模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程第三版楊素行PPT課件

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1、1.1半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體的特性1. 導(dǎo)體：電阻率 109 cm 物質(zhì)。如橡膠、塑料等。3. 半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的物質(zhì)。大多數(shù)半導(dǎo)體器件所用的主要材料是硅( (Si) )和鍺( (Ge) )。半導(dǎo)體導(dǎo)電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。第1頁/共90頁硅原子結(jié)構(gòu)圖圖 硅原子結(jié)構(gòu)硅原子結(jié)構(gòu)( (a) )硅的原子結(jié)構(gòu)圖最外層電子稱價(jià)電子 價(jià)電子鍺原子也是 4 價(jià)元素4 價(jià)元素的原子常常用+ 4 電荷的正離子和周圍 4個(gè)價(jià)電子表示。+4( (b) )簡化模型第2頁/共90頁本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 +4+4+4+4+4+4+4+4+4完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。

2、 將硅或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結(jié)構(gòu)為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。價(jià)電子共價(jià)鍵圖圖 單晶體中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)單晶體中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)當(dāng)溫度 T = 0 K 時(shí)，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。第3頁/共90頁+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖圖 本征半導(dǎo)體中的本征半導(dǎo)體中的 自由電子和空穴自由電子和空穴自由電子空穴 若 T ，將有少數(shù)價(jià)電子克服共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位空穴。T 自由電子和空穴使本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，但很微弱?？昭煽闯蓭д姷妮d流子。第4頁/共90頁1. 半導(dǎo)體中兩種載流子帶負(fù)電的自由電子帶正電的空穴 2. 本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為 電子 -

3、 空穴對。3. 本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的濃度用 ni 和 pi 表示，顯然 ni = pi 。4. 由于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)會達(dá)到平衡，載流子的濃度就一定了。5. 載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。第5頁/共90頁雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種N 型半導(dǎo)體P 型半導(dǎo)體一、 N 型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的 5 價(jià)雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成 N 型半導(dǎo)體( (或稱電子型半導(dǎo)體) )。常用的 5 價(jià)雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。第6頁/共90頁 本征半導(dǎo)體摻入 5 價(jià)元素后，原來晶體中的某些

4、硅原子將被雜質(zhì)原子代替。雜質(zhì)原子最外層有 5 個(gè)價(jià)電子，其中 4 個(gè)與硅構(gòu)成共價(jià)鍵，多余一個(gè)電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子。 自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，即 n p 。電子稱為多數(shù)載流子( (簡稱多子) )，空穴稱為少數(shù)載流子( (簡稱少子) )。第7頁/共90頁+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子圖圖 1.1.4N 型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)第8頁/共90頁二、 P 型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體中摻入少量的 3 價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成 P 型半導(dǎo)體。+3空穴濃度多于電子濃度，即 p n?？昭槎鄶?shù)載流

5、子，電子為少數(shù)載流子。3 價(jià)雜質(zhì)原子稱為受主原子。受主原子空穴圖圖 P 型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)第9頁/共90頁說明：1. 摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。 4. 雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。( (a) )N 型半導(dǎo)體( (b) ) P 型半導(dǎo)體圖圖 雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡化表示法雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡化表示法第10頁/共90頁1.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管PN 結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為 P 型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成為

6、 N 型半導(dǎo)體，兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)特殊的薄層，稱為 PN 結(jié)。 PNPN結(jié)圖圖 PN 結(jié)的形成結(jié)的形成第11頁/共90頁一、 PN 結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)耗盡層空間電荷區(qū)PN1. 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2. 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)電 子 和 空 穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 PN 結(jié)，耗盡層。圖圖 PN第12頁/共90頁3. 空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場UD空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差 UD 電位壁壘； 內(nèi)電場；內(nèi)電場阻止多子的擴(kuò)散 阻擋層。4. 漂移運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場有利于少子運(yùn)動(dòng)漂移。 阻擋層圖圖 ( (b) )第13頁/共90頁5. 擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)增大，擴(kuò)散電流

7、逐漸減??；隨著內(nèi)電場的增強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)逐漸增加；當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時(shí)，PN 結(jié)總的電流空間電荷區(qū)的寬度約為幾微米 幾十微米；等于零，空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定。即擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電壓壁壘 UD，硅材料約為( (0.6 0.8) ) V, 鍺材料約為( (0.2 0.3) ) V。第14頁/共90頁1. 外加正向電壓又稱正向偏置，簡稱正偏。外電場方向內(nèi)電場方向空間電荷區(qū)VRI空間電荷區(qū)變窄，有利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，電路中有較大的正向電流。圖圖 PN第15頁/共90頁在 PN 結(jié)加上一個(gè)很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻 R。2. 外加反向電壓( (反偏)

