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1、第一编 模拟部分,第一章 半导体器件的特性第二章 放大器基础第三章 集成运算放大器第四章 反馈放大器第五章( 模拟)信号运算电路第六章 波形发生器第七章 功率放大器,第一章半导体器件的特性,半导体材料、由半导体构成的PN结、二极管结构特性、三极管结构特性及场效应管结构特性。,本章主要内容:,返 回,前 进,1 .1 半导体(Semiconductor)导电特性,根据导电性质把物质分为导体、绝缘体、半导体三大类。,而半导体又分为本征半导体、杂质(掺杂)半导体两种。,1 .1 .1 本征半导体,纯净的、不含杂质的半导体。常用的半导体材料有两种:硅(Si)、锗(Ge)。,硅Si (锗Ge)的原子结构
2、如下:,这种结构的原子利用共价键构成了本征半导体结构。,但在外界激励下,产生电子空穴对(本征激发) ,呈现导体的性质。,这种稳定的结构使得本征半导体常温下不能导电,呈现绝缘体性质。,但在外界激励下,产生电子空穴对(本征激发) ,呈现导体的性质。,这种稳定的结构使得本征半导体常温下不能导电,呈现绝缘体性质。,在外界激励下,产生电子空穴对(本征激发)。,空穴也可移动(邻近电子的依次填充)。,在外界激励下,产生电子空穴对(本征激发)。,空穴也可移动(邻近电子的依次填充)。,在外界激励下,产生电子空穴对(本征激发)。,空穴也可移动(邻近电子的依次填充)。,半导体内部存在两种载流子(可导电的自由电荷):
3、电子(负电荷)、空穴(正电荷)。,在本征半导体中,本征激发产生了电子空穴对,同时存在电子空穴对的复合 。 电子浓度 = 空穴浓度 ni = pi,1 .1 .2 杂质半导体,在本征半导体中掺入少量的其他特定元素(称为杂质)而形成的半导体。,根据掺入杂质的不同,杂质半导体又分为N型半导体和P型半导体。,常用的杂质材料有5价元素磷P和3价元素硼B。,N型半导体内部存在大量的电子和少量的空穴,电子属于多数载流子(简称多子),空穴属于少数载流子(简称少子)。 n p N型半导体主要靠电子导电。,一 . N型半导体(电子型半导体),掺如非金属杂质磷 P的半导体。每掺入一个磷原子就相当于向半导体内部注入一
4、个自由电子。,P型半导体内部存在大量的空穴和少量的电子,空穴属于多数载流子(简称多子),电子属于少数载流子(简称少子)。 p n P型半导体主要靠空穴导电。,二 . P型半导体(空穴型半导体),掺如非金属杂质硼 B 的半导体。每掺入一个硼原子就相当于向半导体内部注入一个空穴。,杂质半导体导电性能主要由多数载流子决定,总体是电中性的,通常只画出其中的杂质离子和等量的多数载流子。,杂质半导体的简化表示法,1 .2 PN结( PN Junction ),将一块P型半导体和一块N型半导体有机结合在一起,其结合部就叫PN结(该区域具有特殊性质)。,一. PN结的形成,多子扩散(在PN结合部形成内电场EI
5、)。,内电场阻碍多子扩散、利于少子漂移。,当扩散与漂移相对平衡,形成PN结。,PN结别名:耗尽层、势垒区、电位壁垒、阻挡层、内电场、空间电荷区等。,二. PN结性质单向导电性,1. 正向导通 PN结外加正向电压(正向偏置)P接 +、N接 - ,形成较大正向电流(正向电阻较小)。如3mA。,2. 反向截止 PN结外加反向电压(反向偏置)P接 -、N接 +,形成较小反向电流(反向电阻较大)。如10A。,二. PN结性质单向导电性,当电压超过某个值(约零点几伏),全部少子参与导电,形成“反向饱和电流IS”。,反偏电压最高可达几千伏。,1 .3 半导体二极管(Diode),二极管的主要结构是PN结。,
6、1 .3 二极管,用外壳将PN结封闭,引出2根极线,就构成了二极管 。,一二极管伏安特性,正向电流较大(正向电阻较小),反向电流较小(反向电阻较大)。,门限电压(死区电压)V(Si管约为0.5V、Ge管约为0.1V),反向击穿电压VBR(可高达几千伏),二极管电压电流方程:,二二极管主要参数,1. 最大整流电流IF,2. 最高反向工作电压UR,3. 反向电流IR,4. 最高工作频率fM,由三块半导体构成,分为NPN型和PNP型两种。三极管含有3极、2结、3区。其中发射区高掺杂,基区较薄且低掺杂,集电区一般掺杂。,1 .4 三极管(Transistor),1 .4 .1 三极管结构及符号,1 .
