模拟电子技术基础-第一章半导体器件课件.ppt

模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术 1、课程性质 电子技术是电类和自动化类各专业的一门技术基础课或专业基础课，是一门入门性质的课程，应用性的课程，为以后学习测试技术、传感器、自动控制打基础，为课程设计、毕业设计打基础，为大家进一步深造打基础。共分模拟电子技术和数字电子技术两门课，基于以上原因，大家应重视这门课。模 拟 电 子 技 术2、主要教学任务 模拟电子技术就是研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。电子器件就是我们平时听到的二极管、三极管、集成芯片等。电子电路电子电路是指含有上述电子器件，并且能实现某种特定功能的电路。在模拟电子技术中主要包括的电路是：放大、滤波、电源。模 拟 电 子 技 术电子电路的应用 1、信号检测（如压力、温度、湿度等）。2、电子仪器（如信号发生器、家用血压仪等）。模 拟 电 子 技 术3、课程的特点.强调理论与实践并重，特别是实验教学尤为重要；.工程性和近似性；.受控源、非线性电路的分析方法。模 拟 电 子 技 术4、本课程与前修课程的联系 本课程与前修课程的联系不是很紧密，只需有普通物理和电路分析基础这两门课的基础。普通物理电子的能带结构 电路分析基础基尔霍夫电压电流定理（即KCL,KVL）、戴维南等效定理、诺当等效定理、叠加原理。可以说是一门全新的课程，大家起点一样，只要肯下功夫，一定能学好。模 拟 电 子 技 术5、分 类 模拟电子技术也叫电子线路。按工作频率，模拟电子技术可分为：低频电子线路 高频电子线路 按电子器件工作特点及其分析方法分为：线性电子线路 3MHz模 拟 电 子 技 术6、参 考 教 材 童诗白模拟电子技术（第四版）清华大学 康华光电子技术基础（模拟部分）（第四版）华中科技大学模 拟 电 子 技 术第 1 章 半导体器件1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管1.3二极管电路的分析方法1.4特殊二极管小结1.5双极型半导体三极管1.6场效应管模 拟 电 子 技 术1.1半导体的基础知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3PN结模 拟 电 子 技 术1.1.1 本征半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体 结构完整、高度提纯的半导体。如硅、锗单晶体。载流子 自由运动的带电粒子。模 拟 电 子 技 术本征半导体的特点：1.热敏特性：半导体的导电能力与温度有关。利用该特性可做成热敏电阻2.光敏特性：半导体的导电能力与光的照射有关系。利用该特性可做成光敏电阻3.掺杂特性：掺如有用的杂质可以改变半导体的 导电能力。利用该特性可做成杂质半导体。模 拟 电 子 技 术硅(锗)的原子结构简化模型惯性核价电子(束缚电子)1、半导体的原子结构模 拟 电 子 技 术2、本征半导体的晶体结构硅(锗)的共价键结构共价键 相邻原子共有价电子所形成的束缚。模 拟 电 子 技 术3、本征半导体的导电情况当温度为绝对零度以下时，该结构为绝缘体在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)模 拟 电 子 技 术图13 本征激发产生电子和空穴模 拟 电 子 技 术本征激发：本征激发：复复 合：合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂漂 移：移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。由电场形成的电流。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。模 拟 电 子 技 术两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键内外)的运动空穴(在共价键以内)的运动 结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。4。电中性。模 拟 电 子 技 术1.1.2 杂质半导体一、N 型半导体和 P 型半导体N 型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流 多子空穴为少数载流 少子电中性正电荷：正离子和空穴负电荷：电子和 本征激发的电子载流子数 电子数施主离子带正电，不能移动模 拟 电 子 技 术1.1.2 杂质半导体一、N 型半导体和 P 型半导体P 型+3+4+4+4+4+4硼原子 空穴空穴 多子电子 少子载流子数 空穴数模 拟 电 子 技 术例：已知本征硅的原子密度为5*1022/cm3。当掺杂量 为 百 万 分 之 一（1/106时），杂 质 浓 度 为5*1016/cm3。则：在常温下，本征硅的ni=1.4*1010/cm3，掺入杂质后：ni=（1.4*1010+5*1016）/cm3两者相差106数量级，即自由电子数量比掺杂前净增一百万倍（106）。