結構（Si、Ge）平面結構空間排列Exit本征半導體本征激發(fā):價電子獲得足夠能量而掙脫共價鍵的束縛,成為 自由電子,這種激發(fā)稱本征激發(fā).電子空穴對由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對本征半導體空穴的移動空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依 次充填空穴來實現(xiàn)的。Exit 在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。雜質半導體雜質半導體 N型半導體摻入五價雜質元素（如磷）的半導體。P型半導體摻入三價雜質元素（如硼）的半導體。Exit 1. N

3、型半導體 因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。 在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質原子提供；空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。N型半導體施主原子提供的多余的電子雜質半導體Exit 2. P型半導體 因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。 在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子， 由熱激發(fā)形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三

4、價雜質 因而也稱為受主雜質。動畫P型半導體雜質半導體Exit 摻入雜 質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下: T=300 K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子濃度: 4.961022/cm3 3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3 。 2摻雜后 N 型半導體中的自由電子濃度: n=51016/cm3 3. 雜質對半導體導電性的影響雜質對半導體導電性的影響雜質半導體Exit 本節(jié)中的有關概念 本征半導體、本征激發(fā)自由電子空穴N型半導體、施主雜質(5價)P型半導體、受主雜質(3價) 多數(shù)載流子、少數(shù)載流子雜質半導體復合*半導

5、體導電特點1：其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響溫度載流子濃度導電能力*半導體導電特點2：摻雜可以顯著提高導電能力本節(jié)中的相關概念ExitPN結的形成一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。PN結的形成在結合面上： 因濃度差空間電在結合面上：荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴散 最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動 由雜質離子形成空間電荷區(qū) PN結的形成 對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結。 在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。 PN結的形成ExitPN結的單向導電性 當外加電壓使

6、PN結中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。 PN結的單向導電性 (1) PN結正偏時低電阻大的正向擴散電流伏安特性導電情況 (2) PN結反偏時伏安特性導電情況高電阻很小的反向漂移電流 在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。 PN結正偏的伏安特性PN結反偏的伏安特性Exit PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流； PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。 由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。PN結的單向導

7、電性Exit半導體二極管的常見結構 在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1) 點接觸型結構示意圖1二極管的常見結構及伏安特性(2) 面接觸型(3) 平面型(4) 代表符號特點1結構示意圖2特點2結構示意圖3特點3PN結面積小，結電容小用于檢波和變頻等高頻電路用于低頻大電流整流電路PN結面積大用于高頻整流和開關電路PN 結面積可大可小往往用于集成電路制造藝中代表符號Exit半導體二極管圖片二極管圖片1123Exit二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示硅二極管2CP10的V-I 特性鍺二極管2AP15的V-I 特性正向特性反向

8、特性反向擊穿特性二極管的伏安特性Exit二極管的主要參數(shù)(1) 最大整流電流IF(2) 反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3) 反向電流IR(4) 最高工作頻率fM(5) *極間電容CB二極管主要參數(shù)Exit3. 半導體二極管的非線性伏安特性非線性元件的認識1. 線性元件回顧電阻：元件兩端的電壓是元件通過的電流的線性函數(shù)電容：元件存儲的電荷是元件兩端的電壓的線性函數(shù)電感：元件內(nèi)部的磁通是元件通過的電流的線性函數(shù)電 阻電 容電 感2.線性電阻的伏安特性 即：歐姆定律iuR圖圖二極管的等效電路Exit數(shù)學模型方法圖解分析方法模型簡化方法折線化或其他簡化模型小信號線性化方法其本質是對非線性

9、元件伏安特性的模型再構建含非線性元件的電路一般分析方法非線性元件的認識二極管的等效電路非線性元件的認識Exit二極管等效電路設有如右圖含二極管的非線性電路，電路分析要解出iD 和vD 。（分析方法有四種）(1) 采用數(shù)學模型方法（需解非線性方程）V- I 特性建模二極管的等效電路Exit由：iD=(VDD-vD)/R（2）應用圖解分析方法vD 0 時 iD=VDD/R iD 0 時 vD =VDD因為加有正向電壓，所以在二極管的正向伏安特性上作負載線 VDDiuiDvDVDDR則在兩線的交叉點上為所求二極管的等效電路Exit 1. 理想模型3. 折線模型 2. 恒壓降模型（3）應用簡化模型方法

