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1、模拟电子技术电气信息学院电子信息系主讲:杨建宁1第 一 章 半导体器件 5% 理解半导体结构和导电机理(概念) 理解温度变化对半导体导电能力影响的原因 理解二极管结构 掌握二极管的单向导电性应用 理解稳压管稳压原理 理解三极管的结构, 掌握三极管的特性区域,放大、饱和、截止功能 理解场效应管的开启电压和夹断电压学习了解、理解、掌握三层次。2 1.1 半导体基础导体:自然界中很容易导电的物质金属绝缘体:物质几乎不导电的橡皮、陶瓷、塑料半导体:导电特性处于之间的锗、硅、氧化物等导电机理不同于其它物质特点受光照、热、电场,磁场的作用,或掺入某些杂质 (掺杂)导电能力明显改变。半导体应用基础从微观,原
2、子结构认识:导电本质带电粒子定向移动,粒子数量决定导电能力最外层电子决定物理(导电)和化学性能 31.1 .1 本征半导体Si简图晶体 原子排列整齐,具有某种几何对称性的半导体如:C:碳石墨/钻石 工业实用本征半导体不含杂质,晶格完整的半导体结合方式(物理过程)示意 4本征半导体的导电机理+4+4+4+4自由电子 负电粒子 移动激发/复合 (成对) 空穴 带正电粒子 移动束缚电子共价键电子对 八个稳定 形成晶体载流子可以运动的带电粒子,即空穴+和自由电子载流子的数量受激发(热,光,电,磁场) 影响很大。载流子的数量决定导电能力。解释半导体导电机理(和导体区别)温度影响:温度越高,激发作用越强,
3、载流子的浓度越高。半导体的导电能力越强,温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素5多余电子自由运动+4+4+5+4N(电子)型半导体5价磷原子导电以电子为主 +4+4+3+4空穴自由运动P (空穴)型半导体3价硼原子导电以空穴为主 载流子:多子:电子(掺杂,激发)少子:空穴(激发)多子:空穴(掺杂,激发)少子:电子(激发)空间电荷 不可运动掺杂61.1.3 PN结及其特性P型半导体内电场E(0.7Si/0.3Ge少子漂移运动 N型半导体+空间电荷区,耗尽层,阻挡层结合浓差多子扩散界面复合,空间电荷区形成内电场E方向(NP)静电场作用a.阻碍多子扩散,但是扩散愈多Er愈强;b.利于少子飘移,但飘
4、移愈多E愈弱动态平衡,稳定.耗尽,阻挡层,空间电荷区PN结 PN 结多子扩散运动7理想PN结的单向导电性正向偏置PN结导通反向偏置 PN结截止少子漂移电流(微)(P区高电位、N区低电位)(P区低电位、N区高电位)多子扩散电流(大)8实际PN结伏安特性ui导通压降: 硅管 0.7V锗管 0.3V 。反向击穿电 压U(BR)线性工作区门坎区 死区反向饱和区反向击 穿区死区电压 硅管0.5V锗管0.2V理想PN结伏安特性9PN结 伏安特性温度影响,曲线变化趋势ui反向饱和电流Is温度升高 1、反向饱和电流成倍增加很多,单向导电性变差; 2、死区电压 降低;UT 温度电压当量10PN结 的雪崩击穿和齐
5、纳击穿。PN结 的电容效应。111.2 半导体二极管引线外壳线触丝线基片点接触型(小电流,高频 )PN结面接触型(大电流,低频 )PN结加上管壳和引线,就成为半导体二极管 。PN121.2.3 主要参数1)最大整流电流 IF二极管长期使用时,允许流过的最大正向平均电流。2)反向击穿电压UB R 最高反向工作电压UR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增, 二极管 的单向导电性被破坏,甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工 作电压UR一般是UBR的一半。3)反向电流 IR指二极管加反向工作电压时的反向电流。反向电流大,说明 管子的单向导电性差,因此反向电流越小越好。反向电流受温度 的影响,