结论：1 掺杂后导电能力明显增强。2 掺杂浓度越高，导电能力越强。模 拟 电 子 技 术三、P 型、N 型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数载流子模 拟 电 子 技 术PN结的形成 通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层，称为PN结。PN结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。因此，讨论PN结的特性实际上就是讨论晶体二极管的特性。模 拟 电 子 技 术扩散运动和漂移运动的概念扩散运动:由于存在浓度差,载流子从浓度高的区域向浓度低的区域运动,这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动.由于扩散运动而形成的电流叫扩散电流.漂移运动:载流子在电场的作用下所形成的运动称为漂移运动.所形成的电流称为漂移电流.模 拟 电 子 技 术1.1.3 PN 结一、PN 结(PN Junction)的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散2.复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层)空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。内建电场3.扩散和漂移达到动态平衡,结论：PN结的形成是载流子在半导体内的扩散运动和漂移运动达到动态平衡的结果。*先用板书讲模 拟 电 子 技 术如此相互制约、相互促进，最后多子的扩散运动和少子的飘移运动达到动态平衡。P区的少子电子向N区漂移，补充了N区交界面上因扩散运动而失去的电子，使正离子减少；N区的少子空穴向P区漂移，补充了P区交界面上因扩散运动而失去的空穴，使负离子减少；结果又空间电荷区变窄，内电场减弱，从而又使多子的扩散运动加强1.由于空间电荷区内没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽区(层)。又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又称它为阻挡区或势垒区。结论：PN结的形成是载流子在半导体内的扩 散运动和漂移运动达到动态平衡的结果。模 拟 电 子 技 术2.如果P区和N区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结，。如果一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，模 拟 电 子 技 术二、PN 结的单向导电性：正向导通，反向截止。1.外加正向电压(正向偏置)forward bias3.达到平衡时，PN结的内电场所建立的电位差是不同性质半导体的“接触电位差”，它的大小与半导体材料、掺杂浓度及环境温度有关，室温下：SI的0.60.8V Ge的是0.10.3V正向偏置-P区接电源正极，N区接电源负极。模 拟 电 子 技 术P 区 N 区内电场外电场外电场使多子向 PN 结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流 IF。IF=I多子 I少子 I多子2.外加反向电压(反向偏置)P 区 N 区内电场外电场外电场使多子背离 PN 结移动，空间电荷区变宽。IRPN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流 IRIR=I少子 0正偏的电流是多子的扩散电流，因此PN结的导电能力很强。反偏的电流是少子的漂移电流，因此PN结的导电能力很弱模 拟 电 子 技 术三、PN 结的伏安特性反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当 T=300(27C)：UT=26 mVOu/VI/mA正向特性反向击穿加正向电压时加反向电压时i I S流过PN结的电流i与外加电压u的关系模 拟 电 子 技 术但总的I升高，曲线向左移，向下移T升高，Is升高 T升高，UT降低书中P13p14说明模 拟 电 子 技 术PN结的击穿特性（属于理解性的内容）由图看出，当反向电压超过UBR后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结的 反向击穿，并定义UBR为PN结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。模 拟 电 子 技 术 一、雪崩击穿 在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压增加时，耗尽区变宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对，使少子数量急剧增多，反向电流急剧增大。雪崩击穿与掺杂浓度有关，掺杂浓度越低，UBR值越大。