電子線路講義-精品課件

1、電子線路講義_第1頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五1 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)單晶：純凈、沒有雜質(zhì)，排列有序。一 半導(dǎo)體基本知識導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。第2頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五2 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)?？昭ü矁r鍵中的空位。自由電子掙脫共價鍵束縛而產(chǎn)生的電子。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。本征激發(fā)由熱激發(fā)而產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象。第3頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五3 雜質(zhì)

2、半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。 N型半導(dǎo)體摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。 P型半導(dǎo)體摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。第4頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五 （1）N型半導(dǎo)體 因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)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(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)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(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五

3、價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。第5頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五 （2）P型半導(dǎo)體 因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。 在P型半導(dǎo)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(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。第6頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五 摻入雜 質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)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以上兩個濃度基本上相差106/cm3

4、。 2摻雜后 N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: n=51016/cm3（3）雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響第7頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五 （1） PN結(jié)的形成4 PN結(jié)的基本原理 在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:因濃度差 多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(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。P區(qū) N區(qū)內(nèi)電場的方向第8頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五 對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面

5、，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。 在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。 不對稱結(jié)P區(qū)、N區(qū)摻雜濃度相等，交界面兩邊電荷區(qū)的寬度相等。P區(qū)、N區(qū)摻雜濃度不相等，交界面兩邊電荷區(qū)的寬度也就不相等。實際使用的PN結(jié)，較多為兩邊摻雜濃度相差懸殊的，故空間電荷區(qū)主要伸向輕摻雜區(qū)一邊。第9頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五 （2）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)外加電壓使PN結(jié)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(jié)加正向電壓時PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況 低電阻 大的正向擴散電流PN結(jié)的伏安特性內(nèi)電場減弱，擴散電流增強。第10

6、頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五 PN結(jié)加反向電壓時PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況 高電阻 很小的反向漂移電流外電場方向與內(nèi)電場一致，耗盡層加寬，阻止擴散運動。只存在少數(shù)載流子運動。第11頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五 PN結(jié)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(jié)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(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?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(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。 第12頁，共58頁，2022

7、年，5月20日，4點30分，星期五 PN結(jié)伏安 特性表達式其中PN結(jié)的伏安特性IS 反向飽和電流VT 溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）第13頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五 （3） PN結(jié)的反向擊穿 當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿不可逆 雪崩擊穿 齊納擊穿 電擊穿可逆第14頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五 （4） PN結(jié)的電容效應(yīng) a 勢壘電容CBb 擴散電容CD即結(jié)電容。由耗盡層引起，耗盡層正負離子，相當(dāng)于存儲的電荷。外加電壓改變時，耗盡層的電荷量隨之改變，與電容的作用相似。

8、變?nèi)荻O管的原理。由載流子擴散過程中的積累引起，與擴散電流的大小成比例。第15頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五二 半導(dǎo)體二極管1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)2 二極管的伏安特性3 二極管的參數(shù)4 穩(wěn)壓二極管第16頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu) 在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1) 點接觸型二極管 PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(3) 平面型二極管(2) 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(4) 二極管的代表符號 往往用于集成電路

9、制造藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。第17頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五2 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 特性正向特性反向特性反向擊穿特性第18頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五3 二極管的參數(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) 正向壓降VF(6) 極間電容CB(5)二極管的正向電阻第19頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五4 穩(wěn)壓二極管（1） 符號及穩(wěn)壓特性(b

10、) 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)。第20頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五(a) 穩(wěn)定電壓VZ(b) 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(yīng)的反向工作電壓。rZ =VZ /IZ(c)最大耗散功率 PZM(d)最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流 IZmin（2） 穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)第21頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五3. 穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時 VO =VZ# 穩(wěn)壓條件是什么？IZmin IZ IZmax# 不加R可以嗎？第22頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30