6、温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小,锗管的 反向电流要大几十到几百倍。 4)最高工作频率f M131.2.6 主要应用二极管的应用是主要利用它的单向导电性。包 括整流、限幅、保护、检波、开关、信号处理等等 。 例1:二极管的应用14例2:二极管的应用(电路分析 )假设截止法(反证,定二极管通断) 1.断开V, 2.绘V+,V-波形, 3.比较, V+V-二级管导通(短路处理) V+IC, UCES0.3V称为饱和区。条件:发射结正偏集电结正偏功能:RCE 0近似电子开关接通 饱和区27IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中 : IB=
7、0, IC=ICEOUBE 死区电压 ,称为截止区 。条件:发射结反偏集电结反偏功能:RCE 近似电子开关断开 截止区281.3.4 主要参数1 性能参数1)共基电流放大系数 =Ic/Ie=IC/IE2)共射电流放大系数 =Ic/Ib=IC/IB(一般40-200)3).集-基反向饱和电流ICBO(CB之间PN结反向电流,A级)4).穿透电流ICEO=(1+) ICBO温度.噪声IC=+ICBO5) 特征频率fT 三极管的下降带1时的频率29ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区2 )极限参数 4. 集电极最大电流ICM 5. 集射反向击穿电压UCEO。 UEBO 。UC
8、BO 6. 集电极最大耗散功率PCM30温度对三极管参数影响311.4 场效应管 FET特点:(1)场效应管只有一种极性的载流子(电子或者空穴)参 与导电,所以场效应管有时又称为单极型晶体管。 (2)场效应管是电压控制器件,它的输入阻抗高达1071014,基 本不需信号源提供输入电流。 场效应管的主要缺点是放大能力较低。场效应管具有三极管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的优点 、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强的优点,效应管类型较多,电压极性要求和特性曲线各不相同,工程上 可方便灵活选用32场效应管 分类N沟道MOS管 结型 P沟道MOS管 场效应管 增强型N沟道MOS管 绝缘栅型P沟道MOS管
9、 耗尽型N沟道MOS管 P沟道MOS管 331.2.6 结型?/341.4 绝缘栅型场效应管1.4.1 基本结构N沟道P沟道增强型N沟道 耗尽型N沟道增强型P沟道 耗尽型P沟道耗尽/增强型;N/P沟道 区分:351.4 . 2 工作原理-1在漏极和源极之间加上电压UDS, 由于N+漏区和N+源区与P型衬底 之间形成两个PN结,无论UDS极 性如何,两个PN结中总有一个因 反向偏置而处于截止状态, 漏极和源极没有导电通道, 漏极电流ID为零。 UDS导电通道形成-场效应361.4 . 2 工作原理-2正向电压UGS,由于栅极铝片与P型衬底 之间为二氧化硅绝缘体,它们构成一个 电容器,UGS在二氧
10、化硅绝缘体产生一个 垂直于衬底表面的电场,电场方向向下, 由于二氧化硅绝缘层很薄,产生的电场 强度很大(V/M)在电场作用下,P衬 底中的电子被吸引到表面层。当UGS较小 时,吸引到表面层中的电子很少,而且 立即被空穴复合,只形成不能导电的耗 尽层。 当UGS UGSON时,吸引到表面层中的电子, 除填满空穴外,多余的电子在原为P型半 导体的衬底表面形成一个自由电子占多数 的N型层,故称为反型层。反型层沟通了 漏区和源区,成为它们之间的导电沟道。开启电压UGS(TH) 使增强型场效应管刚开始形成导电沟道的临界电压 。夹断电压UGS(OFF ) 耗尽型场效应管导电沟道刚开始断开的临界电压371.