模 拟 电 子 技 术 二、齐纳击穿 在高掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿。一般来说，对硅材料的PN结，UBR7V时为雪崩击穿；UBR 4V时为齐纳击穿；UBR介于47V时，两种击穿都有。另外，PN结不会损坏。模 拟 电 子 技 术1.2半导体二极管1.2.1 半导体二极管的结构和类型1.2.2 二极管的伏安特性1.2.3 二极管的主要参数模 拟 电 子 技 术1.2.1 半导体二极管的结构和类型构成：PN 结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型模 拟 电 子 技 术点接触型正极引线触丝N 型锗片外壳负极引线负极引线 面接触型N型锗PN 结 正极引线 铝合金小球底座金锑合金正极引线负极引线集成电路中平面型PNP 型支持衬底模 拟 电 子 技 术 1.点接触型 优点：PN结面积很小，结电容小，一般在1pF以下，因此工作频率高，可达100MHZ；缺点：不能承受较高的反向电压和大的电流。用途：多用于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件。2.面接触型 用合金法或扩散法工艺制作而成。优点：能通过较大的正向电流，反向击穿电压高，工作温度较高；缺点：结面积大，结电容也大，工作频率低。用途：多用于低频整流电路中。模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术1.2.2 二极管的伏安特性一、PN 结的伏安方程反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当 T=300(27C)：UT=26 mV模 拟 电 子 技 术 图114 二极管伏安特性曲线 模 拟 电 子 技 术二、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD=0Uth=0.5 V 0.2 V(硅管)(锗管)U UthiD 急剧上升0 U Uth UD(on)=(0.6 0.8)V硅管 0.7 V(0.1 0.3)V锗管 0.3 V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)U 0 iD=IS 0.1 A(硅)几十 A(锗)U U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)模 拟 电 子 技 术硅管的伏安特性 锗管的伏安特性604020 0.02 0.0400.40.82550iD/mAuD/ViD/mAuD/V0.2 0.4 25 50510150.010.020模 拟 电 子 技 术1.2.3 二极管的主要参数1.IF 最大整流电流(长期运行时，最大正向平均电流)2.URM 最高反向工作电压，为 U(BR)/2 3.IR 反向电流(室温和URM下的电流。越小单向导电性越好)4.fM 最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)I FURMO模 拟 电 子 技 术1.3二极管电路的 分析方法1.3.1 理想二极管及二极管 特性的折线近似1.3.2 图解法和微变等效电路法模 拟 电 子 技 术含有非线性元件的电路称为非线性电路。从前面分析中得知二极管的伏安特性是非线性的，因此含有二极管的电路为非线性电路。分析非线性电路的方法有 解析法 图解法 模型分析法模 拟 电 子 技 术举例：求右图所示电路中的U和ID。模 拟 电 子 技 术1.3.1 理想二极管一、理想二极管 开关特性uDiD符号及等效模型S S正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0 U(BR)=模 拟 电 子 技 术2.二极管的恒压源模型内容：（1）二极管两端电压大于导通电压时，二极管导通，且导通电压恒定，对硅管 UON=0.7，对锗管UON=0.3；（2）反偏时，二极管截止，IS=0。适用的场合：二极管的工作电流较大，其工作范围在伏安特性的上部，此时当电流在一定范围内变化时，二极管 的端电压不变。模 拟 电 子 技 术3.微变信号模型（或者叫交流小信号模型）在直流工作点Q处的动态电阻适用场合：二极管电路中，除了直流电源外，再引入微小的交流信号，则二极管的工作状态将在直流工作点附近有较小的变动。模 拟 电 子 技 术本题解法：直流通路：理想模型IDQ=E/R UDQ=0恒压源模型：IDQ=（E-UON）/R UDQ=UON交流通路：id=ui/（R+rd）ud=id*rdrd=UT/IDQid=IDQ+id uD=UDQ+ud模 拟 电 子 技 术 二极管的应用：1 限幅电路 限幅电路的作用 限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。限幅电路的构成 限幅电路是用具有非线形特性的器件来实现的，二极管可组成简单的限幅电路，限幅电路中的二极管一般工作在大电流状态，所以可用恒压源模型来分析电路的工作原理，有时根据题目的要求也可采用理想模型。