8、 )反向接法時(shí)，外電場與內(nèi)電場的方向一致，增強(qiáng)了內(nèi)電場的作用；外電場使空間電荷區(qū)變寬；不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，漂移電流大于擴(kuò)散電流，電路中產(chǎn)生反向電流 I ；由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。第16頁/共90頁空間電荷區(qū)圖圖 反相偏置的反相偏置的 PN 結(jié)結(jié)反向電流又稱反向飽和電流。對溫度十分敏感，隨著溫度升高， IS 將急劇增大。PN外電場方向內(nèi)電場方向VRIS第17頁/共90頁綜上所述：當(dāng) PN 結(jié)正向偏置時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)較大的正向電流， PN 結(jié)處于 導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng) PN 結(jié)反向偏置時(shí)，回路中反向電流非常小，幾乎等于零， PN 結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)?？梢?， PN 結(jié)具有單向

9、導(dǎo)電性。第18頁/共90頁二極管的伏安特性二極管的伏安特性將 PN 結(jié)封裝在塑料、玻璃或金屬外殼里，再從 P 區(qū)和 N 區(qū)分別焊出兩根引線作正、負(fù)極。二極管的結(jié)構(gòu)：( (a) )外形圖半導(dǎo)體二極管又稱晶體二極管。( (b) )符號圖圖 二極管的外形和符號二極管的外形和符號第19頁/共90頁半導(dǎo)體二極管的類型：按 PN 結(jié)結(jié)構(gòu)分：有點(diǎn)接觸型和面接觸型二極管。點(diǎn)接觸型管子中不允許通過較大的電流，因結(jié)電容小，可在高頻下工作。面接觸型二極管 PN 結(jié)的面積大，允許流過的電流大，但只能在較低頻率下工作。按用途劃分：有整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管、發(fā)光二極管、變?nèi)荻O管等。按半導(dǎo)體材料分

10、：有硅二極管、鍺二極管等。第20頁/共90頁二極管的伏安特性在二極管的兩端加上電壓，測量流過管子的電流，I = f ( (U ) )之間的關(guān)系曲線。604020 0.002 0.00400.5 1.02550I / mAU / V正向特性硅管的伏安特性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向特性 50I / mAU / V0.20.4 25510150.010.02鍺管的伏安特性0圖圖 二極管的伏安特性二極管的伏安特性第21頁/共90頁1. 正向特性當(dāng)正向電壓比較小時(shí)，正向電流很小，幾乎為零。相應(yīng)的電壓叫死區(qū)電壓。范圍稱死區(qū)。死區(qū)電壓與材料和溫度有關(guān)，硅管約 0.5 V 左右，鍺管約 0.1 V 左右。

11、正向特性正向特性死區(qū)電壓60402000.4 0.8I / mAU / V當(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓后，隨著電壓的升高，正向電流迅速增大。第22頁/共90頁2. 反向特性 0.02 0.0402550I / mAU / V反向特性反向特性當(dāng)電壓超過零點(diǎn)幾伏后，反向電流不隨電壓增加而增大，即飽和；二極管加反向電壓，反向電流很??；如果反向電壓繼續(xù)升高，大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流會突然增大；反向飽和電流 這種現(xiàn)象稱擊穿，對應(yīng)電壓叫反向擊穿電壓。擊穿并不意味管子損壞，若控制擊穿電流，電壓降低后，還可恢復(fù)正常。擊穿電壓U(BR)第23頁/共90頁3. 伏安特性表達(dá)式( (二極管方程) )1e (S- - TU

12、UIIIS ：反向飽和電流UT ：溫度的電壓當(dāng)量在常溫( (300 K) )下， UT 26 mV二極管加反向電壓，即 U UT ，則 I - - IS。二極管加正向電壓，即 U 0，且 U UT ，則，可得 ，說明電流 I 與電壓 U 基本上成指數(shù)關(guān)系。1eTUUTUUIIeS 第24頁/共90頁結(jié)論：二極管具有單向?qū)щ娦?。加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，呈現(xiàn)很小的正向電阻，如同開關(guān)閉合；加反向電壓時(shí)截止，呈現(xiàn)很大的反向電阻，如同開關(guān)斷開。從二極管伏安特性曲線可以看出，二極管的電壓與電流變化不呈線性關(guān)系，其內(nèi)阻不是常數(shù)，所以二極管屬于非線性器件。第25頁/共90頁二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)1. 最大

