大学模电模拟电子技术-常用半导体器件

大学模电模拟电子技术-常用半导体器件 主要教学内容模拟电子技术电子元器件电子电路及其应用二极管三极管集成电路...放大滤波电源...模拟电子技术：是研究含有半导体器件、电路及其应用学科 信号检测压力、温度、水位、流量等的测量与调节电子仪器医疗仪器......模拟电子技术的应用 家用电器通讯工具广播、电视冰箱、洗衣机家庭影院...... 智能小区 汽车电子汽车电子电源发动机控制行驶装置报警与安全装置旅居性仪表娱乐通讯收音机、汽车电话、业余电台点火装置、燃油喷射控制、发动机电子控制车速控制、间歇刮水、除雾装置、车门紧锁….安全带、车灯未关报警、速度报警、安全气囊….空调控制、动力窗控制里程表、数字式速度表、出租车用仪表…. 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硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子每个原子最外层电子达到几个是较为稳定？ 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4 二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。1.载流子、自由电子和空穴 +4+4+4+4自由电子空穴束缚电子半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象就做本征激，同时伴随着复合，二者动态平衡。自由电子随温度的变化关系如何？本征带电吗？ 2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征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，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。 1.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。 一、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。 +4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。 二、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。 三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。 (1-30)掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，多子是由杂质原子提供的，而本征激发产生的少子浓度则因与多子复合机会的增加而大为减少。可以证明：在半导体中两种载流子的浓度的乘积是恒定的，与掺杂浓度无关。即： 例如：T=300K时，在硅晶体中掺入十亿分之一，即10-9的施主杂质：硅原子的浓度为：5.11022cm-3杂质浓度为：ND=5.1102210-9=5.11013cm-3本征激发时：pi=ni=1.431010cm-3少子的浓度为： 电子浓度与空穴浓度的比值为：ND/P=1.28107倍因此半导体中的电流基本上是多子的电流这种半导体的电阻率为89.3cm，而本征硅的电阻率为2.14105cm，二者的导电性能相差2396倍。 1.1.3PN结在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。PN结是构成半导体器件的基础。一、PN结的形成〈PN结具有单向导电性〉 P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。 漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0 1、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P区中的电子和N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意: PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。二、PN结的单向导电性 －－－－++++RE1.PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。 2.PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。 三.PN结伏安特性的表达式---PN结方程PN结两端的电压U和流过PN结的电流I之间的关系为： 其中：UT=kT/q，称为温度电压当量[T为热力学温度，k为玻尔兹曼常数(8.6310-5ev/k,或1.3810-23J/k)q为电子电荷量，q=1.60210-19库仑]所以，UT=T/11600,当T=300K时，UT0.026V=26mvIS为反向饱和电流 四.PN结伏安特性因此，PN结的正向特性上升很陡，而反向的饱和电流很小，且在一定范围内保持为常数。如图所示：(1-44) 四.PN结的电容效应PN结具有一定的电容效应，根据产生原因不同分成两种。(1-45) 势垒电容Cb：当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。这种电容叫势垒电容。 扩散电容Cd：扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。 势垒电容和扩散电容均是非线性电容。PN结的总电容为二者之和：Cj=Cb+Cd正向偏置时，结电容以扩散电容为主，反向偏置时，结电容以势垒电容为主。 一、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：§1.2半导体二极管 (1)点接触型二极管——PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路(2)面接触型二极管——PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(3)平面型二极管—往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。 二、伏安特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR电流方程： 三、主要参数1.最大整流电流IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压UR二极管工作是允许外加的最大反向电压值。超过此值时，二极管有可能因反向击穿而损坏。手册上给出的最高反向工作电压UR一般是击穿电压U（BR）的一半。 3.反向电流IR指二极管加反向峰值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，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。 4.微变电阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。 5.最高工作频率fM和二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd 四.二极管的等效电路理想模型正向导通端电压常量折线模型或大信号模型 微变等效电路:二极管用动态电阻来等效 请记住 二极管的应用举例下面二极管视为理想tttuiuRuoRRLuiuRuo 1.2.5稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性好。 稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号、等效电路和典型应用电路如所示。 （4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）额定功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压UZ（2）电压温度系数U（%/℃）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻 负载电阻。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。求：电阻R和输入电压ui的正常值。