模 拟 电 子 技 术 分析方法：先假定二极管断开，二极管阳极和阴极的电位分别记为UP和UN。接着分别讨论 UPUN时，uo与ui之间的关系.最后画出输出与输入对应的关系曲线和输出与输入的传输特性曲线模 拟 电 子 技 术 1、串联限幅电路其中采用恒压源模型进行分析图1-29（a）课本P27模 拟 电 子 技 术图1-29（b）模 拟 电 子 技 术图1-29（c）传输特性模 拟 电 子 技 术2、并联限幅电路图1-30（a）采用恒压源模型进行分析模 拟 电 子 技 术图1-30模 拟 电 子 技 术图130（c）并联限幅电路的传输特性模 拟 电 子 技 术3、双向限幅电路1-31 双向限幅电路采用理想模型模 拟 电 子 技 术1-31(b)双向限幅电路输入、输出对应的波形图模 拟 电 子 技 术分四种情况来讨论：（1）0ui0.7V（3）ui-0.7（4）-0.7 ui 01-31（c）双向限幅电路的电压传输特性模 拟 电 子 技 术UD(on)例 1.3.1 硅二极管，R=2 k，分别用二极管理想模型和恒压降模型求出 VDD=2 V 和 VDD=10 V 时 IO 和 UO 的值。模 拟 电 子 技 术解VDD=2 V 理想IO=VDD/R=2/2=1(mA)UO=VDD=2 V恒压降 UO=VDD UD(on)=2 0.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2=0.65(mA)VDD=10 V 理想IO=VDD/R=10/2=5(mA)恒压降UO=10 0.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)VDD 大，采用理想模型VDD 小，采用恒压降模型模 拟 电 子 技 术例1.3.2 试求电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压 UO 的值。解：假设二极管断开UP=15 VUP UN二极管导通等效为 0.7 V 的恒压源 P N模 拟 电 子 技 术UO=VDD1 UD(on)=15 0.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3=4.8(mA)I2=(UO VDD2)/R=(14.3 12)/1=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)模 拟 电 子 技 术例 1.3.5 ui=2 sin t(V)，分析二极管的限幅作用。ui 较小，宜采用恒压降模型ui 0.7 VV1、V2 均截止uO=uiuO=0.7 Vui 0.7 VV2 导通 V截止ui 0.7 VV1 导通 V2 截止uO=0.7 V模 拟 电 子 技 术思考题:V1、V2 支路各串联恒压源，输出波形如何？(可切至 EWB)OtuO/V0.7Otui/V2 0.7模 拟 电 子 技 术1.4特殊二极管1.4.1 稳压二极管1.4.2 光电二极管模 拟 电 子 技 术1.4.1 稳压二极管一、伏安特性符号工作条件：工作在反向击穿区的二极管。iZ/mAuZ/VOUZ IZmin IZmaxUZIZ IZ特性模 拟 电 子 技 术二、主要参数1.稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。2.稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，小于 Imin 时不稳压。3.最大工作电流 IZM 最大耗散功率 PZMP ZM=UZ IZM4.动态电阻 rZrZ=UZ/IZ 越小稳压效果越好。几 几十 模 拟 电 子 技 术5.稳定电压温度系数 CT一般，UZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0(为雪崩击穿)具有正温度系数；4 V UZ 7 V，CTV 很小。模 拟 电 子 技 术1.4.2 发光二极管与光敏二极管一、发光二极管 LED(Light Emitting Diode)1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十 mA，导通电压(1 2)V符号u/Vi/mAO2特性模 拟 电 子 技 术2.主要参数电学参数：I FM，U(BR)，IR光学参数：峰值波长 P，亮度 L，光通量 发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通 LED，不可见光：红外光点阵 LED七段 LED,模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术二、光敏二极管1符号和特性符号特性uiO暗电流E=200 lxE=400 lx工作条件：反向偏置2.主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片模 拟 电 子 技 术补充：选择二极管限流电阻步骤：1.设定工作电压(如 0.7 V；2 V(LED)；UZ)2.