模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).ppt

1、第1章 常用半導(dǎo)體器件,第1章 常用半導(dǎo)體器件,1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),1.3 半導(dǎo)體三極管,1.2 半導(dǎo)體二極管,1.4 半導(dǎo)體場效應(yīng)管,第1章 常用半導(dǎo)體器件,1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),導(dǎo) 體：電阻率小于10-4cm的物質(zhì)，如銅、鋁、 銀等金屬材料；,半導(dǎo)體：電阻率在10-3109cm范圍內(nèi)的物質(zhì)， 常用的半導(dǎo)體材料是硅（Si)、鍺(Ge)、砷化鎵GaAs。,絕緣體：電阻率大于1010cm的物質(zhì)，如塑料、 橡膠、陶瓷等材料；,第1章 常用半導(dǎo)體器件,用半導(dǎo)體材料制作電子元器件，不是因?yàn)樗膶?dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而是由于其導(dǎo)電能力會(huì)隨著溫度的變化、光照或摻入雜質(zhì)的多少發(fā)生顯著的變化。,

2、半導(dǎo)體受熱、光照或摻入雜質(zhì)后，導(dǎo)電性能會(huì)發(fā)生變化。,摻雜特性：純凈硅在室溫時(shí)的電阻率為 2.14105cm，如果在純凈硅中摻入百萬分之一濃度的磷原子，此時(shí)硅的純度仍可高達(dá)99.9999，但它的電阻率卻下降到 0.2cm，幾乎減少到原來的百萬分之一。,熱敏特性：純凈的半導(dǎo)體硅，當(dāng)溫度從30升高到40時(shí)，電阻率減小一半；而金屬導(dǎo)體銅，當(dāng)溫度從30升高到100時(shí)，電阻率的增加還不到 1 倍。 光敏特性：,第1章 常用半導(dǎo)體器件,圖 1-1 硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)模型 (a) 硅； (b) 鍺； (c) 原子簡化模型,1.1.1 本征半導(dǎo)體,純凈的單晶半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。,1 本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu),第1章

3、 常用半導(dǎo)體器件,半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu),空穴共價(jià)鍵中的空位。空穴可以看成帶正電的粒子。,電子空穴對(duì)由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對(duì)。,第1章 常用半導(dǎo)體器件,本征激發(fā)：由于本征半導(dǎo)體受熱（或光照）而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的現(xiàn)象。,自由電子：掙脫了共價(jià)鍵束縛的價(jià)電子。,2 本征半導(dǎo)體中的兩種載流子,空穴的移動(dòng),空穴的移動(dòng)：空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。電子填充空穴的過程就相當(dāng)于正電荷空穴的移動(dòng)，因此空穴是能載運(yùn)電荷的粒子載流子，即空穴能參與導(dǎo)電。,第1章 常用半導(dǎo)體器件,本征半導(dǎo)體中空穴和自由電子移動(dòng)都能輸運(yùn)電荷，即本征半導(dǎo)體中空穴和自由電子

4、移動(dòng)都能參與導(dǎo)電。故本征半導(dǎo)體中有兩種載流子?？昭ê妥杂呻娮佣ㄏ蛞苿?dòng)都會(huì)形成電流。,第1章 常用半導(dǎo)體器件,半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：,3 熱平衡載流子的濃度,第1章 常用半導(dǎo)體器件,當(dāng)溫度一定時(shí)，在本征半導(dǎo)體中本征激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)，與復(fù)合的電子-空穴對(duì)數(shù)目相等，這種狀態(tài)稱為熱平衡狀態(tài)。熱平衡狀態(tài)下本征半導(dǎo)體的載流子濃度是一定的， 且自由電子的濃度和空穴的濃度相等。根據(jù)有關(guān)理論，可以證明載流子濃度為,自由電子在運(yùn)動(dòng)中填補(bǔ)空穴,使兩者都消失的現(xiàn)象稱為復(fù)合。,式中K1是常量（硅為3.881016 cm-3K-3/2，鍺為1.761016cm-3K-3/2）；k 為玻爾茲曼常數(shù)；EG0 是T=0K時(shí)的