13、整流電流最大整流電流 IF 二極管長期運(yùn)行時(shí)，允許通過的最大正向平均電流。2. 最高反向工作電壓 UR工作時(shí)允許加在二極管兩端的反向電壓值。通常將擊穿電壓 UBR 的一半定義為 UR 。3. 反向電流 IR通常希望 IR 值愈小愈好。4. 最高工作頻率 fMfM 值主要 決定于 PN 結(jié)結(jié)電容的大小。結(jié)電容愈大，二極管允許的最高工作頻率愈低。第26頁/共90頁二極管的電容效應(yīng)二極管的電容效應(yīng)當(dāng)二極管上的電壓發(fā)生變化時(shí)，PN 結(jié)中儲存的電荷量將隨之發(fā)生變化，使二極管具有電容效應(yīng)。電容效應(yīng)包括兩部分勢壘電容擴(kuò)散電容1. 勢壘電容是由 PN 結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的。( (a) ) PN 結(jié)加正向電

14、壓（b) ) PN 結(jié)加反向電壓- -N空間電荷區(qū)PVRI+UN空間電荷區(qū)PRI+- -UV第27頁/共90頁空間電荷區(qū)的正負(fù)離子數(shù)目發(fā)生變化，如同電容的放電和充電過程。勢壘電容的大小可用下式表示：lSUQC ddb由于 PN 結(jié) 寬度 l 隨外加電壓 U 而變化，因此勢壘電容 Cb不是一個(gè)常數(shù)。其 Cb = f ( (U) ) 曲線如圖示。 ：半導(dǎo)體材料的介電比系數(shù)；S ：結(jié)面積；l ：耗盡層寬度。OUCb圖圖 1.2.8第28頁/共90頁2. 擴(kuò)散電容 Cd Q是由多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中積累而引起的。在某個(gè)正向電壓下，P 區(qū)中的電子濃度 np( (或 N 區(qū)的空穴濃度 pn) )分布曲線如

15、圖中曲線 1 所示。x = 0 處為 P 與 N 區(qū)的交界處當(dāng)電壓加大，np ( (或 pn) )會升高，如曲線 2 所示( (反之濃度會降低) )。OxnPQ12 Q當(dāng)加反向電壓時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被削弱，擴(kuò)散電容的作用可忽略。 Q正向電壓時(shí)，變化載流子積累電荷量發(fā)生變化，相當(dāng)于電容器充電和放電的過程 擴(kuò)散電容效應(yīng)。圖圖 第29頁/共90頁綜上所述：PN 結(jié)總的結(jié)電容 Cj 包括勢壘電容 Cb 和擴(kuò)散電容 Cd 兩部分。一般來說，當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容起主要作用，即可以認(rèn)為 Cj Cd；當(dāng)反向偏置時(shí)，勢壘電容起主要作用，可以認(rèn)為 Cj Cb。Cb 和 Cd 值都很小，通常為幾個(gè)皮法 幾十皮法，

16、有些結(jié)面積大的二極管可達(dá)幾百皮法。第30頁/共90頁穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。 I/mAU/VO+ - -正向- - +反向 U( (b) )穩(wěn)壓管符號( (a) )穩(wěn)壓管伏安特性+ I圖圖 穩(wěn)壓管的伏安特性和符號穩(wěn)壓管的伏安特性和符號第31頁/共90頁 穩(wěn)壓管的參數(shù)主要有以下幾項(xiàng)：1. 穩(wěn)定電壓 UZ3. 動(dòng)態(tài)電阻 rZ2. 穩(wěn)定電流 IZZZZIUr 穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時(shí)的穩(wěn)定工作電壓。 正常工作的參考電流。I IZ ，只要不超過額定功耗即可。rZ 愈小愈好。對于同一個(gè)穩(wěn)壓管，工作電流愈大， rZ 值愈小。IZ = 5 mA rZ 16 IZ

17、 = 20 mA rZ 3 IZ/mA第32頁/共90頁4. 電壓溫度系數(shù) U 穩(wěn)壓管的參數(shù)主要有以下幾項(xiàng)：穩(wěn)壓管電流不變時(shí)，環(huán)境溫度每變化 1 引起穩(wěn)定電壓變化的百分比。 ( (1) ) UZ 7 V, U 0；UZ 4 V， U 0； ( (2) ) UZ 在 4 7 V 之間， U 值比較小，性能比較穩(wěn)定。 2CW17：UZ = 9 10.5 V， U = 0.09 %/ 2CW11：UZ = 3.2 4.5 V， U = - -( (0.05 0.03) )%/( (3) ) 2DW7 系列為溫度補(bǔ)償穩(wěn)壓管，用于電子設(shè)備的精密穩(wěn)壓源中。第33頁/共90頁 2DW7 系列穩(wěn)壓管結(jié)構(gòu)( (

