《模擬電路》第1章：半導體器件基礎.ppt

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第一章半導體器件基礎 1 1半導體的基本知識 1 2半導體二極管 1 3半導體三極管 1 4BJT模型 1 5場效應管 1 1半導體的基本知識 在物理學中 根據(jù)材料的導電能力 可以將他們劃分導體 絕緣體和半導體 典型的半導體是硅Si和鍺Ge 它們都是4價元素 硅原子 鍺原子 硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子 本征半導體的共價鍵結構 束縛電子 在絕對溫度T 0K時 所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中 不會成為自由電子 因此本征半導體的導電能力很弱 接近絕緣體 一 本征半導體 本征半導體 化學成分純凈的半導體晶體 制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99 9999999 常稱為 九個9 這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā) 也稱熱激發(fā) 當溫度升高或受到光的照射時 束縛電子能量增高 有的電子可以掙脫原子核的束縛 而參與導電 成為自由電子 自由電子 空穴 自由電子產(chǎn)生的同時 在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位 稱為空穴 可見本征激發(fā)同時產(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 復合 在一定溫度下 本征激發(fā)和復合同時進行 達到動態(tài)平衡 電子空穴對的濃度一定 常溫300K時 電子空穴對 自由電子帶負電荷電子流 動畫演示 總電流 空穴帶正電荷空穴流 本征半導體的導電性取決于外加能量 溫度變化 導電性變化 光照變化 導電性變化 導電機制 二 雜質半導體 在本征半導體中摻入某些微量雜質元素后的半導體稱為雜質半導體 1 N型半導體 在本征半導體中摻入五價雜質元素 例如磷 砷等 稱為N型半導體 N型半導體 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 在本征半導體中摻入三價雜質元素 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型半導體 雜質半導體的示意圖 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 多子濃度 與溫度無關 因多子濃度差 形成內電場 多子的擴散 空間電荷區(qū) 阻止多子擴散 促使少子漂移 PN結合 空間電荷區(qū) 多子擴散電流 少子漂移電流 耗盡層 三 PN結及其單向導電性 1 PN結的形成 動畫演示 動態(tài)平衡 擴散電流 漂移電流 總電流 0 2 PN結的單向導電性 1 加正向電壓 正偏 電源正極接P區(qū) 負極接N區(qū) 外電場的方向與內電場方向相反 外電場削弱內電場 耗盡層變窄 擴散運動 漂移運動 多子擴散形成正向電流IF 2 加反向電壓 電源正極接N區(qū) 負極接P區(qū) 外電場的方向與內電場方向相同 外電場加強內電場 耗盡層變寬 漂移運動 擴散運動 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 所以稱為反向飽和電流 但IR與溫度有關 PN結加正向電壓時 具有較大的正向擴散電流 呈現(xiàn)低電阻 PN結導通 PN結加反向電壓時 具有很小的反向漂移電流 呈現(xiàn)高電阻 PN結截止 由此可以得出結論 PN結具有單向導電性 動畫演示1 動畫演示2 3 PN結的伏安特性曲線及表達式 根據(jù)理論推導 PN結的伏安特性曲線如圖 正偏 IF 多子擴散 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 電擊穿 可逆 根據(jù)理論分析 u為PN結兩端的電壓降 i為流過PN結的電流 IS為反向飽和電流 UT kT q稱為溫度的電壓當量 其中k為玻耳茲曼常數(shù)1 38 10 23q為電子電荷量1 6 10 19T為熱力學溫度對于室溫 相當T 300K 則有UT 26mV 當u 0u UT時 當u UT 時 4 PN結的電容效應 當外加電壓發(fā)生變化時 耗盡層的寬度要相應地隨之改變 即PN結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 擴散電容CD 當外加正向電壓不同時 PN結兩側堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同 這就相當電容的充放電過程 電容效應在交流信號作用下才會明顯表現(xiàn)出來 極間電容 結電容 1 2半導體二極管 二極管 PN結 管殼 引線 結構 符號 二極管按結構分三大類 1 點接觸型二極管 PN結面積小 結電容小 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結面積可大可小 用于高頻整流和開關電路中 2 面接觸型二極管 PN結面積大 用于工頻大電流整流電路 半導體二極管的型號 國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下 2AP9 一 半導體二極管的V A特性曲線 硅 0 5V鍺 0 1V 1 正向特性 導通壓降 2 反向特性 死區(qū)電壓 實驗曲線 硅 0 7V鍺 0 3V 二 二極管的模型及近似分析計算 例 二極管的模型 串聯(lián)電壓源模型 UD二極管的導通壓降 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 二極管構成的限幅電路如圖所示 R 1k 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 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對應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 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)壓管擊穿所對應的電流 若IZ IZmin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半導體三極管 半導體三極管 也叫晶體三極管 由于工作時 多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行 因此 還被稱為雙極型晶體管 BipolarJunctionTransistor 簡稱BJT BJT是由兩個PN結組成的 一 BJT的結構 NPN型 PNP型 符號 三極管的結構特點 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的內部工作原理 NPN管 三極管在工作時要加上適當?shù)闹绷髌秒妷?