——方程1 令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得： 1.2.6其他类型二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加一、光电二极管 二、发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。 §1.3双极型晶体管1.3.1基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型1.小功率管2.中功率管3.大功率管 BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：结面积较大发射区：掺杂浓度较高 BECNNP基极发射极集电极发射结集电结半导体三极管有两大类型：一类是双极型半导体三极管；另一类是场效应半导体三极管 (1-70)1.3.2电流放大原理发射结正偏，集电结反偏。 BCNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。 BCNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBE2ICE从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。 IB=IBE-ICBOIBEIB3BCNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBOICEIBE ICE与IBE之比称为直流电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。穿透电流交流电流放大倍数：请记住 BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管 1.3.3特性曲线ICmAAVVUCEUBERBIBECEB实验线路iB=f(uBE)UCE=常数 一、输入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。 二、输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。iC=f(uCE)IB=常数 IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。 IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。 (1-81)共基极电路是以发射极电流IE作为输入控制电流。通过共基极直流电流放大系数来表示。 三、主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：1.电流放大倍数和 例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：= 2.集-基极反向截止电流ICBOAICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。 BECNNPICBOICEO=IBE+ICBOIBEIBEICBO进入N区，形成IBE。根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。集电结反偏有ICBO3.集-射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。 4.集电极最大电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。5.集-射极反向击穿电压当集---射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。 6.集电极最大允许功耗PCM集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：PC=ICUCE必定导致结温上升，所以PC有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区 温度对UBE的影响iBuBE25ºC50ºCTUBEIBIC四、温度对晶体管特性及参数的影响 温度对值及ICEO的影响T、ICEOICiCuCEQQ´总的效果是：温度上升时，输出特性曲线上移，造成IC上移。 §1.4场效应管场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。结型场效应管JFETJFET(JunctiontypeFieldEffectTransister)绝缘栅型场效应管IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransister)OR金属-氧化物-半导体三极管MOSFET（MetalOxideSemi-conductorFET)简称MOS管。场效应管有两种:概念：是利用输入回路的电压控制输出回路电流的一种半导体器件---单极型晶体管 一、结型场效应管A、结型场效应三极管的结构栅极G漏极D源极S。P区和N区交界面形成耗尽层，漏源之间非耗尽层为导电沟道 B.工作原理（N沟道）1.保证正常工作,UGS<0,UDS>0以便形成漏极电流ID2.UDS=0,UGS=0,耗尽层很窄，导电沟道很宽3.UDS=0,|UGS|增大,耗尽层变宽，导电沟道变窄，UGS=UGS(OFF),间断电压①栅源电压对沟道的控制作用 ②漏源电压对沟道的控制作用UGS=UGS(OFF)~~0,UDS=0漏源电压UDS从零开始增加，则UGD=UGS-UDS将随之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分布，没夹断前D-S呈现电阻特性UGD=UGS—UDS=UGS(off)，出现预夹断4.当UDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延长,如图(c)所示。此时，iD几乎不变，呈恒流特性。 为什么呈现恒流特性？5.低频跨导UGD=UGS—UDS<UGS(off）当UDS一定，可用UGS来确定ID（压空元件）可以把ID看成UGS控制的电流源(1-94) （1）输出特性曲线iD=f(uDS)|UGS=常数输出特性分成可变电阻区（非饱和区）、恒流区（饱和区）和夹断区。C、结型场效应三极管的特性曲线 （2）转移特性曲线iD=f(uGS)|UDS=常数恒流区中iD的近似表达式为： 结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。 二.绝缘栅型场效应管 A、N沟道增强型MOSFET⑴结构N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。通常沉底与源极连在一起，栅极与衬底间形成电容。 ⑵工作原理①．栅源电压UGS的控制作用当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。 当栅极加有电压时，若0＜UGS＜UGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以仍然不足以形成漏极电流ID。进一步增加UGS，当UGS＞UGS(th)时（UGS(th)称为开启电压)，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着UGS的继续增加，ID将不断增加。使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压UGS(th)。 ②．漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用a)UGS>UGS(th)UDS>0b)UDS继续增大直到UGD=UGS(th)出现预夹断c)继续增大ID几乎不变 （3）特性曲线当UGS＞UGS(th)，且固定为某一值时，UDS对ID的影响，即iD=f(uDS)UGS=const这一关系曲线如图所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。转移特性 与结型场效应管相类似，iD与uGS的关系式为：其中：IDO是uGS=2UGS(th)时的iD。 二、N沟道耗尽型MOSFET在二氧化硅绝缘层中加入大量正离子，那么UGS=0，导电沟道也存在。 五、场效应管的主要参数1.开启电压UGS(th)2.夹断电压UGS(off)3.饱和漏极电流IDSS4.直流输入电阻RGS(DC)5.低频跨导gm6.最大漏极电流IDM7.击穿电压8.最大耗散功率PDM 六、场效应管与晶体管的比较1.晶体管是流控元件,场效应管是压控元件,栅极不取电流，但放大倍数较低。2.场效应管是多子导电，单极型，温度稳定性好。3.场效应管噪声系数小。4.场效应管漏、源极可以互换。6.场效应管集成工艺简单，耗电省，工作电源电压范围宽，应用更广泛。