确定工作电流(如 1 mA；10 mA；5 mA)3.根据欧姆定律求电阻 R=(UI UD)/ID(R 要选择标称值)模 拟 电 子 技 术1.5双极型半导体三极管1.5.1 晶体三极管1.5.2 晶体三极管的特性曲线1.5.3 晶体三极管的主要参数模 拟 电 子 技 术(Semiconductor Transistor)1.5.1 晶体三极管一、结构、符号和分类NNP发射极 E基极 B集电极 C发射结集电结 基区 发射区 集电区emitterbasecollectorNPN 型PPNEBCPNP 型ECBECB模 拟 电 子 技 术分类：按材料分：硅管、锗管按功率分：小功率管 1 W中功率管 0.5 1 W模 拟 电 子 技 术二、电流放大原理1.三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏2.满足放大条件的三种电路uiuoC EB ECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极模 拟 电 子 技 术实现电路:模 拟 电 子 技 术3.三极管内部载流子的传输过程1)发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流 IE。I CN多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。IE少数与空穴复合，形成 IBN。I BN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)I CBOIBIBN IB+ICBO即：IB=IBN ICBO 2)电子到达基区后(基区空穴运动因浓度低而忽略)模 拟 电 子 技 术I CNIEI BNI CBOIB 3)集电区收集扩散过 来的载流子形成集 电极电流 ICICI C=ICN+ICBO 模 拟 电 子 技 术4.三极管的电流分配关系当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB=I BN ICBO IC=ICN+ICBO穿透电流模 拟 电 子 技 术IE=IC+IB模 拟 电 子 技 术1.5.2 晶体三极管的特性曲线一、输入特性输入回路输出回路与二极管特性相似模 拟 电 子 技 术O特性基本重合(电流分配关系确定)特性右移(因集电结开始吸引电子)导通电压 UBE(on)硅管：(0.6 0.8)V锗管：(0.2 0.3)V取 0.7 V取 0.2 V模 拟 电 子 技 术二、输出特性iC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 43211.截止区：2.IB 0 3.IC=ICEO 04.条件：两个结反偏截止区ICEO模 拟 电 子 技 术iC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 43212.放大区：放大区截止区条件：发射结正偏 集电结反偏特点：水平、等间隔ICEO模 拟 电 子 技 术iC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 43213.饱和区：uCE u BEuCB=uCE u BE 0条件：两个结正偏特点：IC IB临界饱和时：uCE=uBE深度饱和时：0.3 V(硅管)UCE(SAT)=0.1 V(锗管)放大区截止区饱和区ICEO模 拟 电 子 技 术三、温度对特性曲线的影响1.温度升高，输入特性曲线向左移。温度每升高 1C，UBE(2 2.5)mV。温度每升高 10C，ICBO 约增大 1 倍。OT2 T1模 拟 电 子 技 术2.温度升高，输出特性曲线向上移。iCuCE T1iB=0T2 iB=0iB=0温度每升高 1C，(0.5 1)%。输出特性曲线间距增大。O模 拟 电 子 技 术1.5.3 晶体三极管的主要参数一、电流放大系数1.共发射极电流放大系数iC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 4321 直流电流放大系数 交流电流放大系数一般为几十 几百Q模 拟 电 子 技 术iC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 43212.共基极电流放大系数 1 一般在 0.98 以上。Q二、极间反向饱和电流CB 极间反向饱和电流 ICBO，CE 极间反向饱和电流 ICEO。模 拟 电 子 技 术三、极限参数1.ICM 集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。2.PCM 集电极最大允许功率损耗 PC=iC uCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全 工 作 区模 拟 电 子 技 术U(BR)CBO 发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。3.U(BR)CEO 基极开路时 C、E 极间反向击穿电压。