若在放大工作狀態(tài) 發(fā)射結正偏 UCE UBE UCB 集電結反偏 由VBB保證 由VCC VBB保證 UCB UCE UBE 0 1 因為發(fā)射結正偏 所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 形成了擴散電流IEN 同時從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴散運動 形成的電流為IEP 但其數(shù)量小 可忽略 所以發(fā)射極電流IE IEN 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合掉 形成IBN 所以基極電流IB IBN 大部分到達了集電區(qū)的邊緣 1 BJT內部的載流子傳輸過程 3 因為集電結反偏 收集擴散到集電區(qū)邊緣的電子 形成電流ICN 另外 集電結區(qū)的少子形成漂移電流ICBO 2 電流分配關系 三個電極上的電流關系 IE IC IB 定義 1 IC與IE之間的關系 所以 其值的大小約為0 9 0 99 2 IC與IB之間的關系 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 相當于兩個PN結并聯(lián) 3 uCE 1V再增加時 曲線右移很不明顯 2 當uCE 1V時 集電結已進入反偏狀態(tài) 開始收集電子 所以基區(qū)復合減少 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uCE 0V時 因集電極無收集作用 iC 0 2 uCE Ic 3 當uCE 1V后 收集電子的能力足夠強 這時 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區(qū)域 飽和區(qū) iC受uCE顯著控制的區(qū)域 該區(qū)域內uCE 0 7V 此時發(fā)射結正偏 集電結也正偏 截止區(qū) iC接近零的區(qū)域 相當iB 0的曲線的下方 此時 發(fā)射結反偏 集電結反偏 放大區(qū) 曲線基本平行等距 此時 發(fā)射結正偏 集電結反偏 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20 200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 集電極到發(fā)射極間的電流 穿透電流 其大小與溫度有關 1 集電極基極間反向飽和電流ICBO發(fā)射極開路時 在其集電結上加反向電壓 得到反向電流 它實際上就是一個PN結的反向電流 其大小與溫度有關 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 要下降 當 值下降到線性放大區(qū) 值的70 時 所對應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時所產(chǎn)生的功耗 PC ICUCE PCM PCM 3 反向擊穿電壓 BJT有兩個PN結 其反向擊穿電壓有以下幾種 U BR EBO 集電極開路時 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 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 集電極與發(fā)射極之間允許的最大反向電壓 在實際使用時 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 iB 0iC 0 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p58 59 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 p54 56 iC f uCE iB 40 A M VCC 0 12 0 0 3 直流負載線 斜率 UCEQ6V ICQ1 5mA Q 半導體三極管的型號 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開關管 國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下 3DG110B 1 5場效應管 BJT是一種電流控制元件 iB iC 工作時 多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行 所以被稱為雙極型器件 場效應管 FieldEffectTransistor簡稱FET 是一種電壓控制器件 uGS iD 工作時 只有一種載流子參與導電 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 得到了廣泛應用 一 絕緣柵場效應三極管 絕緣柵型場效應管 MetalOxideSemiconductorFET 簡稱MOSFET 分為 增強型 N溝道 P溝道耗盡型 N溝道 P溝道 1 N溝道增強型MOS管 1 結構4個電極 漏極D 源極S 柵極G和襯底B 符號 當uGS 0V時 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uGS 0V時 漏源之間相當兩個背靠背的二極管 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 形成導電溝道 如果此時加有漏源電壓 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溝道增強型MOS管的基本特性 uGS UT 管子截止 uGS UT 管子導通 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uGS UT 且固定為某一值時 來分析漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響 設UT 2V uGS 4V a uds 0時 id 0 b uds id 同時溝道靠漏區(qū)變窄 c 當uds增加到使ugd UT時 溝道靠漏區(qū)夾斷 稱為預夾斷 d uds再增加 預夾斷區(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 四個區(qū) a 可變電阻區(qū) 預夾斷前 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的一條轉移特性曲線 UT 一個重要參數(shù) 跨導gm gm iD uGS uDS 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 當uGS 0時 就有溝道 加入uDS 就有iD 當uGS 0時 溝道增寬 iD進一步增加 當uGS 0時 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uGS 0時 這些正離子已經(jīng)感應出反型層 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MOSFET的特性曲線 輸出特性曲線 轉移特性曲線 UP 3 P溝道耗盡型MOSFET P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同 只不過導電的載流子不同 供電電壓極性不同而已 這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣 4 MOS管的主要參數(shù) 1 開啟電壓UT 2 夾斷電壓UP 3 跨導gm gm iD uGS uDS const 4 直流輸入電阻RGS 柵源間的等效電阻 由于MOS管柵源間有sio2絕緣層 輸入電阻可達109 1015 本章小結 1 半導體材料中有兩種載流子 電子和空穴 電子帶負電 空穴帶正電 在純凈半導體中摻入不同的雜質 可以得到N型半導體和P型半導體 2 采用一定的工藝措施 使P型和N型半導體結合在一起 就形成了PN結 PN結的基本特點是單向導電性 3 二極管是由一個PN結構成的 其特性可以用伏安特性和一系列參數(shù)來描述 在研究二極管電路時 可根據(jù)不同情況 使用不同的二極管模型 4 BJT是由兩個PN結構成的 工作時 有兩種載流子參與導電 稱為雙極性晶體管 BJT是一種電流控制電流型的器件 改變基極電流就可以控制集電極電流 BJT的特性可用輸入特性曲線和輸出特性曲線來描述 其性能可以用一系列參數(shù)來表征 BJT有三個工作區(qū) 飽和區(qū) 放大器和截止區(qū) 6 FET分為JFET和MOSFET兩種 工作時只有一種載流子參與導電 因此稱為單極性晶體管 FET是一種電壓控制電流型器件 改變其柵源電壓就可以改變其漏極電流 FET的特性可用轉移特性曲線和輸出特性曲線來描述 其性能可以用一系列參數(shù)來表征