模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第1章

第一章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ),1.1半導(dǎo)體的基本知識,1.2半導(dǎo)體二極管,1.3半導(dǎo)體三極管,1.4BJT模型,1.5場效應(yīng)管,1.1半導(dǎo)體的基本知識,在物理學(xué)中。根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以將他們劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價(jià)元素。,硅原子,鍺原子,硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。,本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),束縛電子,在絕對溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。,一.本征半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。,當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。,自由電子,空穴,自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴。,可見本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對。外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對越多。,動畫演示,與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象復(fù)合,在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。,常溫300K時(shí)：,電子空穴對,自由電子帶負(fù)電荷電子流,動畫演示,總電流,空穴帶正電荷空穴流,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。,導(dǎo)電機(jī)制,二.雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。,1.N型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，稱為N型半導(dǎo)體。,N型半導(dǎo)體,多余電子,磷原子,硅原子,多數(shù)載流子自由電子,少數(shù)載流子空穴,施主離子,自由電子,電子空穴對,在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。,空穴,硼原子,硅原子,多數(shù)載流子空穴,少數(shù)載流子自由電子,受主離子,空穴,電子空穴對,2.P型半導(dǎo)體,雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖,多子電子,少子空穴,多子空穴,少子電子,少子濃度與溫度有關(guān),多子濃度與溫度無關(guān),因多子濃度差,形成內(nèi)電場,多子的擴(kuò)散,空間電荷區(qū),阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。,PN結(jié)合,空間電荷區(qū),多子擴(kuò)散電流,少子漂移電流,耗盡層,三.PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?1.PN結(jié)的形成,動畫演示,動態(tài)平衡：,擴(kuò)散電流漂移電流,總電流0,2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(1)加正向電壓（正偏）電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū),外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。外電場削弱內(nèi)電場,耗盡層變窄,擴(kuò)散運(yùn)動漂移運(yùn)動,多子擴(kuò)散形成正向電流IF,(2)加反向電壓電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū),外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。外電場加強(qiáng)內(nèi)電場,耗盡層變寬,漂移運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動,少子漂移形成反向電流IR,在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。,PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，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?動畫演示1,動畫演示2,3.PN結(jié)的伏安特性曲線及表達(dá)式,根據(jù)理論推導(dǎo)，PN結(jié)的伏安特性曲線如圖,正偏,IF（多子擴(kuò)散）,IR（少子漂移）,反偏,反向飽和電流,反向擊穿電壓,反向擊穿,熱擊穿燒壞PN結(jié),電擊穿可逆,根據(jù)理論分析：,u為PN結(jié)兩端的電壓降,i為流過PN結(jié)的電流,IS為反向飽和電流,UT=kT/q稱為溫度的電壓當(dāng)量,其中k為玻耳茲曼常數(shù)1.381023q為電子電荷量1.6109T為熱力學(xué)溫度對于室溫（相當(dāng)T=300K）則有UT=26mV。,當(dāng)u0uUT時(shí),當(dāng)u|UT|時(shí),4.PN結(jié)的電容效應(yīng),當(dāng)外加電壓發(fā)生變化時(shí)，耗盡層的寬度要相應(yīng)地隨之改變，即PN結(jié)中存儲的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。,(1)勢壘電容CB,(2)擴(kuò)散電容CD,當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。,電容效應(yīng)在交流信號作用下才會明顯表現(xiàn)出來,極間電容（結(jié)電容）,1.2半導(dǎo)體二極管,二極管=PN結(jié)+管殼+引線,結(jié)構(gòu),符號,二極管按結(jié)構(gòu)分三大類：,(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路。,(3)平面型二極管,用于集成電路制造工藝中。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。,半導(dǎo)體二極管的型號,國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：,2AP9,一、半導(dǎo)體二極管的VA特性曲線,硅：0.5V鍺：0.1V,(1)正向特性,導(dǎo)通壓降,(2)反向特性,死區(qū)電壓,實(shí)驗(yàn)曲線,硅：0.7V鍺：0.3V,二.