18、a) )2DW7 穩(wěn)壓管外形圖( (b) )內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖管子內(nèi)部包括兩個(gè)溫度系數(shù)相反的二極管對接在一起。溫度變化時(shí)，一個(gè)二極管被反向偏置，溫度系數(shù)為正值；而另一個(gè)二極管被正向偏置，溫度系數(shù)為負(fù)值，二者互相補(bǔ)償，使 1、2 兩端之間的電壓隨溫度的變化很小。例： 2DW7C， U = 0.005 %/圖圖 2DW7 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管第34頁/共90頁5. 額定功耗 PZ額定功率決定于穩(wěn)壓管允許的溫升。PZ = UZIZPZ 會轉(zhuǎn)化為熱能，使穩(wěn)壓管發(fā)熱。電工手冊中給出 IZM，IZM = PZ/UZ 例 求通過穩(wěn)壓管的電流 IZ 等于多少？R 是限流電阻，其值是否合適？IZVDZ+20 VR = 1.

19、6 k + UZ = 12 V- - IZM = 18 mA例題電路圖例題電路圖IZ IZM ，電阻值合適。 解 mA5A105A106 . 1122033Z - - - -I第35頁/共90頁VDZR使用穩(wěn)壓管需要注意的幾個(gè)問題：圖圖 穩(wěn)壓管電路穩(wěn)壓管電路UOIO+IZIRUI+ 1. 外加電源的正極接管子的 N 區(qū)，電源的負(fù)極接 P 區(qū)，保證管子工作在反向擊穿區(qū)；RL2. 穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載電阻 RL 并聯(lián)；3. 必須限制流過穩(wěn)壓管的電流 IZ，不能超過規(guī)定值，以免因過熱而燒毀管子。第36頁/共90頁1.3雙極型三極管雙極型三極管( (BJT) )又稱半導(dǎo)體三極管、晶體管，或簡稱為三極管。(

20、(Bipolar Junction Transistor) )三極管的外形如下圖所示。三極管有兩種類型：NPN 和 PNP 型。主要以 NPN 型為例進(jìn)行討論。圖圖 三極管的外形三極管的外形第37頁/共90頁三極管的結(jié)構(gòu)三極管的結(jié)構(gòu)常用的三極管的結(jié)構(gòu)有硅平面管和鍺合金管兩種類型。圖三極管的結(jié)構(gòu)圖三極管的結(jié)構(gòu)( (a) )平面型( (NPN) )( (b) )合金型( (PNP) )NecNPb二氧化硅becPNPe 發(fā)射極，b 基 極 ， c 集電極。第38頁/共90頁平面型( (NPN) )三極管制作工藝NcSiO2b硼雜質(zhì)擴(kuò)散ePN在 N 型硅片( (集電區(qū)) )氧化膜上刻一個(gè)窗口，將硼雜

21、質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散形成 P 型( (基區(qū)) )，再在 P 型區(qū)上刻窗口，將磷雜質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散形成N型的發(fā)射區(qū)。引出三個(gè)電極即可。合金型三極管制作工藝：在 N 型鍺片( (基區(qū)) )兩邊各置一個(gè)銦球，加溫銦被熔化并與 N 型鍺接觸，冷卻后形成兩個(gè) P 型區(qū)，集電區(qū)接觸面大，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高。第39頁/共90頁圖圖 三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號( (a) )NPN 型ecb符號集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極 c基極 b發(fā)射極 eNNP第40頁/共90頁集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極 c發(fā)射極 e基極 bcbe符號NNPPN圖圖 1.3.3三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(

22、(b) )PNP 型第41頁/共90頁三極管的放大作用三極管的放大作用和載流子的運(yùn)動(dòng)和載流子的運(yùn)動(dòng)以 NPN 型三極管為例討論圖三極管中的兩個(gè)圖三極管中的兩個(gè) PN 結(jié)結(jié)cNNPebbec表面看三極管若實(shí)現(xiàn)放大，必須從三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部所加電源的極性來保證。不具備放大作用第42頁/共90頁三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求：NNPebcN N NP P P1. 發(fā)射區(qū)高摻雜。2. 基區(qū)做得很薄。通常只有幾微米到幾十微米，而且摻雜較少。三極管放大的外部條件：外加電源的極性應(yīng)使發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，而集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。3. 集電結(jié)面積大。第43頁/共90頁becRcRb三極管中載流子運(yùn)動(dòng)過程I EIB1

