電子線路基礎(chǔ)模擬電路部分第1章基本半導(dǎo)體器件概述

1、電子線路基礎(chǔ)模擬電路部分第1章基本半導(dǎo)體器件概述第1章 基本半導(dǎo)體器件1.1 PN結(jié)導(dǎo) 體：導(dǎo)電能力很強(qiáng)的物質(zhì)。 電阻率109 cm， 如高價(jià)惰性氣體和橡膠、陶瓷、塑料等高 分子材料.半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。 如硅、鍺等四價(jià)元素。 1. 價(jià)電子：原子外層軌道上的電子。2共價(jià)鍵：兩個(gè)相鄰原子共有的一對價(jià)電子。3本征半導(dǎo)體：純凈且呈現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，叫本征半導(dǎo)體。第1章 基本半導(dǎo)體器件1.1 PN結(jié) 1自由電子：獲得足夠能量，以克服共價(jià)鍵束縛的價(jià)電子。 2空穴：價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛成為自由電子后在共價(jià)鍵中留下的空位。 第1章 基本半導(dǎo)體器件1.1 PN結(jié) 在常溫下，由于熱能的

2、激發(fā)，產(chǎn)生自由電子和空穴對的現(xiàn)象，叫本征激發(fā)。溫度一定，自由電子和空穴對的濃度也一定。由于本征激發(fā)而在本征半導(dǎo)體中存在一定濃度的自由電子（帶負(fù)電荷）和空穴（帶正電荷）對，故其具有導(dǎo)電能力，但其導(dǎo)電能力有限。 第1章 基本半導(dǎo)體器件1.1 PN結(jié)（1）(Negtive)型半導(dǎo)體： 在硅或鍺本征半導(dǎo)體中摻入適量的五價(jià)元素（如磷），則磷原子與其周圍相鄰的四個(gè)硅或鍺原子之間形成共價(jià)鍵后，還多出一個(gè)自由電子參與導(dǎo)電。結(jié)果，自由電子成為多數(shù)載流子(稱多子)，空穴成為少數(shù)載流子(稱少子)。 第1章 基本半導(dǎo)體器件1.1 PN結(jié)（2）P(Positive)型半導(dǎo)體： 在硅或鍺本征半導(dǎo)體中，摻入適量的三價(jià)元素（

3、如硼），則硼原子與周圍的四個(gè)硅或鍺原子形成共價(jià)鍵后，還留有一個(gè)空穴。結(jié)果，空穴成為多子，自由電子成為少子。這種主要依靠多子空穴導(dǎo)電的雜質(zhì)半導(dǎo)體，叫P型半導(dǎo)體。 第1章 基本半導(dǎo)體器件1.1 PN結(jié) 無外電場作用時(shí)，本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體對外均呈現(xiàn)電中性，其內(nèi)部無電流。 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子濃度取決于摻雜濃度；少子濃度取決于溫度。 摻雜的目的不是提高導(dǎo)電能力，而是得到多種半導(dǎo)體特性，滿足實(shí)際需要 。 第1章 基本半導(dǎo)體器件1.1 PN結(jié) 1. PN結(jié)中載流子的運(yùn)動（1）多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動：在交界面兩側(cè),電子和空穴的濃度差很大， P區(qū)中的多子空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在P區(qū)一側(cè)留下雜質(zhì)負(fù)離子,在N區(qū)一側(cè)集

4、中正電荷；同時(shí)，N區(qū)中的多子自由電子向P區(qū)擴(kuò)散，在N區(qū)一側(cè)留下雜質(zhì)正離子，在P區(qū)一側(cè)集中負(fù)電荷。第1章 基本半導(dǎo)體器件1.1 PN結(jié) 擴(kuò)散的結(jié)果，在P型和N型半導(dǎo)體交界面處形成空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)無載流子停留，故稱為耗盡層.自建內(nèi)電場（從N區(qū)指向P區(qū)）。該電場阻止多子擴(kuò)散運(yùn)動，又稱為阻擋層。但有利于少子運(yùn)動.第1章 基本半導(dǎo)體器件1.1 PN結(jié)（2）少數(shù)載流子的漂移 在內(nèi)電場的作用下，P區(qū)中的少子自由電子向N區(qū)漂移，而N區(qū)中的少子空穴向P區(qū)飄移，使內(nèi)電場削弱。 第1章 基本半導(dǎo)體器件1.1 PN結(jié) 擴(kuò)散與漂移的動態(tài)平衡擴(kuò)散：多子的運(yùn)動，產(chǎn)生擴(kuò)散電流。漂移：少子的運(yùn)動，產(chǎn)生漂移電流。 當(dāng)內(nèi)電場