7、4 三极管(Transistor),1 .4 .2 三极管的三种接法(三种组态),三极管在放大电路中有三种接法:共发射极、共基极、共集电极。,1 .4 .3 三极管内部载流子传输,下面以共发射极NPN管为例分析三极管内部载流子的运动规律,从而得到三极管的放大作用。,为保证三极管具有放大作用(直流能量转换为交流能量),三极管电路中必须要有直流电源,并且直流电源的接法必须保证三极管的发射结正偏、集电结反偏 。,1 .4 .3 三极管内部载流子传输,一.发射区向基区 发射载流子(电子),1 .4 .3 三极管内部载流子传输,一.发射区向基区 发射载流子(电子),二.电子在基区的 疏运输运和复合,1
8、.4 .3 三极管内部载流子传输,一.发射区向基区 发射载流子(电子),二.电子在基区的 疏运输运和复合,三.集电区收集电子,1 .4 .4 三极管各极电流关系,一. 各极电流关系,IE = IEN + IBN IEN,IB = IBN ICBO,IC = ICN + ICBO,IE = IC + IB,二. 电流控制作用,=ICN / IBNIC / IB,IC=IB + (1+ )ICBO =IB + ICEO IC,=ICN / IENIC / IE,IC= IE + ICBO IE,1 .3 .5 共射NPN三极管伏安特性曲线,一. 输入特性曲线,IB = f ( UBE ,UCE )
9、,实际测试时如下进行:,IB = f ( UBE )|UCE,UCE 5V的特性曲线基本重合为一条,手册可给出该条曲线。,1 .4 .5 共射NPN三极管伏安特性曲线,二. 输出特性曲线,IC = f ( IB ,UCE ),实际测试时如此进行:,IC = f ( UCE )|IB,1 .4 .5 共射NPN三极管伏安特性曲线,二. 输出特性曲线,IC = f ( IB ,UCE ),实际测试时如下进行:,IC = f ( UCE )|IB,发射结正偏、集电结反偏时,三极管工作在放大区(处于放大状态),有放大作用:IC =IB + ICEO,两结均反偏时,三极管工作在截至区(处于截止状态) ,
10、无放大作用。IE=IC=ICEO0,发射结正偏、集电结正偏时,三极管工作在饱和区(处于饱和状态) ,无放大作用。IE=IC(较大),1 .4 .6 三极管主要参数,一. 电流放大系数,1. 共发射极电流放大系数直流IC/IB 交流IC/IB 均用表示。,2. 共基极电流放大系数直流IC/IE 交流IC/IE 均用表示。,二. 反向饱和电流,1.集电极基极间反向饱和电流ICBO,2.集电极发射极间穿透电流ICEO,ICEO = (1+) ICBO,=/(1) =/(1+),1 .4 .6 三极管主要参数,一. 电流放大系数,IC/IB IC/IE =/(1) =/(1+),二. 反向饱和电流,I
11、CBO ICEO ICEO = (1+) ICBO,三. 极限参数,1. 集电极最大允许电流ICM,2. 集电极最大允许功耗PCM,3. 反向击穿电压U(BR)CEO 、U(BR)CBO,三极管的安全工作区,1 .5 场效应管(Field Effect Transistor ),场效应管是单极性管子,其输入PN结处于反偏或绝缘状态,具有很高的输入电阻(这一点与三极管相反),同时,还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射性强、便于集成等优点。,场效应管是电压控制器件,既利用栅源电压控制漏极电流(iD = gmuGS)这一点与三级管(电流控制器件, 基极电流控制集电极电流,iC = iB)不同,而栅极电流