23、. 發(fā)射發(fā)射區(qū)的電子越過發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)，基區(qū)的空穴擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)形成發(fā)射極電流 IE ( (基區(qū)多子數(shù)目較少，空穴電流可忽略) )。2. 復(fù)合和擴(kuò)散電子到達(dá)基區(qū)，少數(shù)與空穴復(fù)合形成基極電流 Ibn，復(fù)合掉的空穴由 VBB 補(bǔ)充。多數(shù)電子在基區(qū)繼續(xù)擴(kuò)散，到達(dá)集電結(jié)的一側(cè)。圖圖 三極管中載流子的運(yùn)動(dòng)三極管中載流子的運(yùn)動(dòng)第44頁/共90頁becI EI BRcRb三極管中載流子運(yùn)動(dòng)過程3. 收集集電結(jié)反偏，有利于收集基區(qū)擴(kuò)散過來的電子而形成集電極電流 Icn。其能量來自外接電源 VCC 。I C另外，集電區(qū)和基區(qū)的少子在外電場的作用下將進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)而形成反向飽和電流，用ICBO表示。ICBO圖圖 三

24、極管中載流子的運(yùn)動(dòng)三極管中載流子的運(yùn)動(dòng)第45頁/共90頁beceRcRb三極管的電流分配關(guān)系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC = ICn + ICBO IE = ICn + IBn + IEp = IEn+ IEp一般要求 ICn 在 IE 中占的比例盡量大。而二者之比稱直流電流放大系數(shù)，即ECnII 一般可達(dá) 0.95 0.99第46頁/共90頁三個(gè)極的電流之間滿足節(jié)點(diǎn)電流定律，即IE = IC + IBCBOBCBOBCBOBCC)1(111)(IIIIIIII - - - - ECCCBOCBOECBOCnC 1 IIIIIIIII 可可將將其其忽忽略略，則則時(shí)時(shí)，當(dāng)當(dāng))

25、 )( (代入( (1) )式，得其中：共射直流電流放大系數(shù)。 - - 1第47頁/共90頁CBOBC)1(III 上式中的后一項(xiàng)常用 ICEO 表示，ICEO 稱穿透電流。CEOBCCBOCEO )1( IIIII 則則當(dāng) ICEO IC 時(shí)，忽略 ICEO，則由上式可得BCII 共射直流電流放大系數(shù) 近似等于 IC 與 IB 之比。 一般 值約為幾十 幾百。 第48頁/共90頁三極管的電流分配關(guān)系BCEIII BC II BE )1(II 一組三極管電流關(guān)系典型數(shù)據(jù)IB/mA - -0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05IC/mA 0.001 0.01 0.56

26、1.14 1.74 2.33 2.91 IE/mA 0 0.01 0.57 1.16 1.77 2.37 2.961. 任何一列電流關(guān)系符合 IE = IC + IB，IB IC 0 時(shí)的輸入特性曲線當(dāng) UCE 0 時(shí)，這個(gè)電壓有利于將發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子收集到集電極。UCE UBE，三極管處于放大狀態(tài)。 * 特性右移( (因集電結(jié)開始吸引電子) )V2CE UV/BEUO0CE UIB/ AUCE 1 時(shí)的輸入特性具有實(shí)用意義。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV- - V- - A- - - -mAUBE* UCE 1 V，特性曲線重合。圖圖 三極管共射特性曲線測試電路三極管共射特

27、性曲線測試電路圖圖 三極管的輸入特性三極管的輸入特性第54頁/共90頁二、輸出特性圖圖 NPN 三極管的輸出特性曲線三極管的輸出特性曲線IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB = 0O 5 10 154321劃分三個(gè)區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)1. 截止區(qū)IB 0 的區(qū)域。兩個(gè)結(jié)都處于反向偏置。IB= 0 時(shí)，IC = ICEO。 硅管約等于 1 A，鍺管約為幾十 幾百微安。常數(shù)常數(shù) B)(CECIUfI截止區(qū)截止區(qū)第55頁/共90頁2. 放大區(qū)：條件：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏特點(diǎn)：各條輸出特性曲線比較平坦，近似為水平線，且等間隔。二、輸出特