5、達(dá)到一定值時(shí)，多子的擴(kuò)散運(yùn)動與少子的漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)不再變化，這個(gè)空間電荷區(qū)，就稱為PN結(jié)。 無外電場作用時(shí)，PN結(jié)內(nèi)部雖有載流子運(yùn)動，但無定向電流形成。第1章 基本半導(dǎo)體器件1.1 PN結(jié) 2PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?（1）PN結(jié)加正向電壓（正偏） 外電場與內(nèi)電場反方向 空間電荷區(qū)附近多子與其中離子復(fù)合 空間電荷區(qū)變窄 多子的擴(kuò)散運(yùn)動遠(yuǎn)大于少子的漂移運(yùn)動 由濃度大的多子擴(kuò)散形成較大的正向電流 PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。 此時(shí)，其正向電阻很小，正向壓降也很小。 第1章 基本半導(dǎo)體器件1.1 PN結(jié)（2）PN結(jié)加反向電壓（反偏） 外電場與內(nèi)電場同方向 使空間電荷區(qū)變寬 多子擴(kuò)散運(yùn)動大大減

6、弱，而少子的漂移運(yùn)動相對加強(qiáng)， 由濃度很小的少子漂移形成很小的反向飽和電流IS，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，反向電阻很大。 PN結(jié)正偏時(shí)導(dǎo)通，反偏時(shí)截止，故具有單向?qū)щ娞匦浴?第1章 基本半導(dǎo)體器件1.1 PN結(jié) 二極管的類型：從管子結(jié)構(gòu)來分，有點(diǎn)接觸型和面接觸性和平面型第1章 基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管 二極管的類型：從制造材料來分，有硅二極管、鍺二極管此外還有一種開關(guān)型二極管，適用于在脈加數(shù)宇電路中作為開關(guān)管。第1章 基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管第1章 基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管第1章 基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管第1章 基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管二極管的伏安特性正向特性： 死區(qū)電壓

7、硅：左右 鍺：左右反向特性： 反向飽和電流IS 反向擊穿電壓UBR第1章 基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管二極管方程UT：溫度的電壓當(dāng)量，26mV實(shí)際二極管的伏安特性正向特性：開啟電壓Vth 硅：左右 鍺：左右反向特性：反向飽和電流IR(sat) 硅A 鍺:0.1mA saturation 第1章 基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管理想二極管的伏安特性正向特性：開啟電壓Vth=0反向特性：反向飽和電流IR(sat)=0第1章 基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管穩(wěn)定電壓：UZ穩(wěn)定電流： IZ動態(tài)內(nèi)阻：rZ額定功耗： PZ電壓的溫度系數(shù)：U穩(wěn)壓管第1章 基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管 使用穩(wěn)壓管組成穩(wěn)壓電路時(shí)，需要

8、注意1. 應(yīng)反偏連接2. 穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載電阻 并聯(lián)3. 必須限制流過穩(wěn)壓管的電流，使其不超過規(guī)定值，以免因過熱而燒毀管子。第1章 基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管二極管參數(shù)最大正向直流電流IFM：平均電流反向峰值電壓VRM：瞬時(shí)值反向直流電流IR： 是對溫度很敏感的參數(shù)最高工作頻率fM：結(jié)電容作用的結(jié)果第1章 基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管二極管應(yīng)用-限幅第1章 基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管+VRVRVRVR 通=Vi= VR二極管應(yīng)用-半波整流第1章 基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管二極管應(yīng)用-全波整流第1章 基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管二極管應(yīng)用-橋式整流第1章 基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管第1章

9、基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管 例 穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓管VZ=6V，Izmax=33mA,Izmin=5mA，輸入電壓VI=15V，負(fù)載RL在0.5k 至2k 之間變化，試計(jì)算限流電阻R的大小。 解 電路的輸出電壓就是穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓，即VZ=VO=6V。由于負(fù)載電阻的變化造成電壓的不穩(wěn)定。而穩(wěn)壓管穩(wěn)壓在于利用穩(wěn)定電流Iz來調(diào)整負(fù)載上的電壓。+-15V+-Vz=6V第1章 基本半導(dǎo)體器件1.2 二極管第1章 基本半導(dǎo)體器件雙極型三極管第1章 基本半導(dǎo)體器件雙極型三極管 三個(gè)極： 發(fā)射極(e) 基極(b) 集電極(c) 三個(gè)區(qū)： 發(fā)射區(qū) 基區(qū) 集電區(qū)。 兩個(gè)結(jié)： 發(fā)射結(jié) 集電結(jié)。第1章 基本半導(dǎo)體器件

10、雙極型三極管第1章 基本半導(dǎo)體器件雙極型三極管第1章 基本半導(dǎo)體器件雙極型三極管 三極管有電流放大作用的內(nèi)部條件。 發(fā)射區(qū)：摻雜濃度大 基 區(qū)：很薄，摻雜濃度很小。 集電區(qū)：摻雜濃度小，但面積大。 三極管有電流放大作用的外部條件。 1.NPN型三極管：VCVBVE型三極管：VCVB0時(shí)，iD由D流向S，溝道上窄下寬，iD隨uDS的增大而增大。（3）當(dāng)uDS增大至uGD= uGS- uDS= VGS(off)時(shí)漏極一端出現(xiàn)夾斷區(qū)，稱為預(yù)夾斷。 若uDS繼續(xù)增大，則完全消耗在夾斷區(qū)上，iD不再隨uDS的增大而增大，僅決定于uGS。第1章 基本半導(dǎo)體器件1.4 場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管特性曲線輸出特性曲

