模擬電路-半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)課件

第一章常用半導(dǎo)體器件

10學(xué)時(shí)第一章常用半導(dǎo)體器件§1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)§1.2半導(dǎo)體二極管§1.3晶體三極管§1.4場效應(yīng)管1§1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运?、PN結(jié)的電容效應(yīng)22、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子自由電子的游離使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱為空穴

自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱為復(fù)合。共價(jià)鍵一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對(duì)的濃度加大。動(dòng)態(tài)平衡4兩種載流子

外加電場時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動(dòng)方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性很差。為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。熱力學(xué)溫度0K時(shí)不導(dǎo)電。5二、雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.N型半導(dǎo)體磷（P）

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多了？少了？為什么？6三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?/p>

物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。氣體、液體、固體均有之。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。8PN結(jié)的形成

因電場作用所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。

參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運(yùn)動(dòng)

由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。9PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓截止：耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止(不導(dǎo)通)。PN結(jié)的單向?qū)щ娦员匾獑幔?0問題為什么將自然界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能極差，又將其摻雜，改善導(dǎo)電性能？為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？為什么半導(dǎo)體器件有最高工作頻率？12§2半導(dǎo)體二極管一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓二極管13

一、二極管的組成將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管13

二、二極管的伏安特性及電流方程材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓溫度的電壓當(dāng)量二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。15從二極管的伏安特性可以反映出：

1.單向?qū)щ娦?.伏安特性受溫度影響T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線增大1倍/10℃16三、二極管的等效電路理想二極管近似分析中最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時(shí)UD＝0截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)UD＝Uon截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)△i與△u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！1.將伏安特性折線化？100V？5V？1V？17四、二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF：最大平均值最大反向工作電壓UR：最大瞬時(shí)值反向電流IR：即IS最高工作頻率fM：因PN結(jié)有電容效應(yīng)第四版——P2019討論：解決兩個(gè)問題如何判斷二極管的工作狀態(tài)？什么情況下應(yīng)選用二極管的什么等效電路？uD=V－iRQIDUDV與uD可比，則需圖解：實(shí)測特性對(duì)V和Ui二極管的模型有什么不同？20五、穩(wěn)壓二極管1.伏安特性進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流

由一個(gè)PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。2.主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流IZ最大功耗PZM＝IZMUZ動(dòng)態(tài)電阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會(huì)因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！限流電阻斜率？21

一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)多子濃度高多子濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個(gè)極、三個(gè)區(qū)、兩個(gè)PN結(jié)。小功率管中功率管大功率管為什么有孔？23二、晶體管的放大原理

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成基極電流IB，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流IC。少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴(kuò)散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴(kuò)散24電流分配：

IE＝IB＋I(xiàn)C

IE－擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流

IB－復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的電流IC－漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流穿透電流集電結(jié)反向電流直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)為什么基極開路集電極回路會(huì)有穿透電流？252.輸出特性β是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下?對(duì)應(yīng)于一個(gè)IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。為什么uCE較小時(shí)iC隨uCE變化很大？為什么進(jìn)入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)27晶體管的三個(gè)工作區(qū)域

晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，輸出回路的電流iC幾乎僅僅決定于輸入回路的電流iB，即可將輸出回路等效為電流iB控制的電流源iC。狀態(tài)uBEiCuCE截止＜UonICEOVCC放大≥UonβiB≥uBE飽和≥Uon＜βiB≤uBE28四、溫度對(duì)晶體管特性的影響29五、主要參數(shù)

直流參數(shù)：、、ICBO、ICEOc-e間擊穿電壓最大集電極電流最大集電極耗散功率，PCM＝iCuCE=Constant安全工作區(qū)交流參數(shù)：β、α、fT（使β＝1的信號(hào)頻率）

極限參數(shù)：ICM、PCM、U（BR）CEO30討論一由圖示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO

、β。2.7uCE=1V時(shí)的iC就是ICMU（BR）CEO31清華大學(xué)華成英討論二：利用Multisim測試晶體管的輸出特性32利用Multisim分析圖示電路在V2小于何值時(shí)晶體管截止、大于何值時(shí)晶體管飽和。討論三以V2作為輸入、以節(jié)點(diǎn)1作為輸出，采用直流掃描的方法可得！約小于0.5V時(shí)截止約大于1V時(shí)飽和描述輸出電壓與輸出電壓之間函數(shù)關(guān)系的曲線，稱為電壓傳輸特性。33§1.4場效應(yīng)管（以N溝道為例）

場效應(yīng)管有三個(gè)極：源極（s）、柵極（g）、漏極（d），對(duì)應(yīng)于晶體管的e、b、c；有三個(gè)工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對(duì)應(yīng)于晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。1.結(jié)型場效應(yīng)管符號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖柵極漏極源極導(dǎo)電溝道單極型管∶噪聲小、抗輻射能力強(qiáng)、低電壓工作34柵-源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道寬度的控制作用溝道最寬溝道變窄溝道消失稱為夾斷

uGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。為什么g-s必須加負(fù)電壓？UGS（off）35漏-源電壓對(duì)漏極電流的影響uGS＞UGS（off）且不變，VDD增大，iD增大。預(yù)夾斷uGD＝UGS（off）VDD的增大，幾乎全部用來克服溝道的電阻，iD幾乎不變，進(jìn)入恒流區(qū)，iD幾乎僅僅決定于uGS。場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件是什么？uGD>UGS（off）uGD<UGS（off）36夾斷電壓漏極飽和電流轉(zhuǎn)移特性場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，因而uGS＞UGS（off）且uGD＜UGS（off）。uDG＞－UGS（off）37g-s電壓控制d-s的等效電阻輸出特性預(yù)夾斷軌跡，uGD＝UGS（off）可變電阻區(qū)恒流區(qū)iD幾乎僅決定于uGS擊穿區(qū)夾斷區(qū)（截止區(qū)）夾斷電壓IDSSΔiD不同型號(hào)的管子UGS（off）、IDSS將不同。低頻跨導(dǎo)：382.絕緣柵型場效應(yīng)管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)，形成導(dǎo)電溝道。SiO2絕緣層襯底耗盡層空穴高摻雜反型層增強(qiáng)型管大到一定值才開啟39增強(qiáng)型MOS管uDS對(duì)iD的影響

用場效應(yīng)管組成放大電路時(shí)應(yīng)使之工作在恒流區(qū)。N溝道增強(qiáng)型MOS管工作在恒流區(qū)的條件是什么？iD隨uDS的增大而增大，可變電阻區(qū)uGD＝UGS（th）,預(yù)夾斷iD幾乎僅僅受控于uGS，恒流區(qū)剛出現(xiàn)夾斷uGS的增大幾乎全部用來克服夾斷區(qū)的電阻40耗盡型MOS管

耗盡型MOS管在uGS＞0、uGS＜0、uGS＝0時(shí)均可導(dǎo)通，且與結(jié)型場效應(yīng)管不同，由于SiO2絕緣層的存在，在uGS＞0時(shí)仍保持g-s間電阻非常大的特點(diǎn)。加正離子小到一定值才夾斷uGS=0時(shí)就存在導(dǎo)電溝道41MOS管的特性1)增強(qiáng)型MOS管2)耗盡型MOS管開啟電壓夾斷電壓42利用Multisim測試場效應(yīng)管的輸出特性從輸出特性曲線說明場效應(yīng)管的哪些特點(diǎn)？433.場效應(yīng)管的分類

工作在恒流區(qū)時(shí)g-s、d-s間的電壓極性u(píng)GS=0可工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？uGS＞0才可能工作在恒流區(qū)