5、禁帶寬度（破壞共價(jià)鍵所需能量，硅為1.21 eV， 鍺為0.785 eV）。,1.1.2 雜質(zhì)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(jià)或五價(jià)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(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。,P型半導(dǎo)體摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。,第1章 常用半導(dǎo)體器件,1. N型半導(dǎo)體,因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)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（多子），它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子（少子）,

6、 由熱激發(fā)形成。,提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。,第1章 常用半導(dǎo)體器件,2. P型半導(dǎo)體,因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)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(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。,第1章 常用半導(dǎo)體器件,在一塊完整的本征半導(dǎo)體硅或鍺片上，利用不同的摻雜工藝， 使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體， 在它們的交界處便形成PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?,第1章 常用半導(dǎo)體器件,1.1.

7、3 PN 結(jié),半導(dǎo)體器件的核心是PN結(jié)。半導(dǎo)體二極管是單個(gè)PN結(jié);半導(dǎo)體三極管具有兩個(gè)PN結(jié)； 場效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)也是PN結(jié)。,第1章 常用半導(dǎo)體器件,1 PN結(jié)的形成,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域的運(yùn)動(dòng)。即P型區(qū)的多子(空穴)向N型區(qū)擴(kuò)散，N型區(qū)的多子(自由電子)向P型區(qū)擴(kuò)散。,空間電荷區(qū)：在P和N的交界面兩側(cè)出現(xiàn)的不能移動(dòng)的雜質(zhì)正負(fù)離子區(qū)域。也就是PN結(jié)，又稱為耗盡層。,多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)加寬。,第1章 常用半導(dǎo)體器件,1 PN結(jié)的形成 內(nèi)電場：在空間電荷區(qū)里，由帶正電的N型區(qū)指向帶負(fù)電的P型區(qū)的電場。,內(nèi)電場阻止多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)、,內(nèi)電場推動(dòng)少數(shù)載流子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)（載

8、流子從濃度低的區(qū)域向濃度高的區(qū)域的運(yùn)動(dòng)。） 。從N型區(qū)漂移到P型區(qū)的空穴填補(bǔ)了原來交界面上P型區(qū)所失去的空穴， 從P型區(qū)漂移到N型區(qū)的自由電子填補(bǔ)了原來交界面上N型區(qū)所失去的自由電子，漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄。空間電荷區(qū)稱為阻擋層。,1 PN結(jié)的形成 當(dāng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和少子的漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度一定，PN結(jié)電流為零。在動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，由內(nèi)電場產(chǎn)生的電位差稱為內(nèi)建電位差Uho, 如圖（b）所示。處于室溫時(shí)，鍺的Uho0.20.3 V，硅的Uho0.50.7 V。 ,第1章 常用半導(dǎo)體器件,第1章 常用半導(dǎo)體器件,總結(jié): 在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N

9、型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)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,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(kuò)散,最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。,多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) ,第1章 常用半導(dǎo)體器件,若P型和N型半導(dǎo)體的摻雜濃度不同， 空間電荷區(qū)內(nèi)正、負(fù)離子的寬度也將不同，P型區(qū)和N型區(qū)的摻雜濃度相等時(shí)，正離子區(qū)與負(fù)離子區(qū)的寬度也相等，稱為對(duì)稱PN結(jié)；當(dāng)兩邊摻雜濃度不等時(shí)，濃度高的一側(cè)的離子區(qū)寬度低于濃度低的一側(cè)， 稱為不對(duì)稱PN結(jié)。其中，P型區(qū)摻雜濃度大于N型區(qū)的稱為P+N結(jié)；N型區(qū)摻雜濃度大于P型區(qū)的稱為N+P結(jié)。,第1

10、章 常用半導(dǎo)體器件,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。,(1) PN結(jié)加正向電壓時(shí),PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況,低電阻 大的正向擴(kuò)散電流,第1章 常用半導(dǎo)體器件,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。,(2) PN結(jié)加反向電壓時(shí),PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況,高電阻 很小的反向漂移電流,（PN結(jié)截止）,第1章 常用半導(dǎo)體器件,PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流，PN結(jié)導(dǎo)通。 PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小