28、性IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB =0O 5 10 154321放大區(qū)集電極電流和基極電流體現(xiàn)放大作用，即BC II 放大區(qū)放大區(qū)對 NPN 管 UBE 0，UBC 0 UBC 0 。 特點(diǎn)：IC 基本上不隨 IB 而變化，在飽和區(qū)三極管失去放大作用。 I C IB。 當(dāng) UCE = UBE，即 UCB = 0 時(shí)，稱臨界飽和，UCE UBE時(shí)稱為過飽和。飽和管壓降 UCES 0.4 V( (硅管) )，UCES 0. 2 V( (鍺管) )飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)第57頁/共90頁三極管的主要參數(shù)三極管的主要參數(shù)三極管的連接方式ICIE+C2+C1VEERe

29、VCCRc( (b) )共基極接法VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+( (a) )共發(fā)射極接法圖圖 NPN 三極管的電流放大關(guān)系三極管的電流放大關(guān)系一、電流放大系數(shù)是表征管子放大作用的參數(shù)。有以下幾個(gè)：第58頁/共90頁1. 共射電流放大系數(shù) BCII 2. 共射直流電流放大系數(shù) 忽略穿透電流 ICEO 時(shí)，BCII 3. 共基電流放大系數(shù) ECII 4. 共基直流電流放大系數(shù) 忽略反向飽和電流 ICBO 時(shí)，ECII 和 這兩個(gè)參數(shù)不是獨(dú)立的，而是互相聯(lián)系，關(guān)系為： - - 1 1或或第59頁/共90頁二、反向飽和電流1. 集電極和基極之間的反向飽和電流 ICBO2.集電極和發(fā)射極之

30、間的反向飽和電流 ICEO( (a) )ICBO測量電路( (b) )ICEO測量電路ICBOceb AICEO Aceb 小功率鍺管 ICBO 約為幾微安；硅管的 ICBO 小，有的為納安數(shù)量級。當(dāng) b 開路時(shí)， c 和 e 之間的電流。CBOCEO)1(II 值愈大，則該管的 ICEO 也愈大。 圖圖 反向飽和電流的測量電路反向飽和電流的測量電路第60頁/共90頁三、 極限參數(shù)1. 集電極最大允許電流 ICM 當(dāng) IC 過大時(shí)，三極管的 值要減小。在 IC = ICM 時(shí)， 值下降到額定值的三分之二。2. 集電極最大允許耗散功率 PCM過損耗區(qū)安全 工 作 區(qū) 將 IC 與 UCE 乘積等

31、于規(guī)定的 PCM 值各點(diǎn)連接起來，可得一條雙曲線。ICUCE PCM 為過損耗區(qū)ICUCEOPCM = ICUCE安全 工 作 區(qū)安全 工 作 區(qū)過損耗區(qū)過損耗區(qū)圖圖 三極管的安全工作區(qū)三極管的安全工作區(qū)第61頁/共90頁3. 極間反向擊穿電壓外加在三極管各電極之間的最大允許反向電壓。U(BR)CEO：基極開路時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的反向擊穿電壓。U(BR)CBO：發(fā)射極開路時(shí)，集電極和基極之間的反向擊穿電壓。安全工作區(qū)同時(shí)要受 PCM、ICM 和U(BR)CEO限制。過電壓ICU(BR)CEOUCEO過損耗區(qū)安全 工 作 區(qū)ICM過流區(qū)圖圖 三極管的安全工作區(qū)三極管的安全工作區(qū)第62頁/共9

32、0頁P(yáng)NP 型三極管型三極管放大原理與 NPN 型基本相同，但為了保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，外加電源的極性與 NPN 正好相反。圖圖 三極管外加電源的極性三極管外加電源的極性( (a) ) NPN 型VCCVBBRCRb N NP+- - -+uoui( (b) ) PNP 型VCCVBBRCRb+- - -+uoui第63頁/共90頁 PNP 三極管電流和電壓實(shí)際方向。UCEUBE+- -+- -IEIBICebCUCEUBE( (+) )( (- -) )IEIBICebC( (+) )( (- -) ) PNP 三極管各極電流和電壓的規(guī)定正方向。PNP 三極管中各極電流實(shí)際方向與規(guī)定正

33、方向一致。電壓( (UBE、UCE) )實(shí)際方向與規(guī)定正方向相反。計(jì)算中UBE 、UCE 為負(fù)值；輸入與輸出特性曲線橫軸為( (- - UBE) ) 、( (- - UCE) )。第64頁/共90頁1.4場效應(yīng)三極管場效應(yīng)三極管只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場效應(yīng)來控制電流的三極管，稱為場效應(yīng)管，也稱單極型三極管。場效應(yīng)管分類結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管特點(diǎn)單極型器件( (一種載流子導(dǎo)電) )； 輸入電阻高；工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。第65頁/共90頁DSGN符號結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)圖圖 N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N型溝道N型硅棒柵極源極漏極P