11、分，星期五1 三極管的結(jié)構(gòu)與符號三 半導(dǎo)體三極管2 三極管的工作原理3 三極管的特性曲線4 三極管的主要參數(shù)第23頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五 半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。兩種類型的三極管發(fā)射結(jié)(Je) 集電結(jié)(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)三極管符號1 三極管的結(jié)構(gòu)與符號第24頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五 結(jié)構(gòu)特點： 發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高； 集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大； 基區(qū)很

12、薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。第25頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五（1） 內(nèi)部載流子的傳輸過程 三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過載流子傳輸體現(xiàn)出來的。 外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子 （以NPN為例） 載流子的傳輸過程2 三極管的工作原理第26頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子，形成發(fā)射極電流IE ; 電子在基區(qū)擴散和復(fù)合，電源EB拉走電子，提供空穴，形成基極電流IB; 電子被集電區(qū)收集，形成集電極電流IC。電子從發(fā)射區(qū)出發(fā)，大部分越

13、過基區(qū)，到達集電區(qū)。實際上還存在少數(shù)載流子空穴的運動，即存在ICB0 IC= InC+ ICBOIB= IB - ICBO由于ICBO、ICEO均較小，常被忽略。IE=IC+IB 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(dǎo)電，故稱為雙極型三極管。 載流子的傳輸過程第27頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五（2） 電流分配關(guān)系根據(jù)傳輸過程可知IE=IB+ IC設(shè)三極管的電流放大系數(shù)由于ICBO、ICEO均較小，常被忽略。從這些關(guān)系式中，可以看出：IB改變,可以改變IC，即IB控制了IC。三極管使用過程中 ，經(jīng)常改變IB，來控制IC的大小。由于IB由EB決定，EB稱

14、為控制電壓。EB加在be結(jié)上，控制IB、IC的，所以be結(jié)又稱為三極管的控制結(jié)。三極管的電流關(guān)系，我們只須記住上述三個關(guān)系。當(dāng)然還存在少數(shù)載流子空穴形成的電流成分ICBO和ICEO且 ICEO=(1+)ICBO第28頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五（3） 三極管的三種組態(tài)共集電極接法，集電極作為公共電極。共基極接法， 基極作為公共電極；共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極；第29頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五+-bceRL1k共射極放大電路 共射極放大電路VBBVCCVBEIBIEIC+-vI+vBEvO+-+iC+iE+iBvI = 20mV 設(shè)

15、若則電壓放大倍數(shù)iB = 20 uAvO = -iC RL = -0.98 V， = 49使（4） 放大作用第30頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五 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(zhì)濃度遠大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄。（2）外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。第31頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五輸入特性曲線的三個部分死區(qū)非線性區(qū)線性區(qū)（1） 輸入特性曲線（以共射極放大電路為例） iB=f(vBE) vCE=const3 三極

16、管的特性曲線+-bce共射極放大電路VBBVCCvBEiCiB+-vCE第32頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五iC=f(vCE) iB=const（2）輸出特性曲線輸出特性曲線的三個區(qū)域: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(jié)正偏，集電結(jié)反偏。飽和區(qū)：iC明顯受vCE控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，一般vCE0.7V(硅管)。此時，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。截止區(qū)：iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時， vBE小于死區(qū)電壓。第33頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五（1） 電流放大系數(shù) 4 三極管的主要參數(shù)(a

17、) 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) =IC/IBvCE=const (b) 共基極交流電流放大系數(shù) =IC/IE VCB=const當(dāng)ICBO和ICEO很小時，直流放大系數(shù)和交流放大系數(shù)，可以不加區(qū)分。 第34頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五 (b) 集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO ICEO=（1+ ）ICBO （2） 極間反向電流ICEO (a) 集電極基極間反向飽和電流ICBO 發(fā)射極開路時，集電結(jié)的反向飽和電流。 即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對應(yīng)的Y坐標(biāo)的數(shù)值。 ICEO也稱為集電極發(fā)射極間穿透電流。第35頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期