二極管的模型及近似分析計(jì)算,例：,二極管的模型,串聯(lián)電壓源模型,UD二極管的導(dǎo)通壓降。硅管0.7V；鍺管0.3V。,理想二極管模型,正偏,反偏,二極管的近似分析計(jì)算,例：,串聯(lián)電壓源模型,測量值9.32mA,相對誤差,理想二極管模型,相對誤差,0.7V,例：二極管構(gòu)成的限幅電路如圖所示，R1k，UREF=2V，輸入信號為ui。(1)若ui為4V的直流信號，分別采用理想二極管模型、理想二極管串聯(lián)電壓源模型計(jì)算電流I和輸出電壓uo,解：（1）采用理想模型分析。,采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析。,（2）如果ui為幅度4V的交流三角波，波形如圖（b）所示，分別采用理想二極管模型和理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析電路并畫出相應(yīng)的輸出電壓波形。,解：采用理想二極管模型分析。波形如圖所示。,采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析，波形如圖所示。,三.二極管的主要參數(shù),(1)最大整流電流IF,二極管長期連續(xù)工作時(shí)，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。,(2)反向擊穿電壓UBR,二極管反向電流急劇增加時(shí)對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。,(3)反向電流IR,在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。,當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時(shí),其兩端電壓近似為常數(shù),穩(wěn)定電壓,四、穩(wěn)壓二極管,穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管,正向同二極管,反偏電壓UZ反向擊穿,UZ,穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù),(1)穩(wěn)定電壓UZ,(2)動態(tài)電阻rZ,在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。,rZ=U/IrZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。,(3)最小穩(wěn)定工作電流IZmin,保證穩(wěn)壓管擊穿所對應(yīng)的電流，若IZIZmin則不能穩(wěn)壓。,(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax,超過Izmax穩(wěn)壓管會因功耗過大而燒壞。,1.3半導(dǎo)體三極管,半導(dǎo)體三極管，也叫晶體三極管。由于工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，因此，還被稱為雙極型晶體管（BipolarJunctionTransistor,簡稱BJT）。BJT是由兩個(gè)PN結(jié)組成的。,一.BJT的結(jié)構(gòu),NPN型,PNP型,符號:,三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。,二BJT的內(nèi)部工作原理（NPN管）,三極管在工作時(shí)要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸?若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏：,+UCE,UBE,UCB,集電結(jié)反偏：,由VBB保證,由VCC、VBB保證,UCB=UCE-UBE,0,（1）因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成了擴(kuò)散電流IEN。同時(shí)從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動，形成的電流為IEP。但其數(shù)量小，可忽略。所以發(fā)射極電流IEIEN。,（2）發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的空穴復(fù)合掉，形成IBN。所以基極電流IBIBN。大部分到達(dá)了集電區(qū)的邊緣。,1BJT內(nèi)部的載流子傳輸過程,（3）因?yàn)榧娊Y(jié)反偏，收集擴(kuò)散到集電區(qū)邊緣的電子，形成電流ICN。,另外，集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。,2電流分配關(guān)系,三個(gè)電極上的電流關(guān)系:,IE=IC+IB,定義：,(1)IC與IE之間的關(guān)系:,所以:,其值的大小約為0.90.99。,(2)IC與IB之間的關(guān)系：,聯(lián)立以下兩式：,得：,所以：,得：,令：,三.BJT的特性曲線（共發(fā)射極接法）,(1)輸入特性曲線iB=f(uBE)uCE=const,（1）uCE=0V時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)。等同PN結(jié)的特性曲線,（3）uCE1V再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。,（2）當(dāng)uCE=1V時(shí)，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，所以基區(qū)復(fù)合減少，在同一uBE電壓下，iB減小。特性曲線將向右稍微移動一些。,(2)輸出特性曲線iC=f(uCE)iB=const,現(xiàn)以iB=60uA一條加以說明。,（1）當(dāng)uCE=0V時(shí)，因集電極無收集作用，iC=0。,（2）uCEIc。,（3）當(dāng)uCE1V后，收集電子的能力足夠強(qiáng)。這時(shí)，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不變。,同理，可作出iB=其他值的曲線。,輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域:,飽和區(qū)iC受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uCE0.7V。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。,截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。,放大區(qū)曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。該區(qū)中有：,飽和區(qū),放大區(qū),截止區(qū),四.BJT的主要參數(shù),1.電流放大系數(shù),（2）共基極電流放大系數(shù)：,一般取20200之間,2.3,1.5,（1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)：,2.