10、二極管的等效電路Exit根據(jù)得Q點處的微變電導則常溫下 T=300K 二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時，其正向特性可以等效成一個微變電阻，即：（4）小信號模型二極管的等效電路Exit 簡化模型法分析靜態(tài)工作情況（直流工作點） 電路如下圖：分別求解VDD =10V和1V時電路直流工作狀態(tài)，設R=10 KExit二極管的等效電路應用舉例(1) VDD=10V理想模型：恒壓模型折線模型+-vDiDVDDVD應用舉例Exit二極管的等效電路+-vDiDVDDVD（2）VDD=1V 時理想模型恒壓模型折線模型應用舉例結論結論 理想模型便于計算，折線模型比較精確，恒壓模型適中。 根據(jù)所加電壓Vi選擇模

11、型：當Vi較大時，用理想模型；當Vi接近 VD時，用恒壓模型或折線模型。Exit二極管的等效電路 非線性元件的特點及其一般分析方法 二極管伏安特性的四種建模方法 簡化模型方法：應用、條件、特點 圖解方法和小信號分析方法的應用本節(jié)中的有關概念Exit二極管的等效電路穩(wěn)壓二極管1. 符號及穩(wěn)壓特性(a)符號(b) 伏安特性 利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。穩(wěn)壓二極管Exit(1) 穩(wěn)定電壓VZ(2) 動態(tài)電阻rZ 在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。rZ =VZ /IZ(3)最大穩(wěn)定工作電流 IZmax和最小穩(wěn)定工作電流 IZmin(4)

12、穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) ：2. 穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)穩(wěn)壓二極管Exit正常穩(wěn)壓時 VO =VZ# 穩(wěn)壓條件是什么？IZmin IZ IZmax# 不加R可以嗎？# 上述電路VI為正弦波，且幅值大于VZ ， VO的波形是怎樣的？圖3. 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管Exit三極管的結構及類型 半導體三極管的結構示意圖如圖1.3.3所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。兩種類型的三極管發(fā)射結(Je) 集電結(Jc) 基極，用B或b表示（Base） 發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；集電極，用C或c表示（Collector）。 發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)三極管的結構Exit 結構特點： 發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高 集電區(qū)摻雜濃

13、度低于發(fā)射區(qū)，且面積大； 基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。管芯結構剖面圖三極管的結構及類型Exit 以上看出，三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導電，故稱為雙極型三極管。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。 三極管的結構及類型Exit三極管的放大原理歸結為： 外部條件：發(fā)射結正偏 集電結反偏 內(nèi)部機制：載流子傳輸 BJT放大原理三極管的工作原理Exit發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子（IE）基 區(qū)：載流子復合（IB）與擴散集電區(qū)：收集擴散載流子（InC）并存在反向漂移電流（ICBO） （以NPN為例） 1.內(nèi)部載流子傳輸過程載流子的傳輸過程三極

14、管的工作原理Exit2. 電流分配關系根據(jù)傳輸過程可知： IC= InC+ ICBOIB= IB - ICBO通常 ： IC ICBO 為電流放大系數(shù)，它只與管子的結構尺寸和摻雜濃度有關，與外加電壓無關。一般 = 0.90.99IE=IB+ IC電流分配關系三極管的工作原理Exit根據(jù) 是另一個電流放大系數(shù)，同樣，它也只與管子的結構尺寸和摻雜濃度有關，與外加電壓無關。一般 1IE=IB+ IC IC= InC+ ICBO且令：ICEO= (1+ ) ICBO（穿透電流）2. 電流分配關系三極管的工作原理Exit電壓增益電流增益互導增益信號源負載放大作用簡釋：模擬信號的放大互阻增益三極管的工作原

15、理2. 電流分配關系Exit3. 三極管的三種組態(tài)共集電極接法：集電極作為公共電極，用CC表示。共 基 極 接 法：基極作為公共電極，用CB表示。共發(fā)射極接法：發(fā)射極作為公共電極，用CE表示。BJT的三種組態(tài)三種組態(tài)三極管的工作原理Exit4. 放大作用若vI = 20mV使當則電壓放大倍數(shù)RLecb1k共基極放大電路VEEVCCVEBIBIEIC+-vI+vEBvO+-+iC+iE+iBiE = -1 mA，iC = iE = -0.98 mA，vO = -iC RL = 0.98 V， = 0.98 時，共基放大三極管的工作原理Exit+-bceRL1k共射極放大電路IE+-vI+vBEv