11、線1.可變電阻區(qū)漏極附近不發(fā)生預(yù)夾斷， uGS不變，iD隨uDS升高而增大，電阻隨uGS變化而改變，表現(xiàn)為由uGS控制的一個(gè)可變電阻。2.恒流區(qū)(飽和區(qū))漏極附近發(fā)生了預(yù)夾斷， uDS的增加導(dǎo)致漏極附近發(fā)生預(yù)夾斷。此后，uDS增大導(dǎo)致耗盡層繼續(xù)增長，抵消了uDS的增加，而iD基本不變。（3）擊穿區(qū) 當(dāng)uDS升高到一定值時(shí)，PN結(jié)被反向擊穿，iD突然增大，叫擊穿區(qū)。 第1章 基本半導(dǎo)體器件1.4 場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線uGS=0時(shí)的漏極電流稱為飽和漏極電流，ID(sat) uGS=0時(shí)，漏源間為兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，不導(dǎo)電。 N溝道增強(qiáng)型MOS管第1章 基本半導(dǎo)體器件1.4 場效

12、應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管 uDS 不變，uGS增大，反型層（導(dǎo)電溝道）將變厚變長。當(dāng)反型層將兩個(gè)N區(qū)相接時(shí)，管子導(dǎo)通。此時(shí)的uGS稱為開啟電壓VGS(th) 。第1章 基本半導(dǎo)體器件1.4 場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管第1章 基本半導(dǎo)體器件1.4 場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管1. UGS對導(dǎo)電溝道的控制情況：（1）當(dāng)UGS=0時(shí)，在D、S為背靠背二極管，不存在導(dǎo)電溝道。（2）當(dāng)UGSUT，會感應(yīng)出電子層。因此，UGS的變化會使反型層的寬度變化，達(dá)到控制ID的目的。2當(dāng)UGS VGS(th)時(shí)，uDS對iD的影響。（1）當(dāng)uDS=0時(shí)，iD=0 （2）當(dāng)uDS0時(shí)，iD隨uDS的增大而增大（3）當(dāng)uDS增大至uG

13、D= uGS- uDS= VGS(th)時(shí),漏極一端出現(xiàn)夾斷區(qū)，稱為預(yù)夾斷。 若uDS繼續(xù)增大，則完全消耗在夾斷區(qū)上，iD不再隨uDS的增大而增大，僅決定于uGS。進(jìn)入恒流區(qū)。 第1章 基本半導(dǎo)體器件1.4 場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管輸入特性：vGS VGS(th) ，才有漏極電流iD。vGS控制iD。第1章 基本半導(dǎo)體器件1.4 場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管可變電阻區(qū)：vDS很低，iD隨vGS的增大直線上升。 改變vGS，直線斜率改變，阻值改變。 類似一只受vGS控制的可變電阻。 恒流區(qū)： 預(yù)夾斷后，vGS為定值時(shí)，iD幾乎不隨vDS變化， vDS為定值時(shí)，iD隨vGS的增大而增大， FET具有放大作

14、用，且iD受vGS控制。 擊穿區(qū)：當(dāng)vDS增大到一定值以后，反偏的漏源之間的 PN結(jié)會發(fā)生擊穿，漏極電流iD將急劇增大。 第1章 基本半導(dǎo)體器件1.4 場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管耗盡型管加正離子 uGS=0時(shí)就存在導(dǎo)電溝道。第1章 基本半導(dǎo)體器件1.4 場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管1)增強(qiáng)型MOS管2)耗盡型MOS管開啟電壓第1章 基本半導(dǎo)體器件1.4 場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管第1章 基本半導(dǎo)體器件1.4 場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管1.直流參數(shù)(1)開啟電壓VGS(TH)（增強(qiáng)型FET參數(shù)）:當(dāng)vDS保持一定時(shí)，使增強(qiáng)型場效應(yīng)管導(dǎo)通的最小電壓。(2)夾斷電壓VGS(off) （耗盡型FET參數(shù)）: 當(dāng)vDS保持一定時(shí)，使耗盡型場效應(yīng)管截止(夾斷)的最小柵源電壓。(3)飽和漏極電流ID(sat)(耗盡型FET的參數(shù)) vGS=0時(shí)管子的漏極電流。(4)直流輸入電阻RGS：漏源短路情況下，柵源電壓與柵極電流之比。第1章 基本半導(dǎo)體器件1.4 場效應(yīng)管場效應(yīng)管的主要參數(shù)2. 交流參數(shù)(1)低頻跨導(dǎo)gm：柵源電壓vGS對漏極電流iD的控制能力。第1章 基本半導(dǎo)體器件1.4 場效應(yīng)管場效應(yīng)管的主要參數(shù)(2)極間電容：Cgs,Cgd,Cds3. 極限參數(shù)(1)漏源擊穿電壓V(BR)DS vDS增大過程中，使iD急劇增大時(shí)的漏源電壓。(6)柵源擊穿電壓V(BR)GS FET正常工作時(shí)的柵源電