12、iD为0(因为输入电阻很大)。,场效应管分为两大类:结型场效应管(JFETJunction Field Effect Transistor)、绝缘栅型场效应管(IGFETInsulated Gate Field Effect Transistor)。,1 .5 .1 结型场效应管,一. 结构及符号,N沟道管靠(单一载流子)电子导电,P沟道管靠(单一载流子)空穴导电。场效应管的栅极G、源极S和漏极D与三级管的基极b、发射极e和集电极c相对应。,1 .5 .1 结型场效应管,二.工作原理(栅源电压UGS对漏极电流ID的控制作用),以N沟道管为例。漏源之间的PN结必须反偏。,N沟道结型场效应管加上反
13、偏的栅源电压UGS (UGS0) ,在漏源之间加上漏源电压UDS(UDS0),便形成漏极电流ID。而且UGS可控制ID。,1 .5 .1 结型场效应管,二.工作原理(栅源电压UGS对漏极电流ID的控制作用),1.当VGS=0时,沟道最宽,沟道电阻最小,加上VDS可形成最大的ID;,2.当VGS0时,沟道逐渐变窄,沟道电阻逐渐变大,ID逐渐减小;,3.当VGS=VP (夹断电压)时,沟道夹断,沟道电阻为无限大,ID=0。,所以,栅源电压VGS对漏极电流ID有控制作用。,1 .5 .1 结型场效应管,三. JFET特性曲线,VGS=0时,随着VDS的增大,沟道变化情况如下:,加上VGS,沟道会进一
14、步变窄。,1 .5 .1 结型场效应管,三. JFET特性曲线,1.转移特性曲线,ID =f( UGS )|UDS,1 .5 .1 结型场效应管,三. JFET特性曲线,2.漏极特性曲线,变化VGS,得到一族特性曲线。分为可变电阻区、恒流区、击穿区三部分。 JFET管处于恒流状态时,有 ID=gmVGS,ID =f( UDS )|UGS,1 .5 .1 结型场效应管,四. JFET管工作过程小结,N沟道JFET 栅源电压VGS为负值,漏源电压VDS为正值(P沟道JFET与之相反)。在栅源电压VGS控制下,漏极电流ID随栅源电压而发生变化。并且,VGS=0时,ID最大;VGS= VP 时,ID=
15、0。二者之间关系为: ID=gmVGS (栅源间必须反偏),1 .5 .1 结型场效应管,三. JFET特性曲线,3.转移输出特性关系,由输出特性曲线可得到转移特性曲线,1 .5 .1 结型场效应管,四. JFET管工作过程小结,N沟道JFET 栅源电压VGS为负值,漏源电压VDS为正值(P沟道JFET与之相反)。在栅源电压VGS控制下,漏极电流ID随栅源电压而发生变化。并且,VGS=0时,ID最大;VGS= VP 时,ID=0。二者之间关系为: ID=gmVGS (栅源间必须反偏),1 .5 .2 绝缘栅型场效应管,这种场效应管的栅极处于绝缘状态,输入电阻更高。广泛运用的是金属氧化物半导体场效应管MOSFET(MetalOxideSemicondoctor type Field Effect Transistor),简计为MOS管。分为增强型MOS管和耗尽型MOS管两类 ,每类又有N沟道和P沟道两种管子。,1 .5 .2 绝缘栅型场效应管,一. 结构及符号,