18、五(a) 集電極最大允許電流ICM(b) 集電極最大允許功率損耗PCM PCM= ICVCE （3） 極限參數(shù)第36頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五(c) 反向擊穿電壓 V(BR)CBO發(fā)射極開路時的集電結(jié)反 向擊穿電壓。 V(BR) EBO集電極開路時發(fā)射結(jié)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(guān)系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO （3） 極限參數(shù)第37頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型M

19、OSFET絕緣柵型(IGFET)分類：利用電場效應(yīng)來控制電流的半導(dǎo)體器件。特點：控制端基本上不需要電流，受溫度等外界條件影響小，便于集成。四 場效應(yīng)管第38頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五 源極，用S或s表示N型導(dǎo)電溝道漏極，用D或d表示 P型區(qū)P型區(qū)柵極，用G或g表示柵極，用G或g表示符號符號（a） 結(jié)構(gòu) # 符號中的箭頭方向表示什么？（1） JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1、結(jié)型場效應(yīng)管第39頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五（b）工作原理 UGS對溝道的控制作用當(dāng)UGS0時，UDS=0（以N溝道JFET為例） 當(dāng)溝道夾斷時，對應(yīng)的柵源電壓UGS稱為

20、夾斷電壓VP （ 或VGS(off) ）。對于N溝道的JFET，VP 0。PN結(jié)反偏耗盡層加厚溝道變窄。 UGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄第40頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五 UDS對溝道的控制作用當(dāng)UGS=0時，UDSID G、D間PN結(jié)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(dāng)UDS增加到使UGD=VP 時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時UDS 夾斷區(qū)延長溝道電阻ID基本不變（b）工作原理（以N溝道JFET為例）第41頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五（以N溝道JFET為例） UGS和UDS同時作用時 導(dǎo)電溝道更容

21、易夾斷，當(dāng)VP UGS UGS(th) ，UDS變化導(dǎo)電溝道形成后，D、S之間加正向電壓。UGD=UGS-UDS, UGSUGD，柵源電位差最大，柵漏電位差最小，溝道從源極到漏極逐漸變窄。 UGD=UGS(th)，即UDS=UGS- UGS(th)，溝道在漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。預(yù)夾斷點UDS增大，ID隨之增大。溝道寬度的不均勻越明顯第50頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五. 繼續(xù)加大UDS，夾斷區(qū)向源極方向加長，溝道電流基本上保持與夾斷時的數(shù)值。如果改變不同的UGS，就可得到一組IDUDS的曲線。就是它的輸出特性曲線。第51頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星

22、期五（3） 特性曲線和電流方程下圖是N 溝道增強型MOS管的漏極特性和轉(zhuǎn)移特性曲線。與的近似關(guān)系為：恒流區(qū)，即三極管的放大區(qū)。模擬電路放大就在該區(qū)域?？勺冸娮鑵^(qū)，相當(dāng)于三極管的飽和區(qū)。夾斷區(qū)，相當(dāng)于三極管的截止區(qū)。數(shù)字電路，工作在可變電阻區(qū)和夾斷區(qū)之間。第52頁，共58頁，2022年，5月20日，4點30分，星期五（4） N溝道耗盡型和P溝道MOS管在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子。UGS=0時，在這些正離子產(chǎn)生的電場作用下，P型襯底表面已經(jīng)出現(xiàn)反型層，漏源之間存在導(dǎo)電溝道。UGS為正，溝道加寬，ID增加；UGS為負，溝道變窄，ID減??；UGS減小到一定值時，反型層消失，漏源之間失去導(dǎo)電溝道。該UGS值，稱為夾斷電壓UGS(off)。特性曲線形狀，與增強型相同。該類場效應(yīng)管，特性與結(jié)型場效應(yīng)管相仿。但它的UGS在一定范圍內(nèi)正負值均可控制ID的大小。結(jié)型場效應(yīng)管，則必須保證UGS是負的。第53頁，共58頁，2022年，5月