34、+P+P 型區(qū)耗盡層( (PN 結(jié)) )在漏極和源極之間加上一個(gè)正向電壓，N 型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是 N 型的，稱 N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管。第66頁/共90頁P(yáng) 溝道場效應(yīng)管圖圖 P 溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道GSD P 溝道場效應(yīng)管是在 P 型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的 N 型區(qū)( (N+) )，導(dǎo)電溝道為 P 型，多數(shù)載流子為空穴。符號GDS第67頁/共90頁二、工作原理 N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管用改變 UGS 大小來控制漏極電流 ID 的。GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，

35、使溝道本身的電阻值增大，漏極電流 ID 減小，反之，漏極 ID 電流將增加。 *耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。第68頁/共90頁1. 設(shè)UDS = 0 ，在柵源之間加負(fù)電源 VGG，改變 VGG 大小。觀察耗盡層的變化。ID = 0GDSN型溝道P+P+ ( (a) ) UGS = 0UGS = 0 時(shí)，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬UGS 由零逐漸增大，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。當(dāng) UGS = UP，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝被夾斷，夾斷電壓 UP 為負(fù)值。ID = 0GDSP+P+N型溝道 ( (b) ) UGS 0，在柵源間加負(fù)電源 VGG，觀察 UGS 變化時(shí)耗盡層和漏極 ID 。UGS =

36、 0，UDG ，ID 較大。PUGDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS 0，UDG 0 時(shí)，耗盡層呈現(xiàn)楔形。( (a) )( (b) )第70頁/共90頁GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS |UP|,ID 0,夾斷GDSISIDP+VDDVGGP+P+( (1) ) 改變 UGS ，改變了 PN 結(jié)中電場，控制了 ID ，故稱場效應(yīng)管； ( (2) )結(jié)型場效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使 PN 反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應(yīng)管輸入電阻很高。( (c) )( (d) )第71頁/共90頁三、特性曲線1. 轉(zhuǎn)移特性( (N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例) )常數(shù)常數(shù) DS)(

37、GSDUUfIO UGSIDIDSSUP圖圖 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性UGS = 0 ，ID 最大；UGS 愈負(fù)，ID 愈?。籙GS = UP，ID 0。兩個(gè)重要參數(shù)飽和漏極電流 IDSS( (UGS = 0 時(shí)的 ID) )夾斷電壓 UP ( (ID = 0 時(shí)的 UGS) )UDSIDVDDVGGDSGV- - V- - UGS圖圖 1.4.5特性曲線測試電路特性曲線測試電路 - -mA第72頁/共90頁1. 轉(zhuǎn)移特性O(shè) uGS/VID/mAIDSSUP圖圖 1.4.6轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性2. 漏極特性當(dāng)柵源 之間的電壓 UGS 不變時(shí)，漏極電流 ID 與漏源之間電壓 UDS 的關(guān)系，即 結(jié)型場效應(yīng)管

38、轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式：常數(shù)常數(shù) GS)(DSDUUfI)0( )1(GSP2PGSDSSD時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng)UUUUII- - 第73頁/共90頁IDSS/VPGSDSUUU - -ID/mAUDS /VOUGS = 0V- -1 - -2 - -3 - -4 - -5 - -6 - -7 V8P U預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū) 可變電阻區(qū)漏極特性也有三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。2. 漏極特性UDSIDVDDVGGDSGV- - V- - UGS圖圖 1.4.5特性曲線測試電路特性曲線測試電路 - -mA圖圖 ( (b) )漏極特性漏極特性第74頁/共90頁場效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據(jù)

39、漏極特性用作圖的方法得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。UDS = 常數(shù)ID/mA0- -0.5- -1- -1.5UGS /VUDS = 15 V5ID/mAUDS /V0UGS = 0- -0.4 V- -0.8 V- -1.2 V - -1.6 V101520250.10.20.30.40.5結(jié)型場效應(yīng)管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達(dá) 107 以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕緣柵場效應(yīng)管。圖圖 在漏極特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移特性在漏極特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移特性第75頁/共90頁絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管 由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，或簡稱 MOS 場效應(yīng)

40、管。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá) 109 以上。類型N 溝道P 溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型UGS = 0 時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場效應(yīng)管；UGS = 0 時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場效應(yīng)管。第76頁/共90頁一、N 溝道增強(qiáng)型 MOS 場效應(yīng)管1. 結(jié)構(gòu)P 型襯底N+N+BGSDSiO2源極 S漏極 D襯底引線 B柵極 G圖圖 N 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS 場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖第77頁/共90頁2. 工作原理 絕緣柵場效應(yīng)管利用 UGS 來控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流 ID。工作原理分析( (1) )UGS = 0