極間反向電流,（2）集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO基極開路時(shí)，集電極到發(fā)射極間的電流穿透電流。其大小與溫度有關(guān)。,（1）集電極基極間反向飽和電流ICBO發(fā)射極開路時(shí)，在其集電結(jié)上加反向電壓，得到反向電流。它實(shí)際上就是一個(gè)PN結(jié)的反向電流。其大小與溫度有關(guān)。鍺管：ICBO為微安數(shù)量級，硅管：ICBO為納安數(shù)量級。,3.極限參數(shù),Ic增加時(shí)，要下降。當(dāng)值下降到線性放大區(qū)值的70時(shí)，所對應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。,（1）集電極最大允許電流ICM,（2）集電極最大允許功率損耗PCM集電極電流通過集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗，PC=ICUCE,PCM,PCM,（3）反向擊穿電壓,BJT有兩個(gè)PN結(jié)，其反向擊穿電壓有以下幾種：,U（BR）EBO集電極開路時(shí)，發(fā)射極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般幾伏十幾伏。U（BR）CBO發(fā)射極開路時(shí)，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般為幾十伏幾百伏。,U（BR）CEO基極開路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間允許的最大反向電壓。,在實(shí)際使用時(shí)，還有U（BR）CER、U（BR）CES等擊穿電壓。,1.4三極管的模型及分析方法,UD=0.7V,UCES=0.3V,iB0iC0,一.BJT的模型,直流模型,二.BJT電路的分析方法（直流）,1.模型分析法（近似估算法）(模擬p5859),例：共射電路如圖，已知三極管為硅管，=40，試求電路中的直流量IB、IC、UBE、UCE。,+UBE,+UCE,解：設(shè)三極管工作在放大狀態(tài)，用放大模型代替三極管。,UBE=0.7V,2.圖解法模擬(p5456),iC=f(uCE)iB=40A,M(VCC,0),(12,0),(0,3),直流負(fù)載線,斜率：,UCEQ6V,ICQ1.5mA,Q,半導(dǎo)體三極管的型號,第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關(guān)管,國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：,3DG110B,1.5場效應(yīng)管,BJT是一種電流控制元件(iBiC)，工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。,場效應(yīng)管（FieldEffectTransistor簡稱FET）是一種電壓控制器件(uGSiD)，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。,一.絕緣柵場效應(yīng)三極管,絕緣柵型場效應(yīng)管(MetalOxideSemiconductorFET)，簡稱MOSFET。分為：增強(qiáng)型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道,1.N溝道增強(qiáng)型MOS管（1）結(jié)構(gòu)4個(gè)電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底B。,符號：,當(dāng)uGS0V時(shí)縱向電場將靠近柵極下方的空穴向下排斥耗盡層。,（2）工作原理,當(dāng)uGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。,再增加uGS縱向電場將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面形成導(dǎo)電溝道，如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。,柵源電壓uGS的控制作用,定義：開啟電壓（UT）剛剛產(chǎn)生溝道所需的柵源電壓UGS。,N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性：uGSUT，管子截止，uGSUT，管子導(dǎo)通。uGS越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流ID越大。,漏源電壓uDS對漏極電流id的控制作用,當(dāng)uGSUT，且固定為某一值時(shí)，來分析漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響。（設(shè)UT=2V，uGS=4V）,（a）uds=0時(shí)，id=0。,（b）udsid；同時(shí)溝道靠漏區(qū)變窄。,（c）當(dāng)uds增加到使ugd=UT時(shí)，溝道靠漏區(qū)夾斷，稱為預(yù)夾斷。,（d）uds再增加，預(yù)夾斷區(qū)加長，uds增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，id基本不變。,（3）特性曲線,四個(gè)區(qū)：（a）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。,輸出特性曲線：iD=f(uDS)uGS=const,（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預(yù)夾斷后）。,（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。,（d）擊穿區(qū)。,可變電阻區(qū),恒流區(qū),截止區(qū),擊穿區(qū),轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f(uGS)uDS=const,可根據(jù)輸出特性曲線作出移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：,UT,一個(gè)重要參數(shù)跨導(dǎo)gm：,gm=iD/uGSuDS=const(單位mS)gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。在輸出特性曲線上也可求出gm。,2.N溝道耗盡型MOSFET,特點(diǎn)：當(dāng)uGS=0時(shí)，就有溝道，加入uDS，就有iD。當(dāng)uGS0時(shí)，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。當(dāng)uGS0時(shí)，溝道變窄，iD減小。,在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)uGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。,定義：夾斷電壓（UP）溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS。,N溝道耗盡型