U(BR)EBO 集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压。U(BR)CBO U(BR)CEO U(BR)EBO(P34 2.1.7)已知:ICM=20 mA,PCM=100 mW，U(BR)CEO=20 V，当 UCE=10 V 时，IC mA当 UCE=1 V，则 IC mA当 IC=2 mA，则 UCE V 102020模 拟 电 子 技 术1.6场效应管 引言1.6.1 结型场效应管1.6.3 场效应管的主要参数1.6.2 MOS 场效应管模 拟 电 子 技 术引 言场效应管 FET(Field Effect Transistor)类型：结型 JFET(Junction Field Effect Transistor)绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET)模 拟 电 子 技 术特点：1.单极性器件(一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低2.输入电阻高(107 1015，IGFET 可高达 1015)模 拟 电 子 技 术1.6.1 结型场效应管1.结构与符号N 沟道 JFETP 沟道 JFET模 拟 电 子 技 术2.工作原理uGS 0，uDS 0 此时 uGD=UGS(off)；沟道楔型耗尽层刚相碰时称预夹断。预夹断当 uDS，预夹断点下移。模 拟 电 子 技 术3.转移特性和输出特性UGS(off)当 UGS(off)uGS 0 时,uGSiDIDSSuDSiDuGS=3 V 2 V 1 V0 V 3 VOO模 拟 电 子 技 术一、增强型 N 沟道 MOSFET(Mental Oxide Semi FET)1.6.2 MOS 场效应管1.结构与符号P 型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个 N 区在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层S D用金属铝引出源极 S 和漏极 DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极 GB耗尽层S 源极 SourceG 栅极 Gate D 漏极 DrainSGDB模 拟 电 子 技 术2.工作原理1)uGS 对导电沟道的影响(uDS=0)反型层(沟道)模 拟 电 子 技 术1)uGS 对导电沟道的影响(uDS=0)a.当 UGS=0，DS 间为两个背对背的 PN 结；b.当 0 UGS UGS(th)(开启电压)时，GB 间的垂 直电场吸引 P 区中电子形成离子区(耗尽层)；c.当 uGS UGS(th)时，衬底中电子被吸引到表面，形成导电沟道。uGS 越大沟道越厚。模 拟 电 子 技 术2)uDS 对 iD的影响(uGS UGS(th)DS 间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。预夹断(UGD=UGS(th)：漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：uDS iD。预夹断发生之后：uDS iD 不变。模 拟 电 子 技 术3.转移特性曲线2 4 64321uGS/ViD/mAUDS=10 VUGS(th)当 uGS UGS(th)时：uGS=2UGS(th)时的 iD 值开启电压O模 拟 电 子 技 术4.输出特性曲线可变电阻区uDS uGS UGS(th)uDS iD，直到预夹断饱和(放大区)uDS，iD 不变uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变截止区uGS UGS(th)全夹断 iD=0 iD/mAuDS/VuGS=2 V4 V6 V8 V截止区 饱和区可变电阻区放大区恒流区O模 拟 电 子 技 术二、耗尽型 N 沟道 MOSFETSGDB Sio2 绝缘层中掺入正离子在 uGS=0 时已形成沟道；在 DS 间加正电压时形成 iD，uGS UGS(off)时，全夹断。模 拟 电 子 技 术二、耗尽型 N 沟道 MOSFET输出特性uGS/ViD/mA转移特性IDSSUGS(off)夹断电压饱和漏极电流当 uGS UGS(off)时，uDS/ViD/mAuGS=4 V 2 V0 V2 VOO模 拟 电 子 技 术三、P 沟道 MOSFET增强型耗尽型SGDBSGDB模 拟 电 子 技 术N 沟道增强型SGDBiDP 沟道增强型SGDBiD2 2 OuGS/ViD/mAUGS(th)SGDBiDN 沟道耗尽型iDSGDBP 沟道耗尽型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA 5 O5FET 符号、特性的比较模 拟 电 子 技 术O uDS/ViD/mA5 V2 V0 V2 V uGS=2 V0 V 2 V 5 VN 沟道结型SGDiDSGDiDP 沟道结型uGS/ViD/mA5 5 OIDSS UGS(off)O uDS/ViD/mA5 V2 V0 V uGS=0 V 2 V 5 V模 拟 电 子 技 术1.6.3 场效应管的主要参数1.