41、漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的 PN 結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBD圖圖 1.4.9第78頁/共90頁( (2) ) UDS = 0，0 UGS UT) )導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。漏極形成電流 ID 。b. UDS= UGS UT， UGD = UT靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。c. UDS UGS UT， UGD UT由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，UDS 逐漸增大時(shí)，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不變，ID 因而基本不變。a. UDS UTP 型襯底N+N+BGSDVGGVDDP 型襯底N+N+BGSDVGGVDDP 型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)第80頁/共90頁DP

42、型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)圖圖 UDS 對導(dǎo)電溝道的影響對導(dǎo)電溝道的影響( (a) ) UGD UT( (b) ) UGD = UT( (c) ) UGD UT第81頁/共90頁3. 特性曲線( (a) )轉(zhuǎn)移特性( (b) )漏極特性ID/mAUDS /VOTGSUU 預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū) 可變電阻區(qū)UGS UT 時(shí)) )三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)( (或飽和區(qū)) )、擊穿區(qū)。UT 2UTIDOUGS /VID /mAO圖圖 ( (a) )圖圖 ( (b) )第82頁/共90頁二、N 溝道耗盡型 MOS 場

43、效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSD+制造過程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場在 P 型襯底中“感應(yīng)”負(fù)電荷，形成“反型層”。即使 UGS = 0 也會形成 N 型導(dǎo)電溝道。+UGS = 0，UDS 0，產(chǎn)生較大的漏極電流；UGS 0；UGS 正、負(fù)、零均可。ID/mAUGS /VOUP( (a) )轉(zhuǎn)移特性IDSS圖圖 MOS 管的符號管的符號SGDBSGDB( (b) )漏極特性ID/mAUDS /VO+1VUGS=0- -3 V- -1 V- -2 V43215101520圖圖 特性曲線特性曲線第84頁/共90頁場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)1. 飽和漏極

44、電流飽和漏極電流 IDSS2. 夾斷電壓 UP3. 開啟電壓 UT4. 直流輸入電阻 RGS為耗盡型場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為增強(qiáng)型場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為耗盡型場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。輸入電阻很高。結(jié)型場效應(yīng)管一般在 107 以上，絕緣柵場效應(yīng)管更高，一般大于 109 。第85頁/共90頁二、交流參數(shù)1. 低頻跨導(dǎo) gm2. 極間電容 用以描述柵源之間的電壓 UGS 對漏極電流 ID 的控制作用。常數(shù)常數(shù) DSGSDmUUIg單位：ID 毫安( (mA) )；UGS 伏( (V) )；gm 毫西門子( (mS) ) 這是場效應(yīng)管三個(gè)電極之間的等效電容，包括 CGS、CGD、CDS。 極間電

45、容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè)皮法。第86頁/共90頁三、極限參數(shù)1. 漏極最大允許耗散功率 PDM2. 漏源擊穿電壓 U(BR)DS3. 柵源擊穿電壓U(BR)GS 由場效應(yīng)管允許的溫升決定。漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為熱能使管子的溫度升高。當(dāng)漏極電流 ID 急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的 UDS 。 場效應(yīng)管工作時(shí)，柵源間 PN 結(jié)處于反偏狀態(tài)，若UGS U(BR)GS ，PN 將被擊穿，這種擊穿與電容擊穿的情況類似，屬于破壞性擊穿。第87頁/共90頁種種 類類符符 號號轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性漏極特性漏極特性 結(jié)型結(jié)型N 溝道溝道耗耗盡盡型型 結(jié)型結(jié)型P 溝道溝道耗耗盡盡型型 絕緣絕緣柵型柵型 N 溝

46、道溝道增增強(qiáng)強(qiáng)型型SGDSGDIDUGS= 0V UDS o oSGDBUGSIDOUT表表 1-2各類場效應(yīng)管的符號和特性曲線各類場效應(yīng)管的符號和特性曲線+UGS = UTUDSID+OIDUGS= 0V- - - -UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID /mAUPIDSSO第88頁/共90頁種種 類類符符 號號轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性漏極特性漏極特性絕緣絕緣柵型柵型N 溝道溝道耗耗盡盡型型絕緣絕緣柵型柵型P 溝道溝道增增強(qiáng)強(qiáng)型型耗耗盡盡型型IDSGDBUDSID_UGS=0+_OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_ _IDUGS=UTUDS_ _o o_ _UGS= 0V _ _IDUDSo o 第89頁/共90頁感謝您的觀看。第90頁/共90頁