16、O+-+iC+iE+iBvI = 20mV 設若則電壓放大倍數(shù)iB = 20 uAvO = -iC RL = -0.98 V， = 0.98使共射放大4. 放大作用三極管的工作原理Exit 綜上所述，三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達集電極而實現(xiàn)的。實現(xiàn)這一傳輸過程的兩個條件是：（1）內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)雜質濃度遠大于基區(qū)雜質濃度，且基區(qū)很薄。（2）外部條件：發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置。總結三極管的工作原理Exit三極管的特性曲線 iB=f(vBE) vCE=const(2) 當vCE1V時 vCB= vCE - vBE0，集電結已進入反偏狀態(tài)，開始收 集電子

17、，基區(qū)復合減少，同樣的vBE下 IB減小，特性曲線右移。(1) 當vCE=0V時 相當于發(fā)射結的正向伏安特性曲線。1. 輸入特性曲線（以共射極放大電路為例）圖vCE = 0VvCE = 0VvCE 1V+-bce共射極放大電路VBBVCCvBEiCiB+-vCE三極管的特性曲線Exit三極管特性曲線（輸入）(3) 輸入特性曲線的三個部分死區(qū)非線性區(qū)線性區(qū) iB=f(vBE) vCE=const1. 輸入特性曲線（以共射極放大電路為例）圖+-bce共射極放大電路VBBVCCvBEiCiB+-vCE三極管的特性曲線Exit三極管特性曲線（輸出）三極管的特性曲線飽和區(qū)：iC明顯受vCE控制的區(qū)域，該

18、區(qū)域內(nèi)，一般vCE0.7V(硅管)。此時，發(fā)射結正偏，集電結正偏iC=f(vCE) iB=const2. 輸出特性曲線輸出特性曲線的三個區(qū)域:截止區(qū)：iC接近零的區(qū)域，相當iB=0的曲線的下方。此時， vBE小于死區(qū)電壓，集電結反偏。放大區(qū)：iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時，發(fā)射結正偏，集電結反偏。飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)Exit1. 電流放大系數(shù) 三極管的主要參數(shù)三極管的主要參數(shù) (1)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const圖(2) 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) =IC/IBvCE=const圖Exit (3)共基極直流電流放大系數(shù) =（I

19、CICBO）/IEIC/IE (4)共基極交流電流放大系數(shù) =IC/IE VCB=const 當ICBO和ICEO很小時， 、 ，可以不加區(qū)分。1. 電流放大系數(shù) 三極管的主要參數(shù)三極管的主要參數(shù)Exit 2. 極間反向電流ICEO 即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對應的Y坐標的數(shù)值。 ICEO也稱為集電極發(fā)射極間穿透電流。三極管的主要參數(shù) (1) 集電極基極間反向飽和電流ICBO 發(fā)射極開路時，集電結的反向飽和電流。 圖 (2) 集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO ICEO=（1+ ）ICBO 圖三極管的主要參數(shù)Exit(1)集電極最大允許電流ICM(2)集電極最大允許功率損耗PCM PC

20、M= ICVCE 3. 極限參數(shù)三極管的主要參數(shù)三極管的主要參數(shù)Exit 由PCM、 ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定過損耗區(qū)、過電流區(qū)和擊穿區(qū)。三極管的主要參數(shù)(3)晶體管安全工作區(qū) 3. 極限參數(shù)三極管的主要參數(shù)Exit4. 反向擊穿電壓 V(BR)CBO發(fā)射極開路時的集電結反 向擊穿電壓。 V(BR) EBO集電極開路時發(fā)射結的反 向擊穿電壓。 V(BR)CEO基極開路時集電極和發(fā)射 極間的擊穿電壓。幾個擊穿電壓有如下關系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO三極管的主要參數(shù)三極管的主要參數(shù)Exit兩個條件（1）內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)雜質濃度遠大于基區(qū)雜質濃度，且

21、基區(qū)很薄。（2）外部條件：發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置。思考1：可否用兩個二極管相連構成一個三極管？思考2：可否將e和c交換使用思考2：外部條件對PNP管和NPN管各如何實現(xiàn)？IE=IB+ ICIC=IBIC=IE 綜上，三極管的放大作用，是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達集電極而實現(xiàn)的。一組公式總結與思考Exit1. 結構 結型場效應管Exit 源極(Souce)用S或s表示N型導電溝道漏極(Drain)用D或d表示 P型區(qū)柵極，用G或g表示符號符號# 符號中的箭頭方向表示什么？2. 名詞與符號結型場效應管Exit VGS對溝道的控制作用當VGS0時（以N溝道JFET為例） 當