11、4 . 2 工作原理-3如果加上栅源电压UGSUGSON后, 在漏区和源区形成了导电沟道,同 时再加上漏源电压UDS0,导电沟 道形状会变成逐渐减小的楔形形状.这是因为UDS使得栅极与沟道不同位 置间的电位差变得不同,靠近源极一 端的电位差最大为UGS;靠近漏极一 端的电位差最小为UGD=UGSUDS,反型层为楔型的不均匀分布。 381.4 . 2 工作原理-4 改变栅极电压UGS,就能改变导电沟道的厚薄和 形状,即改变导电沟道的电阻值,实现对漏极 电流ID的控制作用。与三极管的不同之处是: 三极管是由IB来控制IC的,是电流控制元件。 场效应管是由UGS来控制ID的,故为电压控制元件, UG
12、S对ID的控制能力可通过跨导gm来表示。gm= UDS=常数当UDS继续增加,UGD=UGSUDS减小,沟道在接近漏极 处消失,结果楔形导电沟道如图所示,这时的状态 称为预夹断。预夹断不是完全将导电沟道夹断,而是 允许电子在导电沟道的窄缝中以高速流过,保证沟道 电流的连续性。管子预夹断后,UDS在较大范围内变化 时,ID基本不变,进入恒流区。增强型场效应NMOS管导通的条件为:UGSUGS(TH) UDSUGS0391.4.3 场效应管特性曲线1转移特性在UDS一定时,漏极电流ID与栅源电压 UGS之间的关系ID=f(UGS)当栅源电压小于开启电压时, 漏极电流为零 (0UGSUGS(TH),
13、ID=0)开启电压增强型场效应管刚开始形成导电沟道的临界电压UGS(TH)夹断电压耗尽型场效应管导电沟道刚开始断开的临界电压UGSOFF开启和夹断电压的极性! 当栅源电压大于开启电压时(UGSUGS(TH)),漏极与栅极之间有了导电沟 道,产生漏极电流ID,随着UGS增加,导电沟道加宽,沟道电阻减小,漏极 电流ID随着UGS增加而迅速增加。反映了栅源电压UGS的对漏极电流ID控制作用401.4.6 输出特性(漏极特性)(1)可变电阻区():UGS控制着场效应管的沟道宽度,UGS一定时,沟道电阻基本不变。随着UDS的增加,ID近似线形地增加。D、S间可等效成一个由UGS控制的可变电阻。(2)恒流
14、区():场效应管已经进入预夹断状态,UDS增加,ID只略有增加,ID的大小主要受UGS控制,可以把ID近似等效成一个受UGS控制的电流源,且ID随着UGS线形增长,故又称为线形放大区。(3)击穿区():随着UDS进一步增加到一定的数值时,漏极与衬底的反向PN结被击穿,ID突然迅速上升,功耗急剧增大。ID= f(UDS)| UGS =常数411.4.3 直流主要参数1开启电压UGS(TH):增强型MOS管的UDS为一定值时,产生某 一微小电流ID所需要|UGS|的最小值。 2夹断电压UGSOFF :耗尽型MOS管的UDS为一定值时,使ID 等于某一微小电流所对应的|UGS|值。 3饱和漏极电流I
15、DSS : 耗尽型,U GS = 0,管子发生预夹断 时的漏极电流。 (测试条件: U GS = 0 , U DS = 10V时的 ID = IDSS )4直流输入电阻RGS:表示栅极和源极的直流电阻。绝缘栅型的栅、源极之间是二氧化硅的绝缘层, RGS可高达1091017。421.4.3 交流主要参数1跨导gm:表示栅源电压UGS对漏极电流ID控制作用的大小的 参数。在UDS在一定数值的条件下,UGS的微小变化量引 起的ID微小变化量的比值。单位为A/V或mA/V。 gm= UDS=常数2. 交流输出电阻: UGS=常数1.4.3 极限参数43场效应管思考题理解P37表1-2,各种电压极性关系含义(查表,不要求记忆) 1。解释开启电压、夹断电压的意义,各是那一种场效应管的参数。 2。试说明NMOS管与PMOS管的主要区别,增强型管和耗尽型管的主要区别。 3。为什么说三极管是电流控制元件,而场效应管是电压控制元件?耗尽型N沟道 增强型N沟道 耗尽型P沟道 增强型P沟道44第1章 作业1-7 1- 9*(IMINIMAX) 1- 10(1) 1-12*1- 1345