开启电压 UGS(th)(增强型)2.夹断电压 UGS(off)(耗尽型)指 uDS=某值，使漏极 电流 iD 为某一小电流时 的 uGS 值。UGS(th)UGS(off)2.饱和漏极电流 IDSS耗尽型场效应管，当 uGS=0 时所对应的漏极电流。IDSSuGS/ViD/mAO模 拟 电 子 技 术UGS(th)UGS(off)3.直流输入电阻 RGS指漏源间短路时，栅、源间加 反向电压呈现的直流电阻。JFET：RGS 107 MOSFET：RGS=109 1015IDSSuGS/ViD/mAO模 拟 电 子 技 术4.低频跨导 gm 反映了uGS 对 iD 的控制能力，单位 S(西门子)。一般为几毫西(mS)uGS/ViD/mAQO模 拟 电 子 技 术PDM=uDS iD，受温度限制。5.漏源动态电阻 rds6.最大漏极功耗 PDM模 拟 电 子 技 术小 结第 1 章模 拟 电 子 技 术一、两种半导体和两种载流子两种载流子的运动电子 自由电子空穴 价电子两 种半导体N 型(多电子)P 型(多空穴)二、二、二极管1.1.特性特性 单向导电 导电正向电阻小(理想为 0)，反向电阻大()。模 拟 电 子 技 术iDO uDU(BR)I FURM2.2.主要参数主要参数正向 最大平均电流 IF反向 最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿)反向饱和电流 IR(IS)(受温度影响)IS模 拟 电 子 技 术3.二极管的等效模型理想模型(大信号状态采用)uDiD正偏导通 电压降为零 相当于理想开关闭合反偏截止 电流为零 相当于理想开关断开恒压降模型UD(on)正偏电压 UD(on)时导通 等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开UD(on)=(0.6 0.8)V 估算时取 0.7 V 硅管：锗管：(0.1 0.3)V 0.2 V折线近似模型相当于有内阻的恒压源 UD(on)模 拟 电 子 技 术4.二极管的分析方法图解法微变等效电路法5.特殊二极管工作条件 主要用途稳压二极管反 偏稳 压发光二极管 正 偏发 光光敏二极管反 偏光电转换模 拟 电 子 技 术三、两种半导体放大器件双极型半导体三极管(晶体三极管 BJT)单极型半导体三极管(场效应管 FET)两种载流子导电多数载流子导电晶体三极管1.形式与结构NPNPNP三区、三极、两结2.特点基极电流控制集电极电流并实现放大模 拟 电 子 技 术放大条件内因：发射区载流子浓度高、基区薄、集电区面积大外因：发射结正偏、集电结反偏3.电流关系IE=IC+IBIC=IB+ICEO IE=(1+)IB+ICEOIE=IC+IBIC=IB IE=(1+)IB 模 拟 电 子 技 术4.特性iC/mAuCE/V100 A80 A60 A40 A20 AIB=0O 3 6 9 124321O0.4 0.8iB/AuBE/V60402080死区电压(Uth)：0.5 V(硅管)0.1 V(锗管)工作电压(UBE(on)：0.6 0.8 V 取 0.7 V(硅管)0.2 0.3 V 取 0.3 V(锗管)饱和区截止区模 拟 电 子 技 术iC/mAuCE/V100 A80 A60 A40 A20 AIB=0O 3 6 9 124321放大区饱和区截止区放大区特点：1)iB 决定 iC2)曲线水平表示恒流3)曲线间隔表示受控模 拟 电 子 技 术5.参数特性参数电流放大倍数=/(1)=/(1+)极间反向电流ICBOICEO极限参数ICMPCMU(BR)CEOuCEOICEOiCICMU(BR)CEOPCM安 全 工 作 区=(1+)ICBO模 拟 电 子 技 术场效应管1.分类按导电沟道分 N 沟道P 沟道按结构分 绝缘栅型(MOS)结型按特性分 增强型耗尽型uGS=0 时，iD=0uGS=0 时，iD 0增强型耗尽型(耗尽型)模 拟 电 子 技 术2.特点栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流输入电阻高，工艺简单，易集成由于 FET 无栅极电流，故采用转移特性和输出特性描述3.特性不同类型 FET 的特性比较参见 表1-2 第 6 4页模 拟 电 子 技 术不同类型 FET 转移特性比较结型N 沟道uGS/ViD/mAO增强型耗尽型MOS 管(耗尽型)IDSS开启电压UGS(th)夹断电压UGS(off)IDO 是 uGS=2UGS(th)时的 iD 值模 拟 电 子 技 术四、晶体管电路的基本问题和分析方法三种工作状态状态 电流关系条件放大 I C=IB发射结正偏集电结反偏饱和 I C IB两个结正偏ICS=IBS 集电结零偏临界截止IB U(th)则导通以 NPN为 例：UBE U(th)则截止模 拟 电 子 技 术判断饱和还是放大：1.电位判别法NPN 管UC UB UE放大UE UC UB饱和PNP 管 UC UB UC U B饱和2.电流判别法IB IBS 则饱和IB IBS 则放大