11、的反向漂移電流。PN結(jié)截止。 由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?第1章 常用半導(dǎo)體器件,3 PN結(jié)V- I 方程,其中,IS 反向飽和電流,VT 溫度的電壓當(dāng)量,且在常溫下（T=300K）,根據(jù)理論分析，PN結(jié)兩端的電壓U和流過PN結(jié)的電流I之間的關(guān)系為,第1章 常用半導(dǎo)體器件,反向擊穿特性,正向特性,反向特性,Uon,4 PN結(jié)的伏安特性,反向電壓不斷增大，超過某一電壓值時(shí)， 反向電流將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。反向電流急劇增加時(shí)所對(duì)應(yīng)的反向電壓U(BR)稱為反向擊穿電壓。反向擊穿原因有雪崩擊和齊納擊穿。,第1章 常用半導(dǎo)體器件,1） 雪崩擊穿 在摻雜濃度較低的PN結(jié)中

12、，隨著反向電壓逐漸增大，空間電荷區(qū)（即阻擋層）變寬，內(nèi)電場加強(qiáng)，使參加漂移運(yùn)動(dòng)的載流子加速，動(dòng)能加大。當(dāng)反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，載流子獲得的動(dòng)能足以把束縛在共價(jià)鍵中的價(jià)電子碰撞出來，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的載流子被電場加速后，又碰撞其它中性原子， 又產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。 如此連鎖反應(yīng)，造成載流子急劇增多， 使反向電流“滾雪球”般地驟增，通常將這種反向擊穿稱為雪崩擊穿。雪崩擊穿的擊穿電壓較高，其值隨摻雜濃度的降低而增大。,第1章 常用半導(dǎo)體器件,2） 齊納擊穿 當(dāng)PN結(jié)兩邊的摻雜濃度很高時(shí)，阻擋層將變得很薄。這時(shí)只要加上不大的反向電壓（如4 V以下），阻擋層就可能獲得2106 V/cm以上

13、的電場強(qiáng)度，該場強(qiáng)足以直接破壞共價(jià)鍵，把價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來，從而獲得大量的電子-空穴對(duì)，引起PN結(jié)中的反向電流急劇增大，這種反向擊穿現(xiàn)象稱為齊納擊穿。齊納擊穿的反向擊穿電壓較低，且隨著摻雜濃度的增高而減小。 通常情況下，反向擊穿電壓在7 V以上屬于雪崩擊穿，4V以下屬于齊納擊穿，在47 V之間的擊穿則兩種情況都有。無論哪種擊穿， 只要PN結(jié)不因電流過大而產(chǎn)生過熱損壞，當(dāng)反向電壓降到擊穿電壓以下（均指絕對(duì)值）時(shí)，其性能又可恢復(fù)到擊穿前的情況。,第1章 常用半導(dǎo)體器件,5 PN結(jié)的電容特性,1） 勢(shì)壘電容Cb,勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)的結(jié)面積S成正比，與空間電荷區(qū)的寬度l成反比，為半導(dǎo)體材料的介

14、電系數(shù)。由于空間電荷區(qū)的寬度l隨外加電壓U的變化而變化，因此勢(shì)壘電容是一種非線性電容。,第1章 常用半導(dǎo)體器件,2) 擴(kuò)散電容Cd,擴(kuò)散電容示意圖,PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時(shí)的少子稱為平衡少子。當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置時(shí)，P區(qū)的多子(空穴)擴(kuò)散到N區(qū)，成為N區(qū)中的少子，N區(qū)中的多子(自由電子)擴(kuò)散到P區(qū)，成為P區(qū)中的少子，這種不是靠熱激發(fā)而存在的少子稱為非平衡少子。當(dāng)外加正向電壓一定時(shí)，靠近空間電荷區(qū)邊界的中性區(qū)非平衡少子濃度高，遠(yuǎn)離邊界的中性區(qū)非平衡少子濃度低。,外加電壓增大，曲線由變?yōu)?；外加電壓減小曲線由變?yōu)椤?第1章 常用半導(dǎo)體器件,綜上所述，PN結(jié)的結(jié)電容Cj為勢(shì)壘電容Cb和擴(kuò)散電容Cd之和，即

