华工模电幻灯片chapter-1

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1、,第一章 常用半导体器件,第一节、半导体基础知识,第二节、半导体二极管,第三节、晶体三极管,第四节、场效应管,第一节 半导体基础知识,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、PN结的形成及其单向导电性,四、PN结的电容效应,一、本征半导体,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,无杂质,稳定的结构,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,1、什么是半导体？什么是本征半导体？,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,半导体硅（Si）、锗（G

2、e），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,1、本征半导体的结构,由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。,共价键,一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。,为什么要将半导体变成导电性很差的本征半

3、导体？,2、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,二、杂质半导体 1. N型半导体,磷（P）,杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。,多数载流子,空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？,2. P型半导体,硼（B）,多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，,在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？,三、PN结的形成及其单向导电性,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由

4、电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继续进行。,PN结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故

5、可近似认为其截止。,PN结的单向导电性,四、PN结的电容效应,1. 势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。,结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,第二节 半导体二极管,一、二极管的组成,二、二极管的伏安特性及电流方程,三、二极管的等效电路,四、二极管的主要参数,五、稳压二极管,一、二极管的组成,将PN结封装，引出两个

6、电极，就构成了二极管。,点接触型： 结面积小，结电容小 故结允许的电流小 最高工作频率高,面接触型： 结面积大，结电容大 故结允许的电流大 最高工作频率低,平面型： 结面积可小、可大 小的工作频率高 大的结允许的电流大,二、二极管的伏安特性及电流方程 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的 电压当量,从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性,2. 伏安特性受温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,三、二极管的等效电路 1. 将伏安特性

7、折线化,理想 二极管,近似分析中最常用,理想开关 导通时 UD0截止时IS0,导通时UDUon 截止时IS0,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,三、二极管的等效电路,Q越高，rd越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,2. 微变等效电路,四、二极管的主要参数,最大整流电流IF：最大平均值 最大反向工作电压UR：最大瞬时值 反向电流 IR：即IS 最高工作频率fM：因PN结有电容效应,结电容为扩散电容（Cd）与势垒电容（Cb）之和。,扩散路程中电荷的积累

8、与释放,空间电荷区宽窄的变化有电荷的积累与释放,五、稳压二极管,1. 伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,2. 主要参数,稳定电压UZ、稳定电流IZ,最大功耗PZM IZM UZ,动态电阻rzUZ /IZ,讨论一 判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。,判断二极管工作状态的方法？,讨论二,1. V2V、5V、10V时二极管中的直流电流各为多少？ 2. 若输入电压的有效值为5mV，则上述各种情况下二极管中的交流电流各为多少？,V 较小时应实测伏安特性，用图解法求ID。,Q,ID,V5V时，,V=10

9、V时，,uD=V-iR,讨论二,V2V，ID2.6mA,V5V，ID 21.5mA,V10V，ID 50mA,在伏安特性上，Q点越高，二极管的动态电阻越小！,第三节 晶体三极管,一、晶体管的结构和符号,二、晶体管的放大原理,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,一、晶体管的结构和符号,多子浓度高,多子浓度很低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,中功率管,大功率管,二、晶体管的放大原理,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因

10、基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,电流分配： IEIBIC IE扩散运动形成的电流 IB复合运动形成的电流 IC漂移运动形成的电流,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,为什么UCE增大曲线右移？,对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,为什么像PN结的伏安特性？,为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？,1. 输入特性,2. 输出特性

11、,是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下 ?,对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。,为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？,饱和区,放大区,截止区,晶体管的三个工作区域,晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,直流参数： 、 、ICBO、 ICEO,c-e间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，PCMiCuCE,安全工作区,交流参数：、fT（使1的信号频率）,极限参数：ICM、PCM、U（BR）CE

12、O,讨论一,1. 分别分析uI=0V、5V时T是工作在截止状态还是导通状态； 2. 已知T导通时的UBE0.7V，若uI=5V，则在什么范围内T处于放大状态?在什么范围内T处于饱和状态？,通过uBE是否大于Uon判断管子是否导通。,临界饱和时的,讨论二,由图示特性求出PCM、ICM、U （BR）CEO 、。,2.7,uCE=1V时的iC就是ICM,U（BR）CEO,1.4 场效应管,BJT是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。,场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一种电压控制器件(uGS iD) ，工

13、作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。,一. 结型场效应管,1. 结型场效应管的结构（以N沟为例）：,两个PN结夹着一个N型沟道。三个电极： g：栅极 d：漏极 s：源极,符号：,N沟道,P沟道,两个高掺杂P区接在一起,2. 结型场效应管的工作原理,（1）栅源电压对沟道的控制作用,当uGS到一定值时 ，沟道会完全合拢。,定义： 夹断电压UP使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压uGS。,在栅源间加负电压uGS ，令uDS =0 当uGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。,当uGS时，PN结反偏，

14、耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。,在漏源间加电压uDS ，令uGS =0 由于uGS =0，所以导电沟道最宽。 当uDS=0时， iD=0。,uDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。,当uDS ，使uGD=uG S- uDS=UP时，在靠漏极处夹断预夹断。,预夹断前， uDSiD 。 预夹断后， iDSiD 几乎不变。,uDS再，预夹断点下移。,（3）栅源电压uGS和漏源电压uDS共同作用,iD=f（ uGS 、uDS）,可用输两组特性曲线来描绘。,（2）漏源电压对沟道的控制作用,（1）输出特性曲线： iD=f（ uDS ）uGS=常数,3、 结型场效应三极管的特性曲

15、线,设：UT= -3V,iD受uGS控制,四个区：,恒流区的特点： iD / uGS = gm 常数 即： iD = gm uGS （放大原理）,（a）可变电阻区（预夹断前）。,（b）恒流区也称饱和 区（预夹断 后）。,（c）夹断区（截止区）。,（d）击穿区。,可变电阻区,恒流区,截止区,击穿区,（2）转移特性曲线： iD=f（ uGS ）uDS=常数,可根据输出特性曲线作出移特性曲线。 例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：,二. 绝缘栅场效应三极管,绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，简称MOSFET。分为： 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型

16、 N沟道、P沟道,1.N沟道增强型MOS管 （1）结构 4个电极：漏极D， 源极S，栅极G和 衬底B。,符号：,二氧化硅绝缘层,通常将衬底与 源极接在一起,当uGS0V时纵向电场 将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。,（2）工作原理,当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。,再增加uGS纵向电场 将P区少子电子聚集到 P区表面形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。,栅源电压uGS的控制作用,定义： 开启电压（ UT）刚刚产生沟道所需的 栅源电压UGS,也记为UGS(th)。,N沟道增强型MOS管的基本特性： uGS UT，管子截止， uGS UT，管子导通。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。