22、溝道夾斷時，對應的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VP （ 或VGS(off) ）。對于N溝道的JFET，VP 0。PN結反偏耗盡層加厚溝道變窄。 VGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄3. 工作原理結型場效應管Exit VDS對溝道的控制作用當VGS=0時VDSID G、D間PN結的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。 當VDS增加到使VGD=VP 時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷。此時VDS 夾斷區(qū)延長溝道電阻ID基本不變（以N溝道JFET為例）3. 工作原理結型場效應管工作原理2Exit VGS和VDS同時作用當VP VGSVGS0, VDS 0 當VGS為零或較小的正值時，

23、源區(qū)和漏區(qū)之間均被空間電荷區(qū)隔斷。2. N溝道增強型MOS管的工作原理原始狀態(tài)絕緣柵型場效應管(MOS管)Exit(c) VGS VGS(th),VDS 0(d) VGS VGS(th), VDS 0形成導電溝道N型導電溝道 形成自漏區(qū)到源區(qū)的漏極電流。D端加有電壓，導電溝道不均勻。絕緣柵型場效應管(MOS管) 導電溝道形成2. N溝道增強型MOS管的工作原理Exit(f) VGS VGS(th) , VDS = VGS -VGS(th)則 VGD=VGS-VDS VGS(th)(e) VGS VGS(th) , VGS -VGS(th) VDS 0此時VDS VGD漏端溝道變窄ID基本不變V

24、GA=VGS(th)VGD = VGS-VDS =VGS（th）(2) VDS對溝道的控制作用VDSID 即絕緣柵型場效應管(MOS管)圖圖預夾斷2. N溝道增強型MOS管的工作原理Exit 增強型MOS管的基本工作原理：在柵極電壓作用下，漏區(qū)和源區(qū)之間形成導電溝道。在漏極電壓作用下，源區(qū)電子沿導電溝道行進到漏區(qū)，產(chǎn)生自漏極流向源極的電流。改變柵極電壓，控制導電溝道的導電能力，使漏極電流發(fā)生變化。與JFET相比，兩者結構不同，產(chǎn)生溝道的方式不同。但都是利用溝道導電，且外特性都表現(xiàn)為柵源電壓控制漏極電流。綜上分析可知絕緣柵型場效應管(MOS管)Exit 輸出特性 轉移特性3. N溝道增強型MOS

25、管的特性曲線絕緣柵型場效應管(MOS管)ExitP溝道增強型MOSFET絕緣柵型場效應管(MOS管)Exit1.耗盡型制造工藝 N溝道耗盡型MOSFET簡介在氧化層中引入一些金屬正離子，或者在半導體表面進行專門的摻雜，可在P型半導體表面形成原始的反型層導電溝道。絕緣柵型場效應管(MOS管)Exit2. 導電機理與伏安特性 當加電壓VDS后，即使VGS0，也存在電流ID。 只有當VGS加反向電壓至一定大小，ID=0時，VGS0。伏安特性的變化形式及性質與增強型一樣。N溝道耗盡型MOSFET簡介絕緣柵型場效應管(MOS管)Exit使用MOSFET中的注意事項結構上漏極和源極可以互換，前提是襯底有引

26、線引出。原理上MOSFET是絕緣柵輸入結構，沒有電荷的泄放通道，極易造成靜電擊穿。存取時尤須注意。MOSFET在焊接時，靜電擊穿的危險更大。所以無論器件內(nèi)部是否有靜電保護，均須接地良好焊接或斷電后余熱焊接。絕緣柵型場效應管(MOS管)Exit思考與習題思考題比較BJT、JFET、MOSFET三類器件的輸入電阻大小，原因何在？Exit1. 電路特點FET的直流偏置電路 柵極只需要偏壓，不需要偏流 各類FET的偏置極性區(qū)別： N溝道器件加正漏源偏壓； P溝道器件加負漏源偏壓； 耗盡型器件加反極性柵壓； 增強型器件加同極性柵壓； 采用偏置穩(wěn)定電路場效應管放大電路Exit(1)自偏壓電路(2) 分壓式自偏壓電路vGSvGSvGSvGSvGSvGS =- iDR2. 典型電路FET