15、,當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，PN結(jié)結(jié)電容以擴(kuò)散電容為主，CjCd， 其值為幾十皮法到幾千皮法；當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，PN結(jié)結(jié)電容以勢(shì)壘電容為主，CjCb，其值為幾皮法到幾十皮法。,第1章 常用半導(dǎo)體器件,1.2 半導(dǎo)體二極管,1.2.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu),1.2.2 二極管的伏安特性,1.2.3 二極管的參數(shù),1.2.4 二極管的等效模型,第1章 常用半導(dǎo)體器件,半導(dǎo)體二極管圖片,第1章 常用半導(dǎo)體器件,1.2.1 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(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。,(1) 點(diǎn)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

16、路。,第1章 常用半導(dǎo)體器件,(3) 平面型二極管,往往用于集成電路制造藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。,(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。,(b)面接觸型,(4) 二極管的代表符號(hào),第1章 常用半導(dǎo)體器件,1.2.2 二極管的伏安特性(T的影響),二極管的伏安特性曲線可用下式表示,正向特性,反向特性,反向擊穿特性,門限電壓或開啟電壓:Uon（或Vth) 鍺管約為0.1 V, 硅管約為 0.5 V。對(duì)溫度敏感,二極管的伏安特性受溫度的影響,第1章 常用半導(dǎo)體器件,1.2.3 二極管的主要參數(shù),最高反向工作電壓UR ：當(dāng)二極管的反向電壓超過最高反

17、向工作電壓UR時(shí)，管子可能會(huì)因反向擊穿而損壞。通常UR為二極管反向擊穿電壓U(BR)的一半。,最大整流電流IF ： 它是指二極管長期工作時(shí)允許通過的最大正向平均電流。在使用時(shí)注意不要超過此值，否則二極管會(huì)因過熱而損壞。,反向電流IR ： 是指管子未擊穿時(shí)的反向電流。 此值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩?最高工作頻率fM：它是指二極管正常工作時(shí)的上限頻率。 超過此值，由于二極管結(jié)電容的作用，二極管的單向?qū)щ娦詫⒃獾狡茐摹?第1章 常用半導(dǎo)體器件,1.2.4 二極管的等效模型,1） 理想模型,3） 折線模型,2） 恒壓降模型,1 二極管V- I 特性折線化建模,第1章 常用半導(dǎo)體器件,2. 小信號(hào)

18、模型（微變等效電路）,二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。,即,根據(jù),得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo),則,常溫下（T=300K）,第1章 常用半導(dǎo)體器件,應(yīng)用舉例,1. 二極管的靜態(tài)工作情況分析,理想模型,恒壓模型,（硅二極管典型值）,折線模型,（硅二極管典型值）,設(shè),第1章 常用半導(dǎo)體器件,由二極管組成的開關(guān)電路如圖所示，判斷圖中二極管是導(dǎo)通還是截止，并確定電路的輸出電壓Uo（設(shè)二極管是理想二極管）。,首先假設(shè)二極管斷開，然后求得二極管正極和負(fù)極之間將承受的電壓。如果該電壓大于零， 則二極管導(dǎo)通; 否則，二極管截止,2. 門電路,解：兩個(gè)二極管都斷開時(shí)， 所承受的電壓分別為 UD1=6 V-3V=3 V0 UD2=6 V-0 V=6 V0 電路中二極管VD2導(dǎo)通，VD1截止，輸出電壓Uo=0 V。,第1章 常用半導(dǎo)體器件,二極管限幅電路 (a) 電路; (b) 波形,3. 限幅電路,第1章 常用半導(dǎo)體器件,1.2.5 穩(wěn)壓二極管,第1章 常用半導(dǎo)體器件,(1) 穩(wěn)定電壓VZ,(2) 動(dòng)態(tài)電阻rZ,在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